2011细胞信号转导.ppt

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1、细胞信号转导,细胞信号转导（signal transducgtion）主要研究细胞感受、转导环境刺激的分子途径及其对代谢生理反应和基因表达的调控，及外界刺激和胞间信号怎样作用于质膜（或胞内）受体，然后如何跨膜形成信号，以及其后信息分子级联传递，生物信号逐渐放大，引起基因表达和代谢反应变化等内容。 鉴于细胞信号转导与代谢和基因表达调控、细胞免疫、生长发育、细胞的分裂、分化、转化、增殖等重要的生命活动有着十分密切的联系，已成为解决许多重大理论和实际问题最重要的依据。,目 录,第一节 细胞信号转导概述 第二节 受体及跨膜信号转换 第三节 G-蛋白 与跨膜信号转导 第四节 几种重要的胞内信使及其信号传

2、递途径 第五节 具有酶活性的细胞表面受体的跨膜信号转导 第六节 蛋白质的磷酸化与脱磷酸化 第七节 细胞信号转导途径的多样性和相互作用,第一节 细胞信号转导概述,一、细胞信号主要种类 二、细胞信号转导途径的特点 三、参与信号分子相互作用的特殊结构域,细胞信号主要种类,(1) 生物大分子的结构信号:蛋白质、核酸、 多糖及糖蛋白、糖脂类 (2) 物理信号：光、电、磁场、辐射 (3) 化学信号： 细胞间信号分子（第一信使）的类别和特点 细胞内信号分子（第二信使）的类别和特点,生物大分子的结构信息,在细胞内交流时，大分子的结构信息负责细胞成分组装， 决定细胞的基本代谢形式，指导细胞代谢及其调节； 在细胞

3、交流时，则决定同种细胞间的粘连、聚集，病原体对寄主细胞的侵染、配子的融合等； 基因组核酸碱基序列蕴藏的遗传信息决定细胞发育以及世代相承的蓝图。,弱健在分子识别中的作用,蛋白质的结构信息在分子识别中起重要作用，它主要表现为形状和构象，而形状、构象决定于蛋白质氨基酸序列本身，形状、构象的信息是由非共价弱键表达的。,细胞信号转导途径的特点,细胞信号传递途径是一个复杂的网络系统，一种胞间信号被靶细胞质膜或胞内的受体接收，通过跨膜信号转导系统传入胞内，然后由一系列蛋白质传递于效应分子，产生预定的生物学效应。这样的信号传递途径实际上是一个把原初信号逐级放大的级联系统，使得一种胞间信号的微弱刺激可以引发下游

4、千百种酶和转录因子的活性改变，导致生物体内明显的生理变化。,细胞信号转导主要途径模式图,水溶性激素等,生长因子等,脂溶性激素,酪氨酸蛋白激酶,胞间信号第一信使,跨膜信号转导,蛋白质 可逆磷酸化,胞质受体(TF),(细胞外),(质膜),(细胞质),光,(细胞核),Ca2+结合蛋白,生理功能调节,酶蛋白,酶蛋白,核受体,Ras途径,MAPK,DG,IP3,Ca2+,cAMP,PKA,CDPK,CaM.PK,PKC,mRNA,(TF),TF,受体,G- 蛋白,靶蛋白（酶）,环境刺激,胞内信号第二信使,DNA,IP3 :三磷酸肌醇; DG:二酰甘油; PKA:依赖cAMP的蛋白激酶; PKC:依赖Ca

5、2+的与磷脂的蛋白激酶; CaM.PK:依赖Ca2+.CaM的蛋白激酶; CDPK:依赖Ca2+的蛋白激酶; MAPK:有丝分裂原蛋白激酶; TF:转录因子,电波,改变膜电位或释放神经递质,生理功能调节,胞间信号,参与信号分子相互作用的特殊结构域,细胞信号传递中涉及的信号分子间的相互作用，有些是酶-底物间的特异作用，还有许多则是由蛋白质特殊结构域介导的相对特异作用。这些结构域一般由50-100个氨基酸组成具有特殊的空间构象，可识别并结合特定的信号分子或氨基酸序列。,SH2 Domain,SH3 Domain,RDP Domain,WW Domain,PDZ Domain,PH Domain,接

6、头蛋白与锚定蛋白,细胞信号转导中，为了专一、高效地实现有关蛋白之间的相互作用，进化出一类特殊的支架蛋白(scaffold protein)，它们不具备酶活性和转录因子活性，其功能就是把上游和下游的信号传递分子联系起来，为信号传递提供空间上的保证。接头蛋白(adaptor protein)和锚定蛋白(docking protein)即是其中重要的两类。,细胞间通讯的三种不同类型,通过分泌化学介质间接联系型,通过间隙置换直接联系型,通过质膜结合分子直接接触型,胞间通讯信号分子的类别,内分泌激素（氨基酸衍生物、寡肽和蛋白质类、类固醇类） 分泌因子或细胞因子（单胺类、脂肪酸衍生物、肽和蛋白质类） 神经

7、递质（胆碱类、氨基酸类、单胺类、小肽类） 气体信号分子，如NO、CO,胞间通讯信号分子的特点 特异性 复杂性 时效性 水溶性与脂溶性,内分泌激素,分泌因子,神经递质,气体信号分子,分泌细胞,内分泌激素,受体,靶细胞,靶细胞,分泌细胞,靶细胞,神经细胞,突触,胞内信号分子类别, cAMP与cGMP 肌醇三磷酸（IP3）和甘油二酯（DG） Ca2+ 其它,胞内信号分子特点 胞内信号分子是在胞间信号被细胞表面受体接受后，激活同样处于膜上的酶或离子通道而产生的，这样才能完成跨膜的信号转换，最后导致细胞反应。如果我们将胞间信号分子看作第一信使，则胞内信号分子正是充当了第二信使的作用。,第一信使和第二信使

8、图解,各种刺激,胞间信号 （第一信使）,失活的信号分子,效应器,cAMP或IP3、DG （第二信使）,酶活性通透性及其他生理反应,内分泌腺,类固醇激素、甲状腺等激素释放,细胞膜,细胞质,胞内受体,基因表达调控,细胞膜受体,第二节 受体(receptor)及跨摸信号转换,一、受体的概念、特征及分类,四、受体的研究方法 标记配体法检测受体 亲和技术提纯受体 分子克隆技术获取微量受体,三、细胞表面受体种类与结构,二、细胞内受体的作用机制,受体的概念,受体（receptor）是细胞表面或在细胞组分中的一种天然分子，可以识别并特异地与有生物活性的化学信号分子（配体，ligand）结合，从而激活或启动细胞

9、内一系列生物化学反应，最后导致该信号物质特定的生物效应。绝大多数受体为蛋白质,极少数为非蛋白受体。,受体的特点 受体与配体结合具有特异性、敏感性、饱和性即可调控性,受体的类别 细胞内受体 细胞表面受体,细胞表面受体的三种类型,离子通道型受体,1、电压闸门通道,2、配体闸门通道,标记配体法检测受体,用化学或酶学方法合成一种标记配体，将其加入含有受体的样品（细胞或细胞膜）中，使标记配体和受体结合平衡后再测定结合或游离的标记配体数量，由此得出受体的浓度和解离常数。,人肝癌细胞胰岛素表面特异受体检测,去垢剂溶解的膜蛋白,从柱中洗去未结合的蛋白,将受体从 固定化的 alprenolol 上洗下来,洗脱下

10、来的受体alprenolol 复合体,非特异蛋白,受体与杂蛋白混合物,基质颗粒,alprenolol,加过量的alprenolol,加洗脱液,亲和层析法提纯肾上腺素受体,分子克隆技术获得微量受体,从细胞中提取所有mRNA（其中含有能正常表达所需受体蛋白的mRNA），逆转录成cDNA，将其重组入载体质粒，继而让其转染缺乏受体的培养细胞群，其中少数细胞可能含有能编码受体所需的cDNA，并表达成表面受体。,制备所需细胞表面受体的表达克隆法,A.DNA重组,靶细胞mRNA,cDNA,编码无关蛋白质的DNA,编码所需受体的DNA,核内质粒复制,所需受体,D.从粘附细胞中提纯质粒DNA并克隆,DNA质粒,

11、终止信号,启动子,质粒DNA,B.转染及表达,2、细胞内受体的跨摸信号转导,()甾类激素受体信号转导的基本特征 () 甾类激素受体的结构和功能,类固醇激素作用原理示意图,果蝇细胞中脱皮激素诱导基因活化的初级与次级反应模型,DNA结合位点暴露,绞链区,抑制蛋白,激素结合部位,基因激活区域,DNA结合区域,甾素激,甾醇类激素受体作用模型,G蛋白,G 蛋白（GTP-binding protein）一般是指一类与膜受体偶联的异三聚体结合蛋白，其具有和GTP结合并催化GTP水解成GDP的能力，由、三个亚基组成，可充当细胞膜上受体和靶酶之间的信号传递体。 另外还发现一类分子量较小的“小G蛋白”（ smal

12、l GTP-binding protein ），其特点是它们都是单体，存在于不同的细胞部位，在细胞信号传递中也扮演着重要的角色， Ras蛋白是该家族中最重要的成员。,异三聚体G蛋白的结构,Target enzyme,Secondary messenger,生理效应,胞间信号通过G蛋白激活靶酶,异三聚体G蛋白的分类 （按结构和进化的相似性分类）,Gs：能活化腺苷酸环化酶(ACase) Gi、Go、Gt系列： Gi：抑制ACase、电位门控通道和磷脂酰肌醇专一的PLC Go：抑制神经元Ca2+通道 Gt：活化cGMP专一的PDE GQ系列：活化磷脂酰肌醇专一的PLC G12系列：可能和Na+/K+

13、交换系统早基因 转录有关,Ras( Rat sarcoma)的结构和功能,GTP,N-端,C-端,小G蛋白Ras与异三聚体G蛋白一样具有内源GTPase活性,由它完成GTPGDP的转换,结束一次信号传递过程. Ras作为质膜内侧蛋白,把上游受体型酪氨酸蛋白激酶接收的信号传递到下游MAPK级联系统和PI-3K通路。 其参与的信号途径有：成纤维细胞的生长和发育，造血细胞的增殖和分化，T细胞活化,鉻细胞瘤细胞分化,上皮细胞的生长抑制。,小G蛋白偶联的MAPK级联系统,小G蛋白,鸟苷酸释放因子,接头蛋白,MAPK(细胞分裂原活化蛋白激酶)级联系统,酪氨酸蛋白激酶受体,最终结果导致转录因子被磷酸化，从而

14、能依据细胞类型来激发由生长到分化等的细胞表型的改变。,第四节 几种重要的胞内信使及其信号传递途径,一、cAMP信号传递途径 二、IP3/DG信号传递途径 三、Ca2+信号系统 四、cGMP信号传递途径,一、cAMP信号转导通路,1、cAMP的发现和第二信史学说的提出 2、信号分子cAMP的产生和灭活 3、受体通过G蛋白与cAMP环化酶偶联的模型 4、cAMP信号的传递 5、cAMP信号调节的生理过程,Sutherland的研究：cAMP的发现和第二信使学说的提出,肾上腺素,葡萄糖,糖原磷酸化酶,Sutherland因为对cAMP的研究工作，阐明它的功能并提出第二信使学说而获得1971年医学、生

15、理学诺贝尔奖！,受体通过G蛋白与cAMP环化酶偶联的模型,受体蛋白,G蛋白,腺苷酸环化酶,A. 信号分子结合改变受体 构象暴露出蛋白的结合位点,B.膜上扩散导致配体-受体与Gs蛋白结 合从而将其激活并进行GTP-GDP交换,C. GDP为GTP所取代，引起亚基 从G蛋白复合体中解离，暴露出亚 基上腺苷酸环化酶的结合位点,D. 亚基结合并激活环 化酶，产生许多cAMP分子,E. GTP水解，使亚基回到原初 构象，从而与环化酶脱离，环化 酶失活，亚基与再结合,F. 环化酶重复激活，除非信号分子从受体上解离并离开受体回到原初构象,cAMP的合成与分解,腺苷酸环化酶,cAMP 磷酸二酯酶,腺苷酸环化酶

16、(ACase)的拓扑结构,PDE的类别,PDE1 Ca2+依赖型，型对cGMP专一，型对cAMP和 cGMP活力相等。 PDE2 cGMP刺激型，对cAMP和cGMP活力相等。 PDE3 cGMP抑制型，对cAMP专一。 PDE4 在协同下才有效水解cAMP，对抑制敏感。 PDE5 以cGMP为特异底物。 PDE6 被G活化。 PDE7 专一水解cAMP。 PDE8 对cAMP专一。 PDE9 对cGMP高度专一。 PDE10 可水解cAMP和cGMP。,激素通过cAMP-蛋白激酶调节代谢示意图,内在蛋白质的磷酸化作用,改变细胞的生理过程,细胞膜,细胞膜,蛋白激酶（有活性）,cAMP激活蛋白激

17、酶的作用机理,酶级联系统调控示意图,由于酶的共价修饰反应是酶促反应，只要有少量信号分子（如激素）存在，即可通过加速这种酶促反应，而使大量的另一种酶发生化学修饰，从而获得放大效应。这种调节方式快速、效率极高。,肾上腺素或胰高血糖素,1、腺苷酸环化酶（无活性）,腺苷酸环化酶（活性）,2、ATP,cAMP,RcAMP,3、蛋白激酶（无活性）,蛋白激酶（活性）,4、磷酸化酶激酶（无活性）,磷酸化酶激酶（活性）,5、磷酸化酶 b（无活性）,磷酸化酶 a（活性）,6、糖原,6-磷酸葡萄糖,1-磷酸葡萄糖,葡萄糖,血液,肾上腺素或胰高血糖素,1,108,葡萄糖,ATP ADP,4,5,6,cAMP信号传递过

18、程中的放大作用,cAMP信号系统传递模型,cAMP参与的某些生理过程,生理过程 细胞组织 促进糖原分解 抑制糖原合成 肝、肌肉、脂肪细胞 促进糖原异生 肝、肾 促进甘油三酯及胆固醇水解 脂肪细胞、肝、肌肉、产生类固醇细胞 抑制脂类合成 肝、脂肪组织 促进类固醇激素合成 肾上腺皮质、睾丸间质细胞 增强膜透性（离子） 神经细胞、肌肉细胞 增强膜透性（水） 肾、膀胱、皮肤 基因转录 微生物乳糖操纵子、酶诱导 蛋白质合成 分解效应（肝）、 选择性蛋白质合成（肾上腺皮质） 细胞分裂与分化 肝瘤细胞,二、IP3与DG信号途径）,1、质膜磷脂代谢及其胞内信使的发现 2、肌醇磷脂信号分子(IP3与DG)的产生

19、和灭活 3、肌醇磷脂途径（ PLC/ IP3/DG）的基本模型 4、IP3/Ca2+信号传递途径及细胞效应 5、DG/PKC信号传递途径及细胞效应,IP3和DAG信使作用的发现,1953年，Hokin等发现外界刺激可加速膜脂代谢，32P标记研究表明，外界刺激引起膜中磷脂酸肌醇（PI）变化。 1975年，Michell等用3H标记PI，与细胞温育，加入激动剂，测定被标记的PI及其代谢产物，发现PI减少，而其代谢物增加，从而证明刺激促进质膜中PI的水解。后发现其水解产物IP3可刺激内质网释放Ca,DG可激活蛋白激酶C。,质膜磷酸肌醇磷脂的分解,甘油二酯,三磷酸肌醇,磷脂酰肌醇4,5二磷酸,PA:磷

20、脂酸 MG:单酰甘油 AA:花生四烯酸,磷脂酸肌醇循环,PLC,DG,PIP2,IP3,DG、IP3系统信号转导模式图,Ca2+,GTP,配体,受体,CaM+Ca2+,磷酸化作用,磷酸化作用,GDP,GQ,PKC,磷脂酸肌醇循环及信号转导,IP4引起胞外Ca2+的跨膜内流,IP3引起内质网Ca2+释放,IP3引起胞内Ca2+的动员示意图,IP3,IP4,磷脂酶C (PCL),激素,激酶C (PKC),R,PIP2,IP3,IP3受体,内质网,Ca2+,G蛋白,IP3/Ca2+的和DG/PKC信号转导途径1,蛋白,ATP,ADP,DG,DG,Ca2+,Ca2+ /CaM,钙调蛋白(CaM),蛋白

21、激酶（无活）,蛋白激酶（有活性）,蛋白质,蛋白质,ATP,ADP,GTP,生理效应,蛋白,生理效应,从磷脂酶C的激活到胞质钙增加的转化顺序,植物细胞信号转导过程中磷脂酶A2(PLA2)的可能作用,溶血磷脂酰胆碱,植物信号系统中磷脂酶C和磷脂酶D之间的相互关系,IP3在完整细胞和透性细胞中诱导的生理效应,细胞类型 透性细胞 血管平滑肌细胞 胃平滑肌细胞 骨骼肌细胞 粘性霉菌 海胆卵细胞 血小板 完整细胞 鲨属动物光受体 蝾螈 平滑肌细胞 泪腺细胞,生理效应 收缩 收缩 收缩 cGMP形成，肌动蛋白聚合 皮质反应 聚合，5-羟色氨酸释放，变形反应 光传导和适应反应，胞内Ca2+增高 光反应调节 K

22、+流增加 K+流增加,DG/PKC的激活机制图解,PKC,磷脂酶C (PCL),激素,激酶C (PKC),R,PIP2,IP3,IP3受体,内质网,Ca2+,G蛋白,IP3/Ca2+的和DG/PKC信号转导途径11,蛋白,蛋白,ATP,ADP,DG,DG,PS,Ca2+,Ca2+ /CaM,钙调蛋白(CaM),蛋白激酶（无活）,蛋白激酶（有活）,蛋白,蛋白,ATP,ADP,GTP,生理效应,生理效应,PKC的生理功能的多样性,1 对膜离子转运功能的调节 2 对膜受体功能的调节 3 参与代谢的调节（如通过催化磷酸化反应调节酶 活性） 4 参与生物活性物质的合成与分泌 5 对转录过程的调节作用（通

23、过调节转录因子活性 间接调节基因转录活动）,IP3/Ca2+和DG/PKC途径之间的相互作用,Ca2+调节的生理反应,PKC调节的生理反应,细胞生理效应,三、胞内信使Ca2+,1、细胞Ca2+ 转运系统 2、 Ca2+信号的产生和终止 3、钙信使的信号传递钙结合蛋白的结构与功能 4、 Ca2+ -CaM依赖性蛋白激酶（CaM-PK）的结构和 作用机理 5、 CaM-PK的生物学效应,细胞内外Ca2+分布,胞外：0.110mmol/L 胞内：总1mmol/L 其中 核内占50% 线粒体内占35% 内质网内占14% 质膜内占0.5% 胞质内占0.5%,离子通道,Na+-Ca2+交换器,依赖CaM的

24、Ca2+泵,动物肌细胞中的Ca2+转运系统,质 膜,线粒体,肌质网,Ca2+,H2PO4-Ca2+交换器,Ca2+泵,与通过酶促反应 产生的胞内信使不同，Ca2+不能简单地产生和消失，而是由细胞中复杂的转移Ca2+系统在特定的时空将其转移，形成Ca2+信号，应答外界刺激。,两种类型闸门离子通道,1、电压闸门通道,2、配体闸门通道,植物细胞钙离子转运体系,Ca2+信号的产生与终止,Ca2+信号的产生和消失是胞内Ca2+增减、波动的结果。 在某些细胞，质膜通道开放是产生Ca2+信号的主要途径,如神经细胞动作电位达到终端，引起电位门控Ca2+通道的开启，胞外Ca2+涌入胞桨，引发一系列导致神经递质释

25、放的生化反应。而在另一些细胞，胞内钙库Ca2+通道开放是产生信号的主要途径。 当胞质内Ca2+浓度达到1mol .L-1时即可直接或间接活化质膜和内质网膜的Ca2+ -ATPase，把过多的Ca2+泵入钙库或送到胞外。当胞内Ca2+浓度在mol .L-1以上，线粒体膜上的Ca2+单一运送器明显发挥转移Ca2+的能力。,钙结合蛋白,胞内信使系统共同特点之一是，胞内信号产生后，要与其靶分子（靶蛋白或靶酶）作用而传递信息，继而产生生理反应。Ca2+信使的靶分子主要是钙结合蛋白，即其信号传递是通过钙结合蛋白介导的。,钙结合蛋白的种类： （1）具有EF手形结构的钙结合蛋白家族，如钙调素(Calmodul

26、in,CaM) （2）依赖钙的磷脂结合蛋白-附加蛋白家族 （annexin）,钙调素的结构,Ca2+ CaM复合体对靶酶的活化作用,酶X蛋白激酶、磷酸酯酶、核苷酸环化酶、 离子通道蛋白、肌肉收缩蛋白,+,Ca2+,CaM,Ca2+ CaM,酶X (有活性),酶X (无活性),钙调素依赖蛋白激酶（CaM-PK）作用机制示意图,Ca2+/CaM,调节结构域,连接结构域,催化结构域,ATP,蛋白磷酸酶,Mg2+/ATP,ATP,Thr286,(11-260),(261-319),Pi,酶分子自磷酸化,酶分子脱磷酸化,底物磷酸化,钙调素依赖蛋白激酶（CaM-PK）作用机制示意图,1、CCaMK处于非活

27、性状态,2、环境Ca2+浓度升高，视维蛋白类结构域捕捉Ca2+,3、Ca2+刺激的自我磷酸化，提高了对钙调素的亲和力,4、CCaMK与结合有Ca2+的CaM结合，自抑制被解除，激酶被激活,5、底物互作,6、底物被磷酸化,Ca2+浓度升高,CaM-PK的底物及其功能,底物蛋白,功 能,乙酰CoA羧化酶 脂肪酸合成 ATP-柠檬酸裂解酶 脂肪酸合成 环核苷酸磷酸二酯酶 环腺苷酸代谢 鸟苷酸环化酶 环磷酸鸟苷代谢 糖原合成酶 糖代谢 丙酮酸激酶 糖代谢 磷酸果糖激酶 糖原分解 核糖体蛋白5S 蛋白质合成 Ryanodine受体.心肌 Ca2+释放 三磷酸肌醇(IP3)受体 IP3刺激Ca2+外排,c

28、GMP信号转导通路模式图,一氧化氮合成酶,血红素氧化酶,其它靶分子,浆可溶型鸟苷酸环化酶,膜受体结合型鸟苷酸环化酶,cGMP门控离子通道,cGMP抑制的PDE,ADP-核糖环化酶,cGMP激活的PDE,cGMP依赖的蛋白激酶,cAMP依赖的蛋白激酶,离子流动,cAMP反应性,cAMP反应性,cADPR合成,蛋白磷酸化,蛋白磷酸化,cGMP,ANP/BNP,CNP,STa/Guanylin,NO,CO,GC-A,GC-B,GC-C,cAMP,GC结构示意图及与酪氨酸蛋白激酶的比较,质 膜,NH3,NH3,COOH,COOH,COOH,COOH,NH3,NH3,细胞外,细胞内,PTR,PTR,环化

29、酶催化域,膜上GC,膜内GC,cGMP信号在血管平滑肌松弛中的作用,Arg,平滑肌细胞,血管腔,血管内皮细胞,血管壁,胞外刺激,NO,GTP,cGTP,cGTP,GC,松弛,松弛,平滑肌细胞,GTP,GC,NOS,Ca2+,Ca2+-CaM,NOS NO合成酶，GC浆可溶型鸟苷酸环化酶,第五节 具有酶活性的表面受体信号转换系统,具有酶活性受体介导的是非经典跨质膜与胞内信号途径，他们共同的特点是受体可以单独完成信号传递，胞内信号传递不产生经典意义上的第二信使,受体胞内域具有磷酸化等酶活性或具有募集胞质酶蛋白能力，因此引起的以级联磷酸化反应为主的跨胞质信号转导，最终调节基因表达和细胞反应。受体酪氨

30、酸蛋白激酶家族和细胞因子家族是其中最重要的两类。,一、受体Tyr蛋白激酶 (receptor protein tyrosine kinase, RPTK)基本结构 二、RPTK的活化与跨膜信号转导 三、RPTK受体的胞内信号转导通路 四、H2O2-NOX系统:,一种植物体内重要的发育调控与胁迫响应机制,具有募集胞质酶蛋白能力接头蛋白与锚定蛋白,细胞信号转导中，为了专一、高效地实现有关蛋白之间的相互作用，进化出一类特殊的支架蛋白(scaffold protein)，它们不具备酶活性和转录因子活性，其功能就是把上游和下游的信号传递分子联系起来，为信号传递提供空间上的保证。接头蛋白(adaptor

31、protein)和锚定蛋白(docking protein)即是其中重要的两类。,半胱氨酸残基,酪氨酸残基,激酶活性区,跨膜结构区,配体结合区,N-末端,C-末端,细胞外区域,细胞内区域,质膜,RPTK结构示意图,ATP,底物结合区,膜受体酪氨酸蛋白激酶家族： 胰岛素受体家族 上皮生长因子受体家族 血小板衍生生长因子受体家族 成纤维细胞生长因子受体家族 血管内皮生长因子受体家族 肝细胞生长因子受体亚家族 神经营养因子受体亚家族,RPTK受体激酶激活机理,无活性单体,有活性二聚体,ATP ADP,受体自身磷酸化,催化底物磷酸化,磷酸酯酶催化受体脱磷酸化,H2O,配体离开受体，底物磷酸化继续,RP

32、TK型受体的细胞内信号转导通路,MAPKKK,MAPKK,MAPK,MAPK激酶,受体,Ser/Thr蛋白激酶,细胞分裂原活化蛋白激酶,细胞膜,小G蛋白,第六节 蛋白质的磷酸化与脱磷酸化,一、蛋白质的可逆磷酸化及其调控机制 二、蛋白激酶 三、蛋白磷酸酶 四、蛋白质可逆磷酸化在信号转导中的特点和意义,蛋白质磷酸化与脱磷酸化修饰是调控各种各样生物学功能的通用机制，1955年美国生化学家Krebs等发现糖原磷酸化酶的调节机制后，人们陆续发现了许多受这种方式调控的生理生化过程，认识到蛋白质可逆磷酸化作用是许多信号转导途径实现其生物学功能的枢纽。,糖原分解和合成的调控,糖原的分解和合成都是根据肌体的需要

33、由一系列的调控机制进行调控，其限速酶分别为磷酸化酶和糖原合成酶。它们的活性是受磷酸化或去磷酸化的共价修饰的调节及变构效应的调节。二种酶磷酸化及去磷酸化的方式相似，但其效果相反。,ATP,ADP,H2O,Pi,蛋白激酶,蛋白磷酸酯酶,1992年 Krebs和Fisher关于 糖元代谢中蛋白质的可逆磷酸化研究获诺贝尔化学奖,蛋白质可逆磷酸化在介导信号物质生理效应中的作用,cAMP,神经递质,肽类激素,光,神经递质,致癌病毒,血红素,多胺,cGMP,Ca2+,蛋白激酶,ATP,ADP,蛋白质-OH,P,蛋白磷酸酶,Pi,H2O,药物,激素,前列腺素,甾类激素,生长因子,干扰素,多胺,药物,神经递质,

34、激素,磷脂酰肌醇系统,多种生物效应,前列腺素,蛋白质的磷酸化和脱磷酸化,蛋白质磷酸化与其功能的关系 单一部位磷酸化导致单一功能变化 多部位磷酸化导致单一功能变化 多部位磷酸化分别导致不同功能变化 单一部位磷酸化导致多个不同功能变化,可逆磷酸化作用调节蛋白质活性的分子机制,磷酸化导致蛋白质整体构象发生较大变化； 磷酸化导致蛋白质功能部分区域构象发生较大变化； 磷酸基的位阻效应导致蛋白质功能丧失； 磷酸化为其它蛋白质提供了识别标志。,蛋白激酶（protein kinase,PK）,1、蛋白激酶催化反应的一般特征 2、重要的蛋白激酶家族 PKA(cAMPdependent protein kinas

35、e) PKC(Ca2+ /phospholipid dependent protein kinase) RPTK (receptor protein tyrosine kinase) CaM-PK(multifunctional calmodulindependent protein kinase) MAPK (mitogenactivated protein kinase) AMPK (AMPactivated protein kinase),蛋白激酶是能把磷酸基团供体如ATP的-磷酸基团转移到靶蛋白氨基酸受体上的酶类。在已解密的物种基因组中，蛋白激酶家族都是最大的基因家族之一，其重要性不言

36、而喻。,不同物种蛋白激酶的数量排名比较,物 种 基因总数 蛋白激酶基因总数 排名,人 类 32000 575 3 果 蝇 13338 319 2 线 虫 18226 437 2 拟南芥 25498 1049 1 酵 母 6114 121 1,蛋白质激酶结构示意图,催化结构域 (300个左右AA),B.Tyr蛋白激酶,A.Ser/Thr蛋白激酶,蛋白激酶磷酸化反应特征,1、底物被磷酸化的底物氨基酸残基有五类： Ser/Thr蛋白激酶(S/T PK) Tyr蛋白激酶(PTK) His/Lys/Arg蛋白激酶(H/L/A PK) Cys蛋白激酶(C PK) Asp/Glu蛋白激酶(A/G PK) 目

37、前研究得多的是前两类，后三类研究较少。,2、多数蛋白激酶表现出一定底物特异性，但很少具有绝对特异性； 3、几乎所有的蛋白激酶都可以进行自身磷酸化。,激素通过cAMP-蛋白激酶调节代谢示意图,内在蛋白质的磷酸化作用,改变细胞的生理过程,细胞膜,细胞膜,蛋白激酶（有活性）,DG/PKC的激活机制图解,PKC,半胱氨酸残基,酪氨酸残基,激酶活性区,跨膜结构区,配体结合区,N-末端,C-末端,细胞外区域,细胞内区域,质膜,RPTK结构示意图,ATP,底物结合区,膜受体酪氨酸蛋白激酶家族： 胰岛素受体家族 上皮生长因子受体家族 血小板衍生生长因子受体家族 成纤维细胞生长因子受体家族 血管内皮生长因子受体

38、家族 肝细胞生长因子受体亚家族 神经营养因子受体亚家族,钙调素依赖蛋白激酶（CaM-PK）作用机制示意图,Ca2+/CaM,调节结构域,连接结构域,催化结构域,ATP,蛋白磷酸酶,Mg2+/ATP,ATP,Thr286,(11-260),(261-319),Pi,酶分子自磷酸化,酶分子脱磷酸化,底物磷酸化,MAPK信号通路中三级信号流中的亚家族,AMPK激活作用模式图,AMPK,AMPKAMP,AMPKAMP,AMPK,AMPKAMP,AMP,AMP,AMP,AMP,H2O,Pi,PP2C,ADP,ATP,AMPKK,AMP,AMP,磷酸化状态,去磷酸化状态,（方框内数字代表相对活力）,蛋白磷

39、酸酶（protein phosphatase）,Ser/Thr蛋白磷酸酶 Tyr蛋白磷酸酶 双重底物专一性蛋白磷酸酶,蛋白磷酸酶和蛋白激酶对蛋白质可逆磷酸化同等重要，二着缺一不可，在已解密的真核生物基因组中，编码蛋白磷酸酶基因数一般只有蛋白激酶基因数的1/3-1/4。这一方面与蛋白磷酸酶的专一性比较低有关，另一方面蛋白磷酸酶一般都是由多个亚基组成的寡聚体，全酶的数目远比编码亚基的基因数目多。蛋白磷酸酶可分成三类：,PP-2B在T细胞IL-2基因转录因子(NF-Atc)进出核中的调节作用,PP-2B亦为钙调神经磷酸酶(Calcineurin, Cn或CaN)，参与了包括淋巴细胞活化、神经和肌肉发

40、育、心脏形态建成、程序性细胞死亡等依赖Ca2+的细胞生理活动. PP-2B是由一个5771KD的催化亚基(CaA，钙调素结合亚基)和一个19KD的调节亚基(CnB，Ca2+和CaM 结合亚基)紧密结合而成的二聚体。,CnA,T细胞IL-2基因转录因子,脱磷酸化入核,Ca2+浓度增加,磷酸化,磷酸化出核,蛋白激酶与蛋白磷酸酶在作用上的时空调节,Ca2+,Ca2+,Ca2+,Ca2+,（无活性形式）,（活性形式）,（无活性形式）,（活性形式）,无活性,活性,cAMP,蛋白磷酸酶,蛋白磷酸酶,蛋白激酶,蛋白激酶,ATP ADP,ATP ADP,Pi H2O,Pi H2O,蛋白质可逆磷酸化在信号转导中

41、的特点和意义,1、在胞内介导胞外信号时具专一应答的特点； 2、对外界信号具有级联放大作用； 3、可以控制细胞内已存在酶的“活性酶量”，使应答反应更有效； 4、几乎涉及所有的生理过程，功能上具有多样性； 5、使细胞对外界信号的反应具有持续时效和时空上的精确性。,第七节 细胞信号转导途径的多样性和相互作用,1、细胞信号转导途径的多样性 例：质膜脂肪酸代谢与信号传递 质子跨膜信号传递 2、胞内信号转导途径间的复杂性与“交谈” 例： cAMP与与Ca2+信号系统之间的“cross talk” 3、细胞对多种信号途径的整合作用,质膜脂肪酸代谢与信号传递,受体,刺激,IP3,DG,花生四烯酸,蛋白质磷酸化

42、,PKC,花生酸类,生理反应,依赖Ca2+ CaM的酶类,Ca2+,Ca2+,PLC,磷酯酶A2,磷酯酶A1,PIP2,内质网,质膜,ATP,ADP,Ca2+,油酸 亚油酸 亚麻酸,CaM,IP4,Ca2+,某些生物体中细胞反应伴随的pH变化,胞内信号转导途径间的复杂性及在不同层面上的交谈,1、有些配体可以和不同受体结合； 2、有些受体可经由不同的传导物传递信息； 3、同过支架蛋白能把受体、下游信号蛋白及有关分子连接成信号复合体； 4、形成胞内信号的一些酶、离子通道和离子泵也参与信号网络的编织； 5、蛋白激酶/蛋白磷酸酶活性调控不仅是大部分信号途径的重要组成部分，而且也是不同信号途径的交汇点；

43、 6、许多信号转导途径最后都是通过激活转录因子，调节基因表达活性来实现其生物学功能的； 7、活化的转录因子与靶基因相应的顺式作用元件（如启动子、增强子、调控序列和可诱导元件等）相互作用时，也会发生交叉重叠，进行整合。,细胞对多种信号途径的整合作用,细胞信号转导最重要的特点之一在于它是一个网络系统，具有高度的非专一性。细胞内的各种信号转导途径及其组分就如同电脑线路中的各种集成块，但是最复杂的电脑恐也无法与最简单的细胞相比。电脑作为无生命的机械装置，最简单的操作失误或线路故障，都可导致整个系统的瘫痪；而细胞则有自动修复、补偿能力，一定程度的损伤并不能导致细胞的死亡。 细胞信号转导的非线性内涵、整合

44、作用实质等，尽管在世纪之交已经提出，信号转导也开始从组成模块、构件研究走向更高层次的网络研究。,嗅觉研究散发成功的芬芳,2004年生理或医学奖授予了美国的两位神经科学家理查德阿克塞尔和琳达巴克，以表彰他们对气味受体的发现和在嗅觉系统组织方式研究中做出的贡献。,琳达.巴克 国籍：美国 学位：美国得克萨斯大学医学博士 出生：1947年 现任职地点：美国西雅图弗雷德哈钦森 癌症研究中心,理查德.阿克塞尔 国籍：美国 学位：美国约翰霍普金斯大学医学博士 出生：1946年 现任职地点：美国纽约哥伦比亚大学 霍华德休斯医学研究所,细胞信号转导主要途径模式图,水溶性激素等,生长因子等,脂溶性激素,酪氨酸蛋白

45、激酶,胞间信号第一信使,跨膜信号转导,蛋白质可逆磷酸化,胞质受体(TF),(细胞外),(质膜),(细胞质),光,(细胞核),Ca2+结合蛋白,生理功能调节,酶蛋白,酶蛋白,核受体,Ras途径,MAPK,DG,IP3,Ca2+,cAMP,PKA,CDPK,CaM.PK,PKC,mRNA,(TF),TF,受体,G- 蛋白,靶蛋白（酶）,环境刺激,胞内信号第二信使,DNA,IP3 :三磷酸肌醇; DG:二酰甘油; PKA:依赖cAMP的蛋白激酶; PKC:依赖Ca2+的与磷脂的蛋白激酶; CaM.PK:依赖Ca2+.CaM的蛋白激酶; CDPK:依赖Ca2+的蛋白激酶; MAPK:有丝分裂原蛋白激酶; TF:转录因子,电波,改变膜电位或释放神经递质,生理功能调节,胞间信号,cAMP与与Ca2+信号系统之间的“cross talk”,生 理 反 应,cAMP,Ca2+,激酶 R亚基,激酶 C亚基,磷酸蛋白,Ca2+ .CaM依赖PDE,CaM (无活性),Ca2+.CaM (活性),Ca2+ .CaM结合蛋白,Ca2+ .CaM 依赖蛋白磷酸酶,Ca2+ .CaM 依赖蛋白激酶,蛋白磷酸酶抑制因子,-蛋白质