第十四章细胞通讯和信号分子文档资料.ppt

一、细胞直接联系的细胞通讯1、细胞间隙连接介导的细胞通讯细胞间的连接包括紧密连接(tight junction):存在于小肠等组织的表面细胞，主要功能是防止大分子的自由通过和避免水分子等直接进入血液。,第一节 细胞通讯方式,桥粒体(desmosome)：由两个相邻细胞的接触点形成的斑块样结构。斑块的组成包括桥粒芯蛋白（desmoglein）和桥粒胶蛋白（desmocollin），斑块的胞浆侧连接纤丝（filament）。间隙连接(gap junction)：是相邻两个细胞的侧面通过连接蛋白（connexin）相互接触，形成一个2-3nm的细胞间隙，为两个细胞间的小分子和离子交换提供直接通道。,紧密连接,桥粒体,间隙连接,细胞内的小分子如AMP、ADP、ATP、cAMP等通过间隙连接从一个细胞进入另一个细胞，使相邻的细胞发生相同的反应。例如：胰泌素（secretin）作用于胰腺细胞表面受体，引起胞浆内cAMP和Ca2+浓度上升，启动分泌功能。同时，cAMP和Ca2+通过间隙连接进入相邻的细胞，使更多的胰腺细胞发挥分泌功能。,2、细胞表面分子介导的细胞通讯糖蛋白参与的细胞通讯：细胞表面的粘附分子如整合蛋白、钙粘蛋白和免疫球蛋白超家族等，通过相互识别和结合，使两个细胞发生粘附作用，并进一步相互传递信息。,细胞表面分子介导的细胞通讯,细胞表面分子,蛋白聚糖参与的细胞通讯：蛋白聚糖通过三种方式与胞膜连接：核心蛋白的疏水段直接插入细胞质膜层；核心蛋白与糖基磷脂酰肌醇（GPI）共价结合而锚定在细胞质膜上；通过透明质酸与膜结合蛋白的相互作用而与质膜连接。,蛋白聚糖是细胞表面的重要组成成分，起着连接细胞外基质、维持细胞形态和促进信息传递的作用。如：粘结蛋白聚糖与b-FGF结合后，使后者构象发生变化并与受体结合而发挥作用，故细胞表面的粘结蛋白聚糖又称为b-FGF 的辅受体。,细胞表面的蛋白聚糖（proteoglycan）,3、突触连接介导的细胞通讯神经元产生的冲动沿神经纤维传达到神经末梢，引起钙通道开放，细胞外的钙离子内流，神经末梢释放出神经递质，与突触后膜的受体结合后，导致后者产生兴奋性或抑制性突触后电位。,突触连接介导的细胞通讯,二、细胞间接联系的细胞通讯1、由细胞外信号分子介导的细胞通讯一般包括五个步骤：A）细胞合成和释放信号分子；B）信号分子被运转到靶细胞；C）信号分子与靶细胞膜上的受体结合；D）靶细胞内的代谢或基因表达改变；E）信号分子被清除，反应终止。,2、细胞外信号分子分为：内分泌激素、旁分泌信号分子和自分泌信号分子。激素：包括蛋白质类、多肽类、氨基酸衍生物、类固醇和脂肪酸衍生物。,内分泌激素的转运和作用,旁分泌信号分子的作用,旁分泌信号分子：是一个细胞合成的信号分子分泌后，仅作用于临近的细胞并引起后者的反应。通过这种方式进行细胞通讯的信号分子有:免疫细胞分泌的细胞因子(cytokines)和趋化因子(chemokines)，生长因子如EGF、PDGF、IGF、TGF-b等。,自分泌信号分子的作用,自分泌信号分子：是一个细胞合成和分泌的信号分子仅作用于自身细胞的受体并引起后者的反应。通过这种产生自我调节作用。例如肿瘤细胞分泌的生长因子能促进其自身的恶性繁殖。,二、细胞间信号分子 激素：AA衍生物、多肽或蛋白质、类固醇激素、脂肪酸衍生物 神经递质：Ach、去甲肾上腺素、多巴胺、5HT、GABA等 生长因子：EGF、PDGF、VEGF等 细胞因子：IL130、IFN、TNF、GMCSF、TGF等 代谢物、光子、离子、药物等,第二节 细胞内重要信号分子,一、蛋白激酶（protein kinases）蛋白激酶是催化蛋白质磷酸化的一类酶，根据蛋白质被磷酸化的羟基来源，蛋白激酶又分为酪氨酸蛋白激酶和丝/苏氨酸蛋白激酶两大类。蛋白质-OH 蛋白质-O-H2PO3,ATP ADP,蛋白激酶,1、蛋白激酶A和GA）蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)是cAMP依赖的蛋白激酶，属于丝/苏氨酸蛋白激酶类。它由两个催化亚基和两个调节亚基组成（R2C2），R对C的活性有抑制作用。cAMP与R结合后，R与C解离，C被激活，催化底物的磷酸化。,蛋白激酶A的激活,4cAMP,：催 化 亚 基：调 节 亚 基,无活性PKA 激活PKA,PKA的激活与糖原分解,信号调节的放大效应,B）蛋白激酶G(protein kinase G,PKG)是cGMP依赖的蛋白激酶，属于丝/苏氨酸蛋白激酶类。PKG由相同的两个亚基组成，其调节部位和催化部位存在于同一亚基上。,鸟苷环化酶,ANF:Atrial Natriuretic Factor(心钠素),PKG的激活作用,2、蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)属于丝/苏氨酸蛋白激酶类，主要存在于胞液，被Ca2+和二脂酰甘油（DAG）激活。PKC分为：经典型（typical）、新型（novel）、非经典型（atypical）。其氨基酸序列有四个保守区（C1、C2、C3、C4)和可变区（），分为调节域和催化域。,C1,C4,C2,C3,经典型PKC的激活需要Ca2+和DAG；新型PKC缺失Ca2+结合模体，DAG不依赖Ca2+即可激活其活性；非经典型PKC缺失Ca2+结合模体和DAG结合模体，受假底物（PS）、不饱和脂肪酸和PIP3等激活。,PKC 的激活,PKC的生理功能,调节基因表达：PKC 对基因的活化分为早期反应和晚期反应。,调节代谢：活化的PKC引起一系列靶蛋白的丝、苏氨酸残基磷酸化。靶蛋白包括：质膜受体、膜蛋白和多种酶。,3、蛋白激酶B(protein kinase B,PKB)属于丝/苏氨酸蛋白激酶类，分为三种亚型：PKBa、PKBb、PKBg。前两种分布广泛，PKBg主要存在于大肠和睾丸组织中。PKB(AKT)与PIP3结合后被激活；激活的PKB催化底物蛋白的丝/苏氨酸羟基磷酸化；PKB引起的细胞反应包括刺激糖原合成、蛋白质合成、糖酵解和抑制糖异生。,PKB的作用底物包括,A）糖原合成酶激酶-3B）磷酸果糖-2-激酶C）核糖体蛋白S6激酶D）翻译因子抑制剂4E-BPIE）细胞凋亡相关蛋白BADPKB参与细胞的代谢、生长和凋亡的调节,蛋白激酶B的激活过程,4、钙调蛋白依赖性蛋白激酶此类蛋白激酶的活性需要钙调蛋白（Calmodulin，CaM），分为三类：肌球蛋白轻链激酶、磷酸化酶激酶、其它CaM依赖性蛋白激酶。CaM是一个17KDa的属于丝/苏氨酸蛋白激酶类的单链蛋白质，呈哑铃状结构，有四个Ca2+结合点。,钙调蛋白的结构,This small protein binds four Ca+2 ions in a cooperative manner and then interacts with a variety of proteins to alter their activity.,每一个钙结合点具有典型的EF手结构（模体）,CaM依赖性蛋白激酶的激活,Ca2+CaM的功能：（1）开放质膜和肌浆网上钙通道，使Ca2+内流；（2）激活依赖Ca2+CaM的蛋白激酶(CaMPK II)而起作用。（使特定的SerThr残 基磷酸化）CaMPKII，大约12个亚基组成，它的同源亚基分为4个类型()，不同类型的细胞中其表达比例不同，（亚基仅在脑细胞中表达）为多功能激酶（脑含量最高主要集中于突触、骨胳肌、肝、心、肺、肾、胰岛也存在）CaMPKII可磷酸化多种内源蛋白质，底物特异性比较严格，且广泛。例如引起平滑肌收缩的肌球蛋白轻链激酶，导致糖原降解的磷酸化酶激酶(GPK)；有的特异性低。而且Ca+达到一定水平时可自身磷酸化。,5、丝裂原激活蛋白激酶系列丝裂原激活蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）属丝/苏氨酸蛋白激酶。该系列主要包括：MAPKKK（MAPK kinase kinase）、MAPKK（MAPK kinase）和MAPK三类。MAPK又包括三个亚家族：ERK、JNK/SAPKII 和P38-MAPK。MAPK激活后，转至核内，使转录因子磷酸化，改变基因的表达状态。,丝裂原激活蛋白激酶系列,1）ERK亚家族：包括Raf（MAPKKK），MEK（MAPKK），ERK（MAPK）。,ERK的级联激活,胰岛素引起的级联激活,2）JNK/SAPKII亚家族：包括MEKK（MAPKKK），JNKK（MAPKK），JNK/SAPK（MAPK）。JNK/SAPKII亚家族与细胞因子和生长因子的作用有关。,ERK和JNK亚家族的级联激活,3）P38-MAPK亚家族：包括ASK1（apoptosis signal regulation kinase 1，属于MAPKKK），MKK3/MKK6（MAPKK），P38-MAPK（MAPK）。P38-MAPK分子量为38KDa，是一种具有MAPK性质的可被磷酸化的蛋白质，活化的P38-MAPK可磷酸化转录因子（如TCG、ATF2、MEF-2C），从而影响蛋白质合成。,MAPK的级联激活过程,5、蛋白酪氨酸激酶,PTK直接磷酸化信号分子,PTK间接磷酸化信号分子,受体型TPK的激活,具有PTK活性的一些受体,受体型PTK与G蛋白的联系,非受体型PTK缺少跨膜肽段，主要由激酶结构域、SH2和SH3结构域组成，分布于胞浆或胞核内。非受体型PTK分八大类：Src、Fak、Ab1、Syk、Fps、Jak、Csk、Btk。SH2 结构域(src homology 2 domain)：介导信号分子与含磷酸酪氨酸蛋白质分子的结合。SH3 结构域(src homology 3 domain)：介导信号分子与富含脯氨酸蛋白质分子的结合。,家族 成员数 分子量KD 组织分布 亚细胞分布Syk 2 70-72 B、T 细胞胞质Jak 4 130 造血细胞 胞质Btk 3 62-77 造血细胞、肝 胞质Abl 2 150 广泛 胞核及胞质Fak 1 125 广泛 细胞粒斑Fes 3 92-98 广泛、造血 核及胞质 Csk 1 50 广泛 胞质Src 9 53-64 广泛 质膜,(2)结构示意图,Src,Yes.Fyn,Lck,Blk,HckJak1Jak2Jak3Tyk2Syk,ZAP-70Ftk(Tsk)Btk,TecFes/Fps,Fer Abl,ArgFak,SH3,SH2,催化域,JH:7 6 5 4 3 2 1,PH,Csk,C末端有TPK活性的催化结构，N端大多有SH2,SH3，Btk有PH结构,现发现存在SHP（磷酸酶）结构，负调节作用。,Src Tyr Kinases are Required for MAPK Activation of Gene Transcription,二、蛋白磷酸酶（protein phosphatase）蛋白磷酸酶是催化蛋白质去磷酸化的一类酶，根据去磷酸化的羟基来源，又分为蛋白酪氨酸磷酸酶和蛋白丝/苏氨酸磷酸酶两大类。蛋白质-O-H2PO3 蛋白质-OH,H2O Pi,蛋白磷酸酶,PTEN是一种具有双重特异性的蛋白磷酸酶，能催化PIP3脱磷酸形成PIP2。由于PIP3具有激活原癌基因PKB的作用，PTEN通过降低PIP3水平而抑制癌变。因此，PTEN基因称为抑癌基因。PTEN PIP3 PIP2,H2O Pi,三、GTP结合蛋白（GTP binding protein）简称G蛋白，是由a、b和g亚基组成的三聚体，其中a亚基能结合GTP并催化后者水解成GDT，bg二聚体对a亚基活性有抑制作用。G蛋白循环：GDP-abg a-GTP+bg,GTP GDP,Pi,1、G蛋白的结构,a亚基又分为：as亚基激活腺苷酸环化酶ai亚基抑制腺苷酸环化酶aq亚基激活磷脂酶Cat亚基激活cGMP鳞酸二酯酶,Ga,Gb,G,GTP/GDP,Lipid anchors,G protein coupled receptor(GPCR)(7-transmembrane),Gs蛋白的激活,Gs和Gi对腺苷酸环化酶的调节,Gq对PLCb的激活作用,霍乱(Cholera)的机制,2、小分子G蛋白,分子量小于G蛋白，单链结构，具有GTP酶活性，能结合GTP和GDP，分为Ras、Rho、Arf、Sar、Ran、Rab六个家族，在细胞内起信号转导作用。其中 RAS,RHO,RAB,and ARF属于Ras超家族。,Sar(Secretion-associated and Ras-related)proteins,Ras蛋白(Rat sarcoma)Harrey和Kirfen鼠肉瘤病毒上发现，称H-ras、K-ras，人神经母细胞瘤上发现N-ras。所以，Ras又称为原癌基因。与G蛋白相同：GTP/GDP转换，GTPase与G蛋白不同：受酪氨酸蛋白激酶调节中介：接头蛋白(GRB2)和SOS、GTP酶激活蛋白(GAPs)，鸟苷酸释放蛋白（GNRP）。,Ras的激活与细胞增殖,Rho蛋白Rho的作用物是Ser/Thr蛋白激酶N（PKN）、rhophillin、rhotekin等。同时Rho也激活P15K、P13K和PLD。,Rho的激活,四、第二信使,细胞接受外部调节分子（如激素）的刺激后，在细胞内产生次级信号分子，引起细胞的反应，这种次级信号分子称为第二信使。目前发现的第二信使包括：cAMP、cGMP、DAG、NO、IP3、Ca2+等。,几种第二信使分子结构,1、cAMP：由腺苷酸环化酶催化ATP生成。腺苷酸环化酶(AC)是一种膜蛋白，由M1 和M2两部分组成：,AC的催化部分与Gsa的结构,AC的激活及其催化作用,2、cGMP,cGMP主要在平滑肌舒张、尿钠排泄、精子化学趋化、视黄醛光受体中发挥作用。鸟苷酸环化酶（GC）有两种形式：膜结合GC和胞浆GC。,膜结合GC和胞浆GC,膜结合GC：哺乳动物的膜结合GC主要有三种，GC-A、GC-B、GC-C。GC-A和GC-B是利尿钠肽（natriuretic peptide）、心钠素（atrial natriuretic peptide）、脑钠素（brain natriuretic peptide）的受体。GC-C主要分布在小肠粘膜细胞上，内毒素和鸟苷蛋白可与GC-C结合而激活后者胞内cGMP水平增加引起肠道水和盐的分泌腹泻。,胞浆GC：由a和b亚基组成的二聚体，含有血红素作为辅基，NO与辅基血红素结合后而激活GC-C。胞浆GC与平滑肌舒张有关。,3、环核苷酸磷酸二酯酶,环核苷酸磷酸二酯酶（cyclic nucleotide phosphodiesterase，PDE）是一类催化3，5-环核苷一磷酸水解成5-核苷一磷酸的酶。,4、产生脂类衍生物第二信使的相关酶,脂类衍生物第二信使包括：二脂酰甘油（DAG）、肌醇-3,4,5-三磷酸（IP3）等。磷脂酶C（PLC）：根据底物的专一性又分为四类，a）磷脂酰肌醇专一性PLC（PI-PLC），b）磷脂酰胆碱专一性PLC（PC-PLC），c）磷脂酸专一性PLC（PA-PLC），d）糖磷脂酰肌醇专一性PLC（GPI-PLC）。,哺乳动物PI-PLC分布于细胞内，称为细胞内PI-PLC（cPI-PLC），有五类：cPI-PLCa、cPI-PLCb、cPI-PLCg、cPI-PLCd、cPI-PLCe。其中，b、g、d为单链结构。,PLC的催化作用,PLC,+,磷脂酶D（PLD）：PLD的底物主要是磷脂酰胆碱（PC），产生磷脂酸（PA）和胆碱。PLD的主要生理作用是产生第二信使PA，再经PLA2作用产生溶血磷脂酸（LPA），作为血小板和其它一些细胞的信号分子。,磷脂酰肌醇激酶（phosphatidylinositol kinase，PIK）：PIK催化肌醇基团磷酸化。根据磷酸化位置的不同又分为：磷脂酰肌醇-4-激酶（PI-4K），磷脂酰肌醇-5-激酶（PI-5K），磷脂酰肌醇-3-激酶（PI-3K）。PI PI-4-P PI-4,5-P2 PI-3,4,5-P3,PI-4K,PI-5K,PI-3K,(PIP3),PIP3可激活磷脂酰肌醇依赖蛋白激酶(PDK)和蛋白激酶B（PKB）而信号转导起作用。,5、一氧化氮（Nitric oxide）,NO由NO合成酶（Nitric oxide synthase，NOS）催化精氨酸反应生成。,体内NOS分为两类：组成型NOS（constitutive cNOS）和诱导型NOS（inducible iNOS）。组成型NOS又包括神经型NOS（neuronal NOS，nNOS）和内皮型NOS（endothelial NOS，eNOS）。最新研究发现，iNOS以组成成分存在于许多细胞中，而nNOS也存在于非神经细胞中，故将NOS分为NOSI（nNOS）、NOSII（iNOS）、NOSIII（eNOS）。,三种NOS的结构,受NO激活和抑制的酶和蛋白质NO作用酶和蛋白质激活ADP-核糖转移酶、可溶性鸟苷环化酶、环氧化酶、细胞色素、顺乌头酸酶、ATP酶、运铁蛋白抑制核糖核苷酸还原酶、脂加氧酶激活或抑制氨基的亚硝基化、巯基的亚硝基化,NO对血管平滑肌细胞的调节,复习题CaM,PKB/PKC/PKA/PKG,GTP结合蛋白，小G蛋白，MAPK,受体型PTK，非受体型PTK，细胞因子受体（P406）PIK，蛋白磷酸酶,MAPK的三个亚家族？ERK的级联激活过程？鸟苷酸环化酶的激活途径？,