《信号传导》PPT课件.ppt

第九章 细胞信号传导,第一节 概述 一、细胞通讯 二、细胞信号转导的特征及其转导系统第二节 细胞内受体介导的信号转导第三节 G-蛋白偶联的受体介导的信号转导第四节 酶联受体介导的信号转导第五节 信号的整合与控制,CellBio,3版，P218,第一节 概述,一、细胞通讯(cell communication),CellBio,（一）细胞通讯方式：,（1）分泌化学信号进行通讯,（3）间隙连接或者胞间连丝,（2）接触依赖性通讯,概念：一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应的反应。,三种细胞通讯方式,一、细胞通讯(cell communication),CellBio,（1）分泌化学信号进行通讯,（3）间隙连接或者胞间连丝,（2）接触依赖性通讯,A:垂体、甲状腺、甲状旁腺、肾上腺、性腺、胰岛、胸腺及松果体B:胃肠粘膜上皮的内分泌细胞、胰岛D细胞、分泌前列腺素的细胞,1.细胞信号分子,分类：1.生物细胞所接受的信号2.化学结构:短肽、蛋白质、气体分子（NO、CO）以及氨基酸、核苷酸、脂类和胆固醇衍生物等等，其共同特点是：特异性，只能与特定的受体结合；细胞间识别-信号分子高效性，几个分子即可发生明显的生物学效应，这一特性有赖于细胞的信号逐级放大系统可被灭活，完成信息传递后可被降解或修饰而失去活性，保证信息传递的完整性和细胞免于疲劳,物理信号（光、热、电流）,化学信号（激素、局部介质、神经递质）,（二）细胞通讯元件：,3.产生和作用方式:4.溶解性,内分泌激素,神经递质,局部化学介导因子,气体分子,脂溶性信号分子，如甾类激素和甲状腺素，可直接穿膜进入靶细胞，与胞内受体结合形成激素-受体复合物，调节基因表达。,水溶性信号分子，如神经递质、细胞因子和水溶性激素，不能穿过靶细胞膜，只能与膜受体结合，经信号转换机制，通过胞内信使（如cAMP）或激活膜受体的激酶活性（如受体酪氨酸激酶），引起细胞的应答反应。,2.受体（receptor）,细胞膜上或细胞内能够识别和选择性结合某种配体（信号分子），多为糖蛋白，少量是糖脂，分子上具有配体结合区域和产生效应的区域。特点：特异性；饱和性；配体与受体结合高度的亲和力。,（二）细胞通讯元件：,细胞对信号的反应不仅取决于其受体的特异性，而且与细胞的固有特征有关。相同信号可产生不同效应：如Ach可引起骨骼肌收缩、作用于心肌收缩频率降低，唾腺细胞分泌。不同信号可产生相同效应：如肾上腺素、胰高血糖素，促进肝糖原降解而升高血糖。,分类：靶细胞上受体存在的部位 细胞内受体：位于细胞质基质或核基质中，主要识别和结合小的脂溶性信号分子，如胞内的甾体类激素受体。细胞表面受体：主要亲水性信号分子的信息传递。可分为：离子通道型受体、G蛋白耦联型受体和酶耦联型受体。有组织特异性，主要存在神经、肌肉等兴奋细胞。和不同组织所有类型细胞,细胞内受体（intracellular receptor）,细胞表面受体（cell surface receptor）,离子通道型受体,受体本身为离子通道，即配体门通道。主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，信号分子为神经递质。分为：阳离子通道，如乙酰胆碱受体；阴离子通道，如氨基丁酸受体。,Chemical synapse,3、第二信使和分子开关,第二信使定义：细胞表面受体接受细胞外信号后转换而来的细胞内信号称为第二信使,而将细胞外的信号称为第一信使。第二信使为第一信使作用于靶细胞后在胞浆内产生的信息分子，第二信使将获得的信息增强，分化，整合并传递给效应器才能发挥特定的生理功能或药理效应。第二信使包括：环磷腺苷，环磷鸟苷，肌醇磷脂，钙离子，廿碳烯酸类，一氧化氮等。,（二）细胞通讯元件：,作用方式 直接作用。如Ca能直接与骨骼肌的肌钙蛋白结合引起肌肉收缩;间接作用。这是主要的方式，第二信使通过活化蛋白激酶，诱导一系列蛋白质磷酸化，最后引起细胞效应。基本特性 第一信使同其膜受体结合后最早在细胞膜内侧或胞浆中出现、仅在细胞内部起作用的信号分子；能启动或调节细胞内稍晚出现的反应信号应答。,分子开关（molecular switches）：定义：通过激活机制或失活机制精确控制细胞内一系列信号传递的级联反应的蛋白质。分类：一类GTPase开关蛋白：结合GTP而活化，结合GDP而失活。二类 蛋白激酶和蛋白磷酸酶调开关蛋白：开关蛋白的活性由蛋白激酶使之磷酸化而开启，由蛋白磷酸酯酶使之去磷酸化而关闭，许多由可逆磷酸化控制的开关蛋白是蛋白激酶本身，在细胞内构成信号传递的磷酸化级联反应,第二信使与分子开关,A.开关蛋白的活性由激酶使之磷酸化而开启，由磷酸酶使之去磷酸化而关闭；,B.主要开关蛋白由GTP结合蛋白组成，结合GTP而活化，结合GDP而失活。,类型：,二、细胞信号转导的特征及其转导系统,1.信号传导系统的基本组成,1）细胞膜上特殊受体识别刺激。2）信号跨膜转导。3）信号传递到细胞内效应分子，该分子可引起细胞活动的改变。4）信号分子失活，引起细胞反应停止。,2.信号转导通路的步骤：,signal magnification,3.细胞表面到细胞核的信号途径的各类蛋白成分,1.细胞对外界刺激必须作出适当的反应，且反应是特异性的。,2.细胞对外界刺激的反应是通过信号传导进行的，而转导过程是一个放大过程。,（三）细胞传递信号的特征：,3.细胞信号具有终止和下调作用。,细胞受到多种信号刺激，细胞对信号具有整合作用，它以不同的组合方式调节细胞的行为。,在生物发育过程中，每个细胞接受特定组合的细胞外信号分子发生特定的反应。,CellBio,当信号消失之后，细胞能够记忆某些信号的效应。(如Ca2+),被Ca2+活化蛋白激酶可自磷酸化或磷酸化其它蛋白质分子，自磷酸化在Ca2+回复细胞内正常水平后很长时间内保持激酶的活性，从而提供一个最初信号的记忆痕迹。,在多细胞生物发育的过程中，短暂的细胞外信号分子经常诱导长期的细胞效应。这些长期效应通常依赖于自活化的记忆机制，该机制推动信号通路的下游反应，即在基因转录水平上的反应。,信号通路（signaling pathway）,CellBio,细胞识别：细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子（配体）选择性地相互作用，进而导致胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效应的过程。细胞识别是通过各种不同的信号通路实现的。,信号通路 细胞接受外界信号，通过一整套特定的机制，将胞外信号转导为胞内信号，最终调节特定基因的表达，引起细胞的应答反应，这种反应系列称之为细胞信号通路。,1.细胞内受体的本质:依赖激素激活的基因调控蛋白，构成胞内受体超家族。,第二节 细胞内受体介导的信号转导,N端转录激活结构域；C端激素结合位点；中部富含Cys、具有两个重复的锌指结构，可与DNA或Hsp90结合位点,一、细胞内受体及其对基因表达的调节,2.结构,胆固醇激素受体激活,目前发现：类固醇激素、视黄素、维生素D和甲状腺素的受体在细胞核内。,A.初级反应阶段,B.延迟反应阶段,类固醇激素的两步反应阶段：,这类激素作用通常表现为影响如细胞分化等长期生物学效应,直接活化少数特殊基因转录的，发生迅速；,初级反应产物再活化其它基因，产生延迟的次级反应，对初级反应起放大作用。,科学家发现人体内自身产生的一些以往被视为“有害”的气体也有控制血管功能和调节血压的作用。为了与传统的信号分子区别，人们提出了气体信号分子这一新概念。第一个被发现的气体分子信号是NO，3位外国科学家因此获得了1998年诺贝尔医学与生理科学奖，并以此开发出药物万艾可（伟哥）。,Robert F.Furchgott,Louis J.Ignarro,Ferid Murad,二、NO作为信号分子,乙酰胆碱血管内皮Ca2+浓度升高一氧化氮合酶NO平滑肌细胞鸟苷酸环化cGMP血管平滑肌细胞的Ca2+离子浓度下降平滑肌舒张血管扩张、血流通畅。,硝酸甘油治疗心绞痛具有百年的历史，其作用机理是在体内转化为NO，可舒张血管，减轻心脏负荷和心肌的需氧量。,Guanylate cyclase,NO是一种自由基性质的气体，具有脂溶性；,NO的作用机理：,可快速扩散透过细胞膜，作用于邻近细胞。,NO的生成细胞：血管内皮细胞和神经细胞,二、NO作为信号分子,乙酰胆碱血管内皮Ca2+浓度升高一氧化氮合酶NO平滑肌细胞鸟苷酸环化cGMP血管平滑肌细胞的Ca2+离子浓度下降平滑肌舒张血管扩张、血流通畅,H2S,以往对于H2S 的研究偏重于其毒性作用，直至90 年代中期才发现，内源性H2S 具有多种生理功能，如促进海马长时程增强(LTP，认为与学习、记忆有关)的诱导，调节消化道和血管平滑肌张力，抑制血管平滑肌增殖，调节下丘脑垂体肾上腺轴的功能等。H2S具有的特点：属于小分子量气体，例如NO 和CO；H2S在脂溶性溶剂中的溶解度为水中的5 倍，故可以自由穿过膜结构，发挥作用不依赖于膜受体；在某些酶的催化下可以内源性生成，并接受调节。,与NO、CO 不同，H2S 可不通过cGMP 而直接作用于血管平滑肌细胞KATP来舒张血管。这是内源性气体信号分子调节血管张力的新机制。对于探讨生理或病理情况下血管张力变化的发生机制提供了另外一种途径。,第三节 G-蛋白偶联的受体介导的信号转导,2012诺贝尔化学奖获得者,勒夫科维兹(Robert J.Lefkowitz),布莱恩K卡比尔卡(Brian K.Kobilka),组成：三个亚基，和亚基属于脂锚定蛋白。,一、G蛋白偶联受体,（1）G蛋白：即三聚体GTP结合调节蛋白，位于质膜胞质侧。,作用：分子开关，亚基具有GTP酶活性，能催化所结合的GTP水解，恢复无活性的三聚体状态。,单条多肽链，7-helix，7次跨膜;C-端在细胞内富含Ser-和Thr。,类型：多种神经递质、肽类激素和 趋化因子的受体;味觉、视觉和嗅觉感受器。,（2）G蛋白偶联的受体：,与G蛋白作用部位,结合配体部位,一、G蛋白偶联受体,根据产生第二信使的不同：A.cAMP信号通路；B.磷脂酰肌醇信号通路,一、G蛋白偶联受体,（3）G蛋白偶联的受体介导的细胞信号通路：,A.cAMP信号途径,1.cAMP信号途径的主要组分：,激活型受体（Rs）或抑制型受体（Ri）活化型调节蛋白（Gs）或抑制型调节蛋白（Gi）；,G蛋白可激活酶活性（称向上调节up regulation）,也可抑制其作用的酶活性（向下调节down regulation），因此有激活型和抑制型两种不同的系统。ACTH-促肾上腺皮质激素，Epinephrine肾上腺素，PGE-前列腺素,Mg2+或Mn2+,Adenylate cyclase,腺苷酸环化酶：,由两个催化亚基和两个调节亚基组成。cAMP与调节亚基结合，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基，激活蛋白激酶A的活性。,蛋白激酶A（Protein Kinase A，PKA）,cAMP与蛋白激酶对细胞活性的影响,慢速应答,快速应答,以cAMP为第二信使的信号途径可表示为：激素 G蛋白耦联受体G蛋白腺苷酸环化酶cAMP依赖cAMP的蛋白激酶A基因调控蛋白磷酸化基因转录。,不同细胞对cAMP信号途径的反应速度不同：在肌肉细胞，1秒钟内可启动糖原降解为葡糖1-磷酸，而抑制糖原合成。在某些分泌细胞，需要几个小时，激活的PKA 进入细胞核，将CRE结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。CRE（cAMP response element）是DNA上的调节区域。,cAMP信号与基因表达,被cAMP激活的PKA，大多数在胞质溶胶中使下游蛋白质磷酸化，从而影响细胞代谢和细胞行为，这是细胞快速应答胞外信号的过程。也有少数被激活的PKA可以转移到细胞核中磷酸化某些重要的核蛋白，其中多数是被称为CREB（cAMP效应元件结合因子）的转录因子。,环腺苷酸磷酸二酯酶（cAMP phosphodiesterase,PDE）,Degredation of cAMP,降解cAMP生成5-AMP，起终止信号的作用,2.cAMP 信号通路的Gs调节模型,当细胞没有受到激素刺激，Gs处于非活化态，亚基与GDP结合，此时腺苷酸环化酶没有活性；当激素配体与Rs结合后，导致Rs构象改变，暴露出与Gs结合的位点，使激素-受体复合物与Gs结合，Gs的亚基构象改变，从而排斥GDP，结合GTP而活化，使三聚体Gs蛋白解离出亚基和基复合物，并暴露出亚基与腺苷酸环化酶的结合位点。,难点,结合GTP的亚基与腺苷酸环化酶结合，使之活化，并将ATP转化为cAMP。随着GTP的水解亚基恢复原来的构象并导致与腺苷酸环化酶解离，终止腺苷酸环化酶的活化作用。亚基与亚基重新结合，使细胞回复到静止状态。,亚基复合物也可直接激活某些胞内靶分子，具有传递信号的功能。如心肌细胞中G蛋白耦联受体在结合乙酰胆碱刺激下，活化的亚基复合物能开启质膜上的K+通道，改变心肌细胞的膜电位。此外亚基复合物也能与膜上的效应酶结合，对结合GTP的亚基起协同或拮抗作用。,通过亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性；通过亚基复合物与游离Gs的亚基结合，阻断Gs的亚基对腺苷酸环化酶的活化。,3.Gi调节模型,胞外信号分子与细胞表面G蛋白耦联型受体结合，激活质膜上的磷脂酶C（PLC-），使质膜上4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DAG）两个第二信使，胞外信号转换为胞内信号，这一信号系统又称为“双信使系统”（double messenger system）。,B.磷脂酰肌醇途径,CellBio,双信使系统 Double Messenger system,磷脂酶C,磷脂酶C,Calmodulin（CaM)的结构,含 148 氨基酸的多肽链，4个结合 Ca2+的结构域,植物细胞中Ca离子浓度的调节,光、压力、重力和激素等可引起Ca2+浓度的改变；Calcium signaling 可降低保卫细胞的张力；,Ca2+/CaM dep.protein kinase(CaM-kinase)在动物细胞内介导多种反应。,受精后启动胚胎发育；刺激肌肉细胞的收缩;刺激神经细胞和内分泌细胞的分泌活动；,由于DG代谢周期很短，不可能长期维持PKC活性，而细胞增殖或分化行为的变化又要求PKC长期活性所产生的效应。现发现另一种DG生成途径，即由磷脂酶催化质膜上的磷脂酰胆碱断裂产生的DG，用来维持PKC的长期效应。,磷脂酰肌醇信号通路的终止：,IP3信号的终止是通过去磷酸化形成IP2、或磷酸化为IP4。Ca2+被质膜上的钙泵和Na+-Ca2+交换器抽出细胞，或被内质网膜上的钙泵抽回内质网。,DG通过两种途径终止其信使作用：一是被DAG激酶磷酸化成为磷脂酸，进入磷脂酰肌醇循环；二是被DAG酯酶水解成单酯酰甘油。,一个信号的关闭如它的开启一样重要,霍乱是有一种肠内细菌增殖引起的，它产生一种称作霍乱毒素的蛋白质，该蛋白能够进入肠的内层细胞，并修饰将 subunit of G protein，以至于 亚基不能在水解与之结合的GTP，从而使 subunit 始终处于活化状态，持续的传递该信号给靶蛋白，导致肠细胞膜上Na+和H2O持续外流，造成严重腹泻而脱水。,（三）其它G蛋白偶联型受体,1化学感受器中的G蛋白存在于嗅觉和味觉化学感受器中，类型繁多，不同细胞具有不同的受体，感受不同的气味。气味分子与G蛋白偶联型受体结合，可激活腺苷酸环化酶，产生cAMP，开启cAMP门控阳离子通道（cAMP-gated cation channel），引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲动，最终形成嗅觉或味觉。,了解,2视觉感受器中的G蛋白,黑暗条件下视杆细胞中cGMP浓度较高，cGMP门控钠离子通道开放，钠离子内流，膜去极化，突触持续向次级神经元释放递质。有光时cGMP浓度下降的负效应起传递光刺激的作用。光信号Rh激活Gt活化cGMP磷酸二酯酶激活胞内cGMP减少Na+离子通道关闭离子浓度下降膜超极化神经递质释放减少视觉反应。视紫红质（rhodopsin,Rh）为7次跨膜蛋白，由视蛋白和视黄醛组成。,了解,Role of cGMP in Photoreception,小G蛋白（Small G Protein）因分子量只有2030KD而得名，同样具有GTP酶活性，起分子开关作用。类型：Ras、Rho、SEC4、YPT1、微管蛋白亚基。特点：结合GTP活化、GTP水解成为GDP时（自身为GTP酶）则回复到非活化状态。其功能与G类似。调节因子：鸟苷酸释放因子（GRF）、鸟苷酸解离抑制因子（GDI）、GTP酶活化蛋白（GAP）等。,C.小G蛋白,考研同学需关注,分为两种情况：本身具有激酶活性本身没有酶活性，但可以连接非受体激酶,第四节 酶偶联受体enzyme linked receptor,类型：受体酪氨酸激酶、受体丝氨酸/苏氨酸激酶、受体酪氨酸磷脂酶、受体鸟苷酸环化酶、酪氨酸激酶连接的受体、组氨酸激酶连接的受体（与细菌的趋化性有关）。,是细胞表面的一大类重要受体家族，包括六个亚族,（一）受体酪氨酸激酶（Receptor tyrosine kinases，RPTKs）,功能：是控制细胞生长、分化而不是调控细胞中间代谢,结构：胞外结构域（结合配体：配体类型，可溶性或膜结合多肽或蛋白类激素，包括胰岛素和多种生长因子。）；一个疏水的a螺旋；胞质结构域（含一个酪氨酸蛋白激酶的催化部位，并具有自磷酸化位点）,（一）受体酪氨酸激（RPTKs）,受体酪氨酸激酶的共同点：多数是单次跨膜蛋白；接受配体后发生二聚化，并彼此磷酸化胞内酪氨酸，实现自磷酸化。活化的RPTK可结合带有SH2结构域的结合蛋白或信号蛋白，起动下游信号转导,（一）受体酪氨酸激（RPTKs）,什么样的蛋白质含有这个结构域？,一类是接头蛋白一类是信号通路中的酶：如磷脂酰肌醇代谢有关酶类等,可识别的传导信号分子的结构域：SH2结构域（Src Homology 2 结构域）：与含磷酸酪氨酸蛋白分子的结合。SH3结构域（Src Homology 3 结构域）：与富含脯氨酸的蛋白分子的结合。PH结构域（Pleckstrin Homology 结构域）：与磷脂类分子PIP2、PIP3、IP3等结合，使含PH结构域蛋白由细胞质中转位到细胞膜上。受体酪氨酸激酶介导的信号途径主要有RAS途径、PI3K途径、磷脂酰肌醇途径等。,信号传导分子间的识别结构域,Ras蛋白是ras基因表达的产物，具有GTPase活性，分布于质膜胞质一侧，结合GTP时为活化态，结合GDP时为失活态。所以Ras蛋白具有分子开关的作用。Ras蛋白的活性状态对细胞的生长、分化、细胞骨架、蛋白质运输和分泌等都具有影响。,RPTK RAS信号途径,Ras蛋白开关与以下蛋白有关：鸟苷酸释放因子(GEF，如Sos)GTP酶活化蛋白(GAP),RPTK-Ras Pathway,自磷酸化的受体酪氨酸蛋白激酶与接头蛋白（Grb2）结合，在 鸟苷酸释放因子(Sos)和GTP酶活化蛋白(GAP)作用下Ras蛋白活化。,Raf：Ser/Thr蛋白激酶（又称MAPKKK）；Raf活化另一种蛋白激酶MAPKK；MAPKK又激活MAPK；活化的MAPK进入细胞核，可使许多转录因子活化，如将Elk-1激活，促进c-fos，c-jun的表达,Ras-GEF,Raf is a PK that triggers MAP-K pathway,c-fos,c-junCell proliferation,RPTK-Ras Pathway,又称Raf,是Ser/Thr蛋白激酶,Raf结合并磷酸化MAPKK,磷酸化MAPK的Thr/Tyr磷酸化,功能：依细胞类型不同，可抑制细胞增殖、刺激胞外基质合成、刺激骨骼的形成、通过趋化性吸引细胞、作为胚胎发育过程中的诱导信号等。,（二）受体丝氨酸/苏氨酸激酶,配体转化生长因子-s（transforming growth factor-s，TGF-s）家族成员。包括TGF-1-5。,可以使特异的胞内信号蛋白的磷酸酪氨酸残基去磷酸化，从而使静止细胞具有较低的磷酸酪氨酸残基的水平。能持续逆转RTK的效应；在细胞信号系统中发挥特殊调节作用，细胞周期调控中发挥重要作用。,（三）受体酪氨酸磷酯酶,信号途径：配体受体鸟苷酸环化酶cGMP依赖cGMP的蛋白激酶G（PKG）靶蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化而活化。,（四）受体鸟苷酸环化酶,分布:在肾和血管平滑肌细胞表面，配体为心房排钠肽（atrial natriuretic peptide，ANP）。,功能：当血压升高时，心房肌细胞分泌ANP，促进肾细胞排水、排钠，同时导致血管平滑肌细胞松弛，结果使血压下降。,该类受体有两大家族：一是与Src蛋白家族相联系的受体；二是与Janus激酶（JAK）家族联系的受体。启动JAK-STAT途径。,（五）酪氨酸蛋白激酶联系的受体,本身不具有酶活性，但胞内段有酪氨酸激酶结合位点。,JAK的底物为STAT，即信号转导子和转录激活子（signal transducer and activator of transcription，STAT）,包括各类细胞因子（如干扰素）的受体，在造血细胞和免疫细胞通讯上起作用。,JAK/STAT Pathway,配体与受体结合导致受体二聚化；二聚化受体激活JAK；JAK将STAT磷酸化；STAT形成二聚体，暴露出入核信号；STAT进入核内，调节基因表达。,A.整合:信号分子与各种不相关的受体结合，可能激活一个共同的效应分子。,第五节 信号的整合与控制,B.分散:同一信号分子可以激活不同的效应蛋白。,C.信号交叉:不同的信号通路之间有许多交汇的地方。,思考题,1试述细胞以哪些方式进行通讯？各种方式之间有何不同？2比较G-蛋白偶联受体介导的信号通路有何异同？3概述受体酪氨酸激酶介导的信号通路的组成、特点及其主要功能。,