电子科大细胞生物学第八章细胞信号转导.

第八章细胞信号转导本章教学内容细胞内受体介导的信号转导细胞表面受体介导的信号转导细胞表面整联蛋白受体介导的信号转导概述细胞的信号分子与受体细胞信号转导主要途径细胞信号传递的基本特征一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞，使另一细胞产生相应反应的过程。1、细胞通讯（cellcommunication）（1）细胞通讯概念细胞间的通讯对于多细胞生物体的发生和组织的构建，协调细胞的功能，控制细胞的生长、分裂、分化和凋亡是必须的。第一节概述分泌化学信号进行通讯内分泌（endocrine）旁分泌（paracrine）自分泌（autocrine）化学突触（chemicalsynapse）接触性依赖的通讯细胞间直接接触，信号分子与受体都是细胞的跨膜蛋白。间隙连接实现代谢偶联或电偶联（2）细胞通讯方式细胞接受外界信号，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。2、细胞识别（cellrecognition）1）概念：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。2）信号通路（signalingpathway）亲脂性信号分子：可穿过细胞膜进入细胞，与细胞质或细胞核中的受体结合形成激素-受体复合体，调节基因表达。主要代表甾类激素和甲状腺素。亲水性信号分子：不能穿过细胞膜的脂双层分子，只能通过与靶细胞表面受体结合，经信号转换机制，在胞内产生第二信使或激活蛋白激酶或蛋白磷酸酶活性，引起细胞应答反应。包括神经递质、生长因子、局部化学递质和大多数激素。气体性信号分子：NO第二节细胞的信号分子与受体1、信号分子（signalmolecule）能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子，当与配体结合后，通过信号转导将胞外信号转换为胞内化学或物理信号，以启动一系列过程，最终表现为生物学效应。2、受体（receptor）1）概念：受体多为糖蛋白。一般至少包括两个功能区域：①与配体结合的区域：具有结合特异性②产生效应的区域：产生特异效应离子通道偶联受体（ion-channel-linkedreceptor,ICLR）G-蛋白偶联受体（G-protein-linkedreceptor,GPLR）酶偶联受体（enzyme-linkedreceptor,ELR）2）类型：为胞外亲水性信号分子所激活。细胞表面受体分属三大家族：①细胞内受体:②细胞表面受体:为胞外亲脂性信号分子所激活。①介导物质跨膜运输(如：受体介导的内吞作用)②参与细胞信号转导特异识别和结合配体，将配体信号准确无误放大并传递到胞内，启动胞内一系列生化反应，最后使细胞产生特定生理反应。受体的激活（activation）→级联反应。受体失敏（desensitization）→关闭反应。减量调节（down-regulation）→降低反应。①特异性②高度亲和力③饱和性3）受体的功能：4）受体的特性：例如，同为乙酰胆碱，作用于骨骼肌细胞引起收缩；作用于心肌细胞降低收缩频率；作用于唾腺细胞则引起分泌。受体与信号分子空间结构的互补性是两者特异结合的主要因素，但并不意味着受体与配体之间是简单的一对一的关系。表现在：①不同细胞，对同一种化学信号分子可能具有不同受体。②不同细胞可能具有相同的受体，当与同一种信号分子结合时，不同细胞对同一信号可能产生不同的反应。或同一细胞上不同的受体应答于不同的胞外信号可能产生相同的效应。例如：肝细胞肾上腺素受体和胰高血糖素受体在结合各自配体被激活后，都能促进糖原降解而使血糖升高。③一种细胞具有一套多种类型的受体，应答多种不同的胞外信号，从而启动细胞不同生物学效应，如存活、分裂、分化或死亡。细胞外信号分子称为第一信使（firstmessenger）。目前公认的第二信使有：cAMP、cGMP、IP3、DG等，Ca2+曾被当作第二信使，现一般认为是磷脂酰肌醇信号通路的第三信使。第一信使与受体作用后在胞内最早产生的信号分子称为第二信使（secondmessenger）。3、第二信使与分子开关Sutherland及其合作者在70年代初提出激素作用的第二信使学说（secondmessengertheory）：胞外化学物质（第一信使）不能进入细胞，它作用于细胞表面受体，而导致产生胞内第二信使，从而激发一系列生化反应，最后产生一定的生理效应，第二信使的降解使其信号作用终止。第二信使学说cAMP②另一类主要开关蛋白由GTP结合蛋白组成，结合GTP而活化，结合GDP而失活。细胞内信号传递中，起着开启和关闭胞内信号传递作用的一些蛋白质分子。开关分子可分为两类：①一类为其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的开关蛋白。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。1、细胞内受体介导的信号转导第三节细胞信号转导主要途径2、细胞表面受体介导的信号转导（1）甾类激素分子信号通路（重点）（2）一氧化氮信号通路（重点）（1）离子通道偶联受体介导的信号跨膜传递（2）G-蛋白偶联受体介导的信号跨膜传递（重点）（3）酶偶联受体介导的信号跨膜传递（重点）3、细胞表面整联蛋白受体介导的信号转导细胞内受体的本质是激素激活的基因调控蛋白，构成细胞内受体超家族。在细胞内，受体与抑制性蛋白（如Hsp90）结合形成复合物，处于非活化状态。配体（如皮质醇）与受体结合，将导致抑制性蛋白从复合体上解离，受体通过暴露它的DNA结合位点而被激活。这类受体一般有、都有三个结构域：①C端激素结合位点；②位于中部富含Cys、具锌指结构的DNA或Hsp90结合位点；③位于N端的转录激活结构域。（1）细胞内受体的结构特征1、细胞内受体介导的信号传递两步反应阶段：初级反应阶段：直接活化少数特殊基因转录，发生迅速；次级反应：初级反应产物再活化其它基因产生延迟的放大作用。1）甾类激素介导的信号通路（2）细胞内受体介导的信号转导2）一氧化氮介导的信号通路胞外亲水性化学信号分子（包括神经递质、蛋白激素、生长因子等）一般不能进入细胞，而是通过与细胞表面特异受体结合，进行信号转导继而对靶细胞产生效应。离子通道偶联受体（ICLR）介导的信号转导G-蛋白偶联受体（GPLR）介导的信号转导细胞表面其它与酶偶联的受体（ELR）介导的信号转导细胞表面受体分属三大家族：2、细胞表面受体介导的信号转导GPLR：种类繁多，真核细胞普遍表达（7次跨膜）信号分子包括：感觉信号（光、嗅、声等；激素、神经递质等）GPLR的效应器：AC、PLC、PLA2、GRK（GPLR激酶）、PDE、PI3K、离子通道等三种类型的细胞表面受体离子通道偶联受体特点：（1）离子通道偶联受体介导的信号转导为受体-离子通道复合体。本身既有信号结合位点，又是离子通道，跨膜信号转导无需中间步骤。一般为4-6次跨膜蛋白。主要存在于神经细胞或其他可兴奋细胞间的突触信号传递。有选择性：对配体有特异性选择，激活的通道对运输的离子也有选择性。突触前膜释放的神经递质结合并开启突触后细胞膜上的递质门离子通道，结果导致突触后细胞膜离子流改变，从而将化学信号转变为电信号。α1α2βγδ五种亚基组成。α1组成离子通道，α17次跨膜区域，4个重复单位。G-蛋白与G-蛋白偶联受体信号通路：●cAMP信号通路●磷脂酰肌醇信号通路（2）G-蛋白偶联受体介导的信号转导未作特殊说明时，常指与膜受体偶联的异三聚体G蛋白。①G-蛋白1）G-蛋白与G-蛋白偶联受体如：Ras、Rho、SEC4、YRT1、微管蛋白β亚基等。凡能与GTP结合的蛋白质均可称为G-蛋白。大G蛋白（即：异三聚体G蛋白）小G蛋白！动物受到惊吓肾上腺素ACcAMP血糖ATP逃身、反抗等异三聚体G蛋白从一个实例谈起：20世纪80年代初，M.Rodbell等发现，破损细胞中，外源GTP对于激素激活或抑制的AC是必需的，跨膜信号转导需要GTP存在。此后，A.G.Gilman等人发现，G蛋白缺失的突变细胞系尽管具有正常水平的受体和AC，但肾上腺素仍不能使AC激活。如果将这种不能偶联的细胞的质膜制剂与用去垢剂从正常细胞中制备的G蛋白混合在一起，则可以重组需GTP的对激素敏感的AC体系；以后用纯化的肾上腺素受体、激活型G蛋白（Gs）和AC可以在人工磷脂囊泡上重组有活性的肾上腺素激活的AC系统。a)G蛋白的发现知识外延1994年，A.G.Gilman和M.Rodbell获医学和生理学诺贝尔奖。知识延伸由α、β、γ三种亚基组成，天然电泳时，β与γ亚基紧密联系在一起，以共价键结合。α亚基分子量：39-48kD。各种G蛋白亚基中，α亚基差别最大，常作G蛋白分类依据。β亚基：分子量36kD左右。γ亚基：分子量7-8kD之间。分子量约为100kD。b)G蛋白分子结构α亚基的共同点是：①具有一个GTP结合位点。②具GTP酶活性，GTP→GDP+Pi③在某些G蛋白的α亚基上有些特殊氨基酸残基（Arg或Cys）可被特定的细胞毒素所修饰，从而调节生理功能。β亚基：分子量36kD左右。γ亚基：分子量7-8kD之间。异三聚体G蛋白位于细胞膜内侧，不跨膜。！通过分子克隆，现已分离鉴定出21种不同的α亚基，4种β亚基，7种γ亚基。Gs:能激活AC与Ca2+通道，抑制Na+通道。Gi:抑制AC活性。Gt、G0、GgGQ:与磷脂代谢有关，其活性不受细胞毒素修饰。G12:活化磷脂酶C。c)G蛋白种类Stimulate刺激，激活Inhibit抑制①G蛋白α亚基与GDP结合时，G蛋白处于关闭状态抑制信号传递②G蛋白α亚基与GTP结合时，G蛋白处于开启状态传递信号。G蛋白在信号转导过程中起分子开关作用d)G蛋白功能②G-蛋白偶联受体A.G-蛋白偶联受体的发现知识延伸1968年，莱夫科维茨（美国）分离提取细胞膜β-肾上腺素受体，对其作用机制进行了研究。20世纪80年代，科比尔卡（美国）分离获得β-肾上腺受体基因。现发现，大约有一半的药物需要通过G-蛋白偶联受体而才能实现其药效。2012年10月10日，罗伯特.莱夫科维茨和布赖恩.科比尔卡获诺贝尔化学奖。存在于细胞膜上、介导信号传递时通过与细胞膜内侧的G蛋白偶联后在胞内产生第二信使，从而将胞外信号传递到胞内并影响细胞行为的一种跨膜蛋白。B.G-蛋白偶联受体的概念单条多肽，7次跨膜，N端在胞外，C端在胞内。含7个疏水残基肽段，每段22-24个氨基酸残基，形成7次跨膜螺旋，其中5和6之间的胞内环状结构及C端肽段对与G蛋白的相互作用至关重要。介导的胞外信号分子种类众多，包括多种蛋白质或肽类激素、局部介质、神经递质、氨基酸、脂肪酸衍生物、光量子等。C.结构所有真核生物从单细胞酵母到多细胞哺乳类，G蛋白偶联受体都具有相似的7次跨膜结构。甚至在细菌中虽然没有G蛋白，但也具有结构相似的膜蛋白—视紫红质（一种光驱动的质子泵）。它是一个跨膜7次的膜蛋白，其中两个极性的氨基酸侧链（球状体）可能与质子的转移有关细菌紫膜质分子的三维结构2）G蛋白偶联受体介导的信号通路A）以cAMP为第二信使的信号通路a.cAMP通路在质膜上的组分①激活型激素受体（Rs）②抑制型激素受体（Ri）③与GDP结合的活化型调节蛋白（Gs）④与GDP结合的抑制型调节蛋白（Gi）⑤催化成分——腺苷酸环化酶（AC）cAMP通路在质膜上的5种成分：Stimulate激活Inhibit抑制Rs和RiRs为与Gs相互作用的激活型激素受体。Ri为与Gi相互作用的抑制型激素受体。两者具有相似的7次跨膜结构，但其相应的胞外信号不同。二者的胞外结构域识别胞外信号分子并与之结合，胞内结构域与G蛋白偶联。Gs和GiGs和Gi均为异三聚体G蛋白，其β、γ亚基相同，其α亚基不同。Gs和Gi在信号转导中起分子开关作用。Gs偶联Rs和AC；Gi偶联Ri和AC。腺苷酸环化酶（AC）为结合在质膜上的糖蛋白，相对分子质量1.5105，跨膜12次，在M