细胞信号转导的分子机制

第十九章细胞信号转导的分子机制TheMolecularMechanismofCellularSignalTransduction目录细胞通讯细胞针对外源信息所发生的细胞内生物化学变化及效应的全过程称为信号转导（signaltransduction）。目录改变细胞内的某些代谢过程，或改变生长速度，或改变细胞迁移或进入细胞凋亡等生物学行为细胞外信号受体细胞内各种分子数量、分布或活性变化细胞信号转导的基本路线目录一、细胞外化学信号有可溶型和膜结合型两种形式多细胞生物中，细胞可通过分泌化学物质而发出信号，这些分子作用于靶细胞表面或细胞内的受体，调节靶细胞的功能，从而实现细胞之间的信息交流。化学信号可以是可溶性的，也可以是膜结合形式的。目录（一）可溶型信号分子作为游离分子在细胞间传递可溶型信号分子可根据其溶解特性分为脂溶性化学信号和水溶性化学信号两大类目录根据体内化学信号分子作用距离，可以将其分为三类：①作用距离最远的内分泌（endocrine）系统化学信号，称为激素；②属于旁分泌（paracrine）系统的细胞因子，主要作用于周围细胞；有些作用于自身，称为自分泌（autocrine）。③作用距离最短的是神经元突触内的神经递质（neurotransmitter）。（二）膜结合型信号分子需要细胞间接触才能传递信号当细胞通过膜表面分子发出信号时，相应的分子即为膜结合型信号分子，而在靶细胞表面与之特异性结合的分子,则通过这种分子间的相互作用而接收信号，并将信号传入靶细胞内。这种细胞通讯方式称为膜表面分子接触通讯。目录二、细胞经由特异性受体接收细胞外信号细胞膜上或细胞内能识别外源化学信号并与之结合的蛋白质分子成为受体（Receptor）。能够与受体特异性结合的分子称为配体（ligand）。可溶性和膜结合型信号分子都是常见的配体。（一）受体有细胞内受体和细胞膜受体受体按照其在细胞内的位置分为：细胞内受体细胞表面受体目录（二）受体结合配体并转换信号受体识别并与配体结合，是细胞接收外源信号的第一步反应。受体有两个方面的作用：一是识别外源信号分子并与之结合；二是转换配体信号，使之成为细胞内分子可识别的信号，并传递至其他分子引起细胞应答。目录（三）受体与配体的相互作用具有共同的特点配体-受体结合曲线•高度专一性•高度亲和力•可饱和性•特定的作用模式•可逆性目录三、细胞内信号转导具有多条信号通路并形成网络调控细胞内存在多种信号转导分子，这些分子依次相互识别、相互作用，有序地转换和传递信号。由一组分子形成的有序分子变化被称为信号转导通路或信号转导途径。每一条信号转导通路都是由多种信号转导分子组成，不同分子间有序地依次进行相互作用，上游分子引起下游分子的数量、分布或活性状态变化，从而使信号向下游传递。信号转导分子相互作用的机制构成了信号转导的基本机制。由一种受体分子转换的信号，可通过一条或多条信号转导通路进行传递。而不同类型受体分子转换的信号，也可通过相同的信号通路进行传递。TSHTSH受体ACPLCcAMPDAG和IP3甲状腺素分泌甲状腺细胞增殖GsGq脂解激素-受体G蛋白ACATPcAMPPKA+++HSLa(无活性)HSLb(有活性)TG甘油二酯（DG）FFA甘油一酯FFA甘油二酯脂肪酶甘油FFA甘油一酯脂肪酶HSL-----激素敏感性甘油三酯脂肪酶脂解激素：能促进脂肪动员的激素，如胰高血糖素、去甲肾上腺素、促肾上腺皮质激素、TSH等。第二节细胞内信号转导分子IntracellularSignalMolecules目录细胞外的信号经过受体转换进入细胞内，通过细胞内一些蛋白质分子和小分子活性物质进行传递，这些能够传递信号的分子称为信号转导分子（signaltransducer）。依据作用特点，信号转导分子主要有三大类：小分子第二信使、酶、调节蛋白。信号转导分子依次相互作用，从而形成上游分子和下游分子的关系。目录受体及信号转导分子传递信号的基本方式包括：①改变下游信号转导分子的构象②改变下游信号转导分子的细胞内定位③信号转导分子复合物的形成或解聚④改变小分子信使的细胞内浓度或分布目录一、第二信使结合并激活下游信号转导分子环腺苷酸（cAMP）、环鸟苷酸（cGMP）、甘油二酯（DAG）、三磷酸肌醇（IP3）、磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸（PIP3）、Ca2+等可以作为外源信息在细胞内的信号转导分子，称为细胞内小分子信使，或称为第二信使（secondmessenger）。目录（一）小分子信使传递信号具有相似的特点①在完整细胞中，其浓度或分布可在细胞外信号的作用下发生迅速改变②该分子类似物可模拟细胞外信号的作用③阻断该分子的变化可阻断细胞对外源信号的反应④作为别构效应剂在细胞内有特定的靶蛋白分子目录（二）环核苷酸是重要的细胞内第二信使目前已知的细胞内环核苷酸类第二信使有cAMP和cGMP两种。目录1.cAMP和cGMP的上游信号转导分子是相应的核苷酸环化酶（adenylatecyclase，AC）（guanylatecyclase，GC）目录3．环核苷酸在细胞内调节蛋白激酶活性环核苷酸作为第二信使的作用机制蛋白激酶A是cAMP的靶分子cAMP作用于cAMP依赖性蛋白激酶，即蛋白激酶A（proteinkinaseA，PKA）。PKA活化后，可使多种蛋白质底物的丝氨酸或苏氨酸残基发生磷酸化，改变其活性状态，底物分子包括一些糖、脂代谢相关的酶类、离子通道和某些转录因子。cAMP激活PKA影响糖代谢示意图目录蛋白激酶G是cGMP的靶分子cGMP作用于cGMP依赖性蛋白激酶,即蛋白激酶G（proteinkinaseG，PKG）。cGMP激活PKG示意图目录4．蛋白激酶不是cAMP和cGMP的唯一靶分子环核苷酸作为别构效应剂还可以作用于细胞内其他非蛋白激酶类分子。一些离子通道也可以直接受cAMP或cGMP的别构调节。•视杆细胞膜上富含cGMP-门控阳离子通道•嗅觉细胞核苷酸-门控钙通道目录（三）脂类也可衍生出胞内第二信使磷脂酰肌醇激酶类，催化磷脂酰肌醇磷酸化。根据肌醇环的磷酸化羟基位置不同，这类激酶有PI-3K、PI-4K和PI-5K等。磷脂酰肌醇特异性磷脂酶C（PLC）可将磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（PIP2）分解成为DAG和IP3。1.磷脂酰肌醇激酶和磷脂酶催化生成第二信使目录磷脂酰肌醇4、5位被磷酸化生成的磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（PIP2）是细胞膜磷脂的重要组成，主要存在于细胞膜的内层。在激素等刺激下可分解为甘油二酯（DAG）和三磷酸肌醇（IP3），均能在胞内传递细胞信号。目录2．脂类第二信使作用于相应的靶蛋白分子DAG是脂溶性分子，生成后仍留在质膜上。IP3是水溶性分子，可在细胞内扩散至内质网或肌质网膜上，并与其受体结合。目录IP3的靶分子是钙离子通道IP3为水溶性，生成后从细胞质膜扩散至细胞质中，与内质网或肌质网膜上的IP3受体结合。IP3＋IP3受体钙离子通道开放，细胞内钙释放细胞内钙离子浓度迅速增加目录DAG和钙离子的靶分子是蛋白激酶C蛋白激酶C（proteinkinaseC，PKC），属于丝/苏氨酸蛋白激酶，广泛参与细胞的各项生理活动。PKC作用的底物包括质膜受体、膜蛋白、多种酶和转录因子等，参与多种生理功能的调节。目录催化结构域Ca2+DAG磷脂酰丝氨酸调节结构域催化结构域底物Ca2+DAG磷脂酰丝氨酸调节结构域假底物结合区DAG活化PKC的作用机制示意图目录（四）钙离子可以激活信号转导相关的酶类1．钙离子在细胞中的分布具有明显的区域特征•细胞外液游离钙浓度高（1.12~1.23mmol/L）；•细胞内液的钙离子含量很低，且90%以上储存于细胞内钙库（内质网和线粒体内）；胞液中游离Ca2+的含量极少（基础浓度只有0.01~0.1mol/L）。目录导致胞液游离Ca2+浓度升高的反应有两种：一是细胞质膜钙通道开放，引起钙内流；二是细胞内钙库膜上的钙通道开放，引起钙释放。胞液Ca2+可以再经由细胞质膜及钙库膜上的钙泵（Ca2+-ATP酶）返回细胞外或胞内钙库，以消耗能量的方式维持细胞质内的低钙状态。目录2．钙离子的下游信号转导分子是钙调蛋白钙调蛋白（calmodulin，CaM）可看作是细胞内Ca2+的受体。乙酰胆碱、儿茶酚胺、加压素、血管紧张素和胰高血糖素等胞液Ca2+浓度升高CaMCaMCa2+Ca2+Ca2+Ca2+CaM发生构象变化后，作用于Ca2+/CaM-依赖性激酶（CaM-K）。目录3．钙调蛋白不是钙离子的唯一靶分子Ca2+还结合PKC、AC和cAMP-PDE等多种信号转导分子，通过别构效应激活这些分子。目录（五）NO等小分子也具有信使功能NO合酶介导NO生成NO合酶胍氨酸精氨酸NHH2NNH2+H2N+COO-NHH2NOH2N+COO-NO＋目录NO的生理调节作用主要通过激活鸟苷酸环化酶、ADP-核糖转移酶和环氧化酶完成。NO与可溶性鸟苷酸环化酶分子中的血红素铁结合生成的cGMP引起鸟苷酸环化酶构象改变.酶活性增高cGMP作为第二信使，产生生理效应GTP目录二、许多酶可通过其催化的反应而传递信号细胞内的许多信号转导分子都是酶。作为信号转导分子的酶主要有两大类。一是催化小分子信使生成和转化的酶，如腺苷酸环化酶、鸟苷酸环化酶、磷脂酶C、磷脂酶D（PLD）等；二是蛋白激酶，作为信号转导分子的蛋白激酶主要是蛋白酪氨酸激酶和蛋白丝/苏氨酸激酶。（一）蛋白激酶/蛋白磷酸酶是信号通路开关分子蛋白激酶与蛋白磷酸酶催化蛋白质的可逆性磷酸化修饰，对下游分子的活性进行调节。•蛋白质的可逆磷酸化修饰是最重要的信号通路开关-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-磷酸化的酶蛋白目录1.蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶和蛋白酪氨酸激酶是主要的蛋白激酶蛋白激酶是催化ATPγ-磷酸基转移至靶蛋白的特定氨基酸残基上的一大类酶。已超800种。激酶磷酸基团的受体蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶蛋白酪氨酸激酶蛋白组/赖/精氨酸激酶蛋白半胱氨酸激酶蛋白天冬氨酸/谷氨酸激酶丝氨酸/苏氨酸羟基酪氨酸的酚羟基咪唑环，胍基，ε-氨基巯基酰基蛋白激酶的分类目录（二）许多信号通路涉及蛋白丝/苏氨酸激酶的作用细胞内重要的蛋白丝/苏氨酸激酶包括受环核苷酸调控的PKA和PKG受DAG/Ca2+调控的PKC受Ca2+/CaM调控的Ca2+/CaM-PK受PIP3调控的PKB受丝裂原激活的蛋白激酶（mitogenactivatedproteinkinase,MAPK）。1.MAPK调控细胞的多种重要的生理功能哺乳动物细胞重要的MAPK亚家族：•细胞外调节激酶（extracellularregulatedkinase，ERK）ERK参与细胞增殖与分化的调控.•c-JunN-末端激酶/应激激活的蛋白激酶（JNK/SAPK）•p-38-MAPK目录2.MAPK级联激活是多种信号通路的中心环节MAPK上游的两级信号转导分子也是蛋白激酶，称为MAPKK（MAPkinasekinase）和MAPKKK（MAPkinasekinasekinase）。MAPKK和MAPK本身也是通过磷酸化修饰而被激活。细胞受到生长因子或其他因素刺激时，其上游信号转导分子被依次活化，进而将MAPKKK激活，MAPKKK通过磷酸化修饰而激活MAPKK，后者再修饰激活MAPK，从而形成逐级磷酸化的级联激活反应。目录MAPK的级联激活MAPKKKMAPKKMAPKThrTyrThrTyrPPphosphataseoffonMAPK目录（三）蛋白酪氨酸激酶转导细胞增殖与分化信号蛋白质酪氨酸激酶（ProteinTyrosinekinase，PTK）催化蛋白质分子中的酪氨酸残基磷酸化。酪氨酸磷酸化修饰的蛋白质大部分对细胞增殖具有正向调节作用.目录1.部分膜受体具有PTK功能这些受体被称为受体型PTK。它们在结构上均为单次跨膜蛋白质，其胞外部分为配体结合区，中间有跨膜