细胞的跨膜信号转导

细胞的跨膜信号转导信号转导：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信号转导（signaltransduction）“信号”——主要：化学信号（激素、神经递质、细胞因子）其他：机械、光、电信号细胞间的信号传递：①接触性依赖的通讯：细胞粘附、识别②化学通讯：内分泌(endocrine)旁分泌(paracrine)自分泌(autocrine)化学突触(chemicalsynapse)③间隙连接：如电突触、闰盘④外泌体(exosomes)：跨膜信号转导的基本过程三个阶段：胞外信号的识别胞内信号转换和放大胞内效应产生受体：是一类存在于靶细胞膜上或胞内可识别并结合外源信号分子（配体），进而引起靶细胞内产生相应的生物效应的分子。其化学本质是蛋白质，个别为糖脂。胞内受体：少数疏水性信号分子穿过质膜进入胞内（如：类固醇激素、甲状腺激素、维生素D等）膜受体：大部分亲水性的刺激信号作用于膜表面受体配体：能与受体特异性结合的信号分子脂溶性分子：可直接穿膜进入靶细胞水溶性分子：不能穿过靶细胞膜，只能经膜上的信号转换机制实现信号传递，所以又称为第一信使(primarymessenger)。构成信号转导系统的要素第二信使(secondmessenger)：受体被激活后在细胞内产生的、能介导信号转导通路的活性物质。构成信号转导系统的要素重要的有：环核苷酸：环腺苷酸（cAMP）、环鸟苷酸（cGMP）脂类衍生物：二酰甘油（DG）、1,4,5-三磷酸肌醇（IP3）无机物：Ca2+等作用：传导、放大胞外信号，激活蛋白激酶或离子通道1957年，E.Sutherland在研究肾上腺素促进肝糖原分解的机制时发现，激素的作用依赖于细胞产生一种小分子化合物环腺苷酸（cyclicAMP，cAMP），从而提出了第二信使学说。第二信使第一信使Sutherland,获1971年诺贝尔生理和医学奖第二信使学说略腺苷酸环化酶：跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，催化ATP生成cAMP。cAMP的产生cAMP、cGMP、DAG、IP3、Ca2+PKAPKGCaMCa2+/CaM-PKCa2+PKC底物(酶)磷酸化调节底物(酶)的活性。第二信使的效应模式：可逆磷酸化12蛋白激酶A（PKA）cAMP-DependentProteinKinase转录因子磷酸化PKA的功能PP失活激活糖原合酶糖原磷酸化酶快效应：底物磷酸化慢效应：调控基因表达膜受体介导：离子通道受体（环状受体）G蛋白偶联受体（七跨膜α-螺旋型受体）酶偶联受体（单跨膜α-螺旋型受体）胞内受体介导（胞内转录因子型受体）跨膜信号转导的主要途径离子通道型受体属于化学门控通道，其接受的化学信号绝大多数是神经递质，故也称递质门控通道(transmitter-gatedionchannel)；受体由均一或非均一的亚基构成寡聚体，且围成一跨膜离子通道，激活后可引起离子的跨膜流动，触发生理反应1.离子通道受体介导的信号转导①通过产生跨膜电变化传递信号②路径简单、速度快③作用较局限特点（比较G蛋白偶联通路）ACh↓与终板膜膜上通道型受体（N型ACh受体）特异性结合↓ACh受体通道构型改变（离子通道打开）↓Na+内流（和K+外流）↓终板膜去极化（终板电位）↓周围肌膜兴奋和肌细胞收缩神经-骨骼肌接头Ｎ2型ACh受体范例2.G蛋白偶联受体介导的信号转导信号途径：配体+受体→G蛋白→效应器分子→第二信使→靶分子→生物学效应G蛋白偶联受体：由一条包含7次跨膜α螺旋的肽链构成，胞外结构域识别信号分子，胞内结构域与G蛋白偶联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使，将胞外信号转为胞内信号。G蛋白1234567配体包括肾上腺素、组胺、5-羟色胺等生物胺，血管紧张素、促甲状腺激素等多肽和蛋白类激素、乙酰胆碱、嗅觉物质、视紫红质等100多种。2.G蛋白偶联受体介导的信号转导（一）参与转导的信号分子（二）主要的G蛋白偶联受体信号转导途径（三）G蛋白偶联受体的信号转导特点1.G蛋白偶联受体2.G蛋白（鸟苷酸结合蛋白）3.G蛋白效应器4.第二信使（一）参与转导的信号分子1.G蛋白偶联受体：与配体结合后，通过构象变化结合并激活G蛋白。通过G蛋白发挥作用→称为G蛋白偶联受体；不具备通道结构，无酶活性；种类繁多，每种受体都由一条包含7次跨膜α螺旋的肽链构成→也称7次跨膜受体。（一）参与转导的信号分子“7次跨膜受体”：膜外侧N-末端——识别、结合配体膜内侧C-末端——激活膜内G蛋白2.G蛋白：即鸟苷酸结合蛋白，它是一类和GTP或GDP相结合、位于细胞膜胞浆面的外周蛋白。由α、β和γ三个亚单位形成的异源三聚体；α和γ亚基通过共价结合的脂肪酸链尾固定在膜上耦联膜受体与下游效应器（酶或离子通道）的蛋白。（一）参与转导的信号分子α亚基具有三个功能位点：①GTP结合位点;②鸟苷三磷酸水解酶(GTPase)活性位点;③效应酶结合位点。2.G蛋白：分子开关作用。α亚基结合GDP处于关闭状态，结合GTP处于开启状态：作用：与激活的受体相遇而被激活，再由激活型α-GTP和βγ亚单位进一步激活下游效应器，从而改变细胞内第二信使的浓度。（一）参与转导的信号分子GDP-αβγGTP-α+βγ（失活型）（激活型）GTP酶“分子开关”失活型G蛋白激活型G蛋白Ｇ蛋白循环G种类效应分子细胞内信使靶分子asAC活化↑cAMP↑PKA活性↑aiAC活化↓cAMP↓PKA活性↓aqPLC活化↑Ca2+、IP3、DAG↑PKC活化↑atcGMP-PDE活性↑cGMP↓Na+通道关闭哺乳动物细胞中的G亚基种类及效应G蛋白的种类很多，每一类还有许多亚型不同的G蛋白可激活不同的酶，产生不同的信使分子3．G蛋白效应器（Gproteineffector）（一）参与转导的信号分子①腺苷酸环化酶（adenylatecyclase,AC），作用是催化细胞内的ATP生成第二信使cAMP;②磷脂酶C（phospholipasC,PLC），可催化细胞膜上的磷脂酰肌醇生成第二信使DG和IP3；③磷酸二酯酶（phosphodiesterase,PDE），可以水解胞内的第二信使cGMP；④磷脂酶A2（phospholipaseA2）(1)主要是指催化生成（或分解）第二信使的酶(2)离子通道:G蛋白也可直接调控离子通道的活动4．第二信使（secondmessenger）（一）参与转导的信号分子第二信使：cAMP(环磷腺苷)DG（二脂酰甘油）和IP3（三磷酸肌醇）cGMP（环磷鸟苷）Ca2+作用：激活蛋白激酶或离子通道腺苷酸环化酶(AC)和第二信使:cAMPATPcAMP＋PPi催化结构域催化结构域123456789101112G蛋白耦联受体总结：G蛋白偶联受体介导的信号转导过程效应器酶G蛋白第一信使第二信使蛋白激酶或通道GDPαβγGTPαGTPG蛋白细胞功能改变αβγGDP……（二）主要的G蛋白偶联受体信号转导途径受体-G蛋白-AC（腺苷酸环化酶）途径受体-G蛋白-PLC（磷脂酶C）途径cAMP途径1.受体-G蛋白-AC（腺苷酸环化酶）途径（在不同的细胞中，PKA磷酸化的底物不同，因而其功能也不同）细胞外信息分子受体G蛋白AC第二信使（cAMP）蛋白激酶（PKA）酶或功能性蛋白质生物学效应例如：运动时，心率，心肌收缩力运动交感神经兴奋释放去甲肾上腺素心肌细胞膜上β1肾上腺素能受体Gs蛋白ACcAMPPKA功能蛋白磷酸化心率↑，心肌收缩力↑•1953年，Hokin等发现外界刺激可加速膜脂代谢，如乙酰胆碱在促进胰腺分泌淀粉酶的同时也加快膜脂的周转。32P标记研究表明，外界刺激引起膜中磷脂酰肌醇（PI）变化。•1975年，Michell等用3H标记肌醇磷酸与细胞温育，加入激动剂，测定被标记的PI及其代谢产物，发现PI减少了而其代谢物增加，从而证明刺激促进质膜中PI水解。其后几年陆续发现PI水解产物肌醇三磷酸（IP3）可刺激内质网释放Ca2+；蛋白激酶C（PKC）受Ca2+和PI水解另一产物二酰基甘油（DG）的激活。后来又发现许多膜脂代谢产物，如磷脂酰肌醇磷酸、溶血磷脂酸、神经酰胺等都是重要的胞内信使。2.受体-G蛋白-PLC（磷脂酶C）途径：自学2.受体-G蛋白-PLC（磷脂酶C）途径：自学磷脂酶C催化PIP2水解生成DAG和IP3“双信使系统”激活蛋白激酶C（PKC）或通过内质网释放钙起作用DG-PKC途径IP3-Ca2+途径（三）G蛋白偶联受体的信号转导特点效应出现较慢（多级酶催化）反应较灵敏（生物放大效应）作用较广泛配体较多受体分布广泛效应器酶、第二信使的多样性第二信使在胞浆扩散效应器较多cAMP-蛋白激酶A信号的级联放大酶偶联受体—既有受体作用又有酶作用的膜蛋白质。一种跨膜蛋白，但每个受体分子只有1次穿膜,也称为单次跨膜受体。3.酶偶联受体介导的信号转导较重要的有:酪氨酸激酶受体（TKR）酪氨酸激酶结合型受体鸟苷酸环化酶受体1.酪氨酸激酶受体(tyrosine-kinasereceptor,TKR)配体：大部分生长因子和一部分肽类激素（如胰岛素、干扰素、白细胞介素、生长激素、催乳素等）。生长因子、胰岛素与受体酪氨酸激酶结合细胞内生物效应膜外N端：识别、结合第一信使膜内C端：具有酪氨酸激酶活性2.鸟苷酸环化酶受体（guanylylcyclasereceptor）配体：心房钠尿肽（ANP，心钠素、心房利尿因子）、脑钠尿肽（BNP）、NO受体等。配体鸟苷酸环化酶(GC)GTPcGMP细胞内生物效应依赖cGMP的蛋白激酶G鸟苷酸环化酶受体位于平滑肌胞质中的NO的鸟苷酸环化酶受体1998年R.Furchgott等三位美国科学家因对NO信号转导机制的研究而获诺贝尔生理学或医学奖。RobertF.FurchgottLouisJ.IgnarroFeridMurad硝酸甘油治疗心绞痛：硝酸甘油→NO↑→结合可溶性鸟苷酸环化酶（GC）→三磷酸鸟苷（GTP）转变成cGMP→激活PKG→舒张血管，增加血流量.略4.细胞内受体介导的信号转导作用特点：作用时间较缓慢，也存在非基因调控的快速效应机制类固醇激素进入细胞膜与胞浆受体结合→H-R复合物H-R复合物进入核内复合物结合DNA特定位点调控基因表达、蛋白合成细胞内生物效应配体：类固醇激素、甲状腺素、维甲酸类、维生素D作用机制：基因表达学说胞内转录因子型受体结构示意图转录激活域核转位及DNA结合域激素结合域NH2COOH事实上，细胞中的信号转导途径比我们想象的复杂得多特性离子通道受体G-蛋白偶联受体单次跨膜受体内源性配体神经递质神经递质、激素、趋化因子、外源刺激（味，光）生长因子细胞因子结构寡聚体形成的孔道单体具有或不具有催化活性的单体跨膜区段数目4个7个1个功能离子通道激活G蛋白激活蛋白酪氨酸激酶细胞应答去极化与超极化去极化与超极化，调节蛋白质功能和表达水平调节蛋白质的功能和表达水平，调节细胞分化和增殖三种膜受体的特点小结