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细胞生物学西北农林科技大学生命科学学院细胞生物学教研室李绍军（17334040@qq.com）第九章细胞信号转导1细胞信号转导概述2信号转导途径细胞内受体细胞表面受体（离子通道偶联受体、G蛋白偶联受体、酶联受体）3不同信号途径的汇集，分散及交叉对话主要内容第一节细胞信号转导概述•多细胞生物是一个有序、协调的细胞社会，各细胞即有相对独立的生命活动单位，又对整个细胞社会有所助益。这种有序和协调是建立在细胞间信息交流即细胞通讯基础之上的。一、细胞通讯的主要方式分泌化学信号通讯：细胞分泌一些化学物质（如激素）至细胞外，作为信号分子作用于靶细胞，调节其功能，可分为4类。细胞间接触依赖性通讯：如神经元分化过程中通过膜上信号分子Delta抑制与其接触的其他上皮细胞分化为神经元（Notch信号通路）。精子和卵子之间的识别与受精。不同物种（病原体与寄主）细胞间直接联通（通讯连接）通讯：如间隙连接和胞间连丝。间隙连接连接子中央为直径1.5nm的亲水性孔道，允许小分子如Ca2+、cAMP通过。协同相邻细胞对外界信号的反应，如可兴奋细胞的电耦联现象(电紧张突触)。除细胞间通讯外，单细胞生物、多细胞生物部分细胞还可感受外界物理和化学信息，作出相应的生理反应。内分泌：内分泌激素随血液循环长距离运输至全身，作用于靶细胞。旁分泌：信号分子通过扩散作用于邻近的细胞。包括：①各类细胞因子；②气体信号分子。化学突触信号传递：神经递质经突触作用于靶细胞。自分泌：信号发放细胞和靶细胞为同类或同一个细胞，常见于癌变细胞。•细胞间接触依赖性通讯•细胞间直接联通（通讯连接）通讯动物间隙连接和植物胞间连丝间隙连接•分泌化学信号通讯•细胞间接触依赖性通讯内分泌。旁分泌化学突触信号传递自分泌细胞信息传递途径细胞感受胞外信号后通过信号转导进入细胞，引起生理细胞反应。胞外信号转导途径的步骤：①信号细胞释放信号分子；②转运信号分子至靶细胞；③质膜表面受体对信号的识别激活受体，信号跨越质膜；④信号在细胞中传递至效应分子；⑤引发细胞代谢、功能、基因表达等的改变；⑥信号解除使细胞反应停止。二、信号分子及受体（一）信号分子（物理、化学信号）化学信号：气体信号分子；疏水性信号分子；亲水性信号分子。成分：短肽、蛋白质、气体分子（如NO）、氨基酸衍生物、核苷酸衍生物、脂类、类固醇等。特点：①特异；②高效。（二）受体能够识别和选择性结合某种配体（信号分子），分子上具有配体结合区域和产生效应的区域。几乎全为蛋白质且大多为糖蛋白。受体可分为细胞内受体和细胞表面受体；细胞表面受体主要有三类：离子通道耦联受体，G蛋白耦联受体，酶联受体。特点：①特异性；②饱和性；③高度的亲和力。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。（1）相同信号可产生不同效应：如Ach可引起骨骼肌收缩、心肌收缩频率降低，唾腺细胞分泌。不同细胞有不同受体（2）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。相同的信号分子诱导不同的靶细胞产生不同的反应。这是由于不同的细胞受体可能不同，因此在细胞内产生不同的信号，导致产生不同的细胞效应。或者受体相同，但不同细胞具有胞内不同的或特异的传递途径自然导致不同的细胞效应。（3）一种细胞有多种类型受体，应答不同胞外信号而启动不同生物学应答组胺肾上腺素甲状腺素乙酰胆碱IP3雌二醇第一信使：水溶性信号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，称第一信使。（三）第二信使：起信号转换和放大的作用，如cAMP、cGMP、IP3、PIP3、DAG、Ca2+。细胞内两种信号开关分子。受体与配体结合，信号传递进细胞，信号在细胞中传递及引起细胞生理反应过程中有两类蛋白起信号开关作用，开启或关闭信号通路。GTPase超家族蛋白激酶蛋白激酶和蛋白磷酸酶磷酸化和去磷酸化靶蛋白，激活或抑制靶蛋白活性，起细胞效应分子开关作用。G蛋白通过结合GTP或GDP在活性与失活之间转换起分子开关作用。GEFs（GTP交换因子）和GAPs（GTP酶促进蛋白）、RGS（G蛋白信号调节子）、GDI（鸟苷酸解离抑制蛋白）在活化及失活G蛋白中起重要作用。94年诺贝尔92年蛋白激酶是一类磷酸转移酶，将ATP的γ磷酸基转移到底物特定氨基酸（Tyr，Ser/Thr，His/Lys/Arg，Trp，Asn/Gln）残基上，使蛋白磷酸化。分为5类，其中了解较多的是蛋白酪氨酸激酶、蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶。作用：通过磷酸化调节蛋白质的活性。三、信号转导系统及其特征信号传递系统由小分子第二信使及各种信号蛋白组成的通过结合变构或化学修饰变构激活或去激活，依次有序传递信息最终引起细胞生理反应的有序信息传递链。引起的细胞生理反应可分为短期反应（快反应）和长期反应（慢反应）。细胞表面受体介导的信号转导系统组成：1信号跨膜；2产生第二信使或活化下游信号蛋白；3信号级联放大；4信号传递至靶蛋白引起细胞反应；5受体脱敏或下调停止信号传递。细胞生理反应的快反应和慢反应：快反应往往是胞内预存蛋白活性的改变。慢反应是引起基因表达的改变。信号传递常是通过蛋白质之间相互作用完成的。有些信号蛋白结构中存在模式结合域，可以识别和结合与其作用蛋白的特定基序或修饰位点。信号传递系统特征受体配体结合的特异性、饱和性、可逆性；信号放大效应，级联反应；网络化和反馈调节机制；信号整合作用。信号整合作用：细胞对胞外组合信号的程序性反应决定细胞的命运.•细胞在信号分子去除后，仍可保持这种信号刺激的产生的反应，既细胞对刺激信号有记忆效应。•在多细胞生物发育过程中瞬间的胞外信号常可诱导长期的细胞效应。细胞常依赖自激活的记忆机制在转录水平上操纵下游信号通路。•如细胞内蛋白激酶被Ca2+激活后磷酸化自己和其他蛋白，在Ca2+恢复正常后蛋白激酶仍可保持激酶活性直至去磷酸化信号激活磷酸酶使激酶去磷酸化或自身失活。显示了细胞对初始信号的记忆性。第二节细胞内受体介导的信号传导信号转导途径受体与配体（如皮质醇——压力荷尔蒙，可提高血压、血糖水平和产生免疫抑制）结合，使抑制性蛋白与受体分离，暴露与DNA的结合位点。受体结合的DNA序列是受体依赖的转录增强子。受体具有3个结构域：•C端的激素结合位点；•中部具有锌指结构的DNA结合位点；•N端的转录激活结构域。激素直接激活的基因产物属于转录因子（快速的初级反应阶段），而后引起更多的基因表达（延迟的次级反应阶段）。一些疏水性激素（如甾类激素、视黄酸、维生素D、甲状腺素等）的受体在细胞核内，是基因调控蛋白。1.1细胞内核受体及其对基因表达的调控部分脂溶性激素受体均有DNA结合区。Cortisol皮质醇，estrogen雌激素，progesterone孕酮，thyroid甲状腺，retinoicacid视黄酸，类固醇激素细胞内受体启动早期初级应答及次级延迟应答。其他激活同类细胞内受体的激素作用方式与固醇类类似。初级应答蛋白促进或抑制次级应答。1.2NO•人们早已知道乙酰胆碱舒张血管平滑肌。•1980,Furchgott推断血管内皮细胞产生一种信号分子使血管平滑肌舒张。•1986,Furchgott及LouisIgnarro确定NO为这种舒张平滑肌的信号分子。NO激活血管平滑肌细胞内GTP环化酶活性的受体来松弛血管中的平滑肌NO作为一种活泼的气体分子仅可扩散到及作用于邻近细胞。NO在血管内皮细胞和神经细胞中生成，由一氧化氮合酶（NOS）催化，以L-精氨酸为底物，NADPH为电子供体，生成NO和L-瓜氨酸。NO的作用机理：•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→鸟苷酸环化酶→cGMP→激活PKG→PKG磷酸化修饰平滑肌纤维蛋白（受磷蛋白—肌质网Ca2+泵抑制蛋白，磷酸化后Ca2+泵活化；肌球蛋白轻链磷酸酶—磷酸化后使轻链去磷酸化，粗肌丝横桥脱离细肌丝）→平滑肌舒张→血管扩张、血流通畅。心房排钠肽与血管平滑肌细胞表面的GTP环化酶活性受体结合也具有舒张血管的作用。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。乙酰胆碱与内皮细胞外表面结合后，细胞质中Ca2+浓度升高，激活NO合成酶。NO合成酶利用精氨酸生成NO，NO扩散到邻近平滑肌细胞，激活鸟苷酸环化酶，该酶催化GTP生成cGMP，引起肌细胞松弛和血管舒张反应。NO的半衰期为5～10秒，只能作用于相邻细胞。二、NO导致血管平滑肌舒张的作用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得诺贝尔生理和医学奖。NO对血管的作用。InsP3＝IP3，calmodulin钙调蛋白，citrulline瓜氨酸，guanylylcyclase鸟苷酸环化酶。鸟苷酸环化酶与NO信号途径①离子通道型受体；②G蛋白耦联型受体；③酶耦联的受体。第一类存在于可兴奋细胞，后两类存在于大多数细胞。2.2细胞表面受体介导的信号转导细胞表面受体类型离子通道耦联受体使化学信号转变为电信号(见细胞物质运输)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γ－氨基丁酸受体。神经突触中的配体门通道一、结构与激活1.G蛋白结构与激活配体与G蛋白耦联受体结合可激活三聚体GTP结合蛋白即G蛋白：组成：αβγ，α和γ属脂锚定蛋白。作用：分子开关。α亚基结合GDP失活，结合GTP活化。α也是GTP酶，催化结合的ATP水解，恢复无活性状态，其GTP酶活性可被GTP酶促进蛋白（GAP）增强。G蛋白结构与激活第三节G蛋白耦联受体介导的细胞信号转导七个跨膜螺旋。胞外结构域识别信号分子，胞内结构域与G蛋白耦联，调节相关酶活性。C端:富含丝氨酸、苏氨酸侧链。此侧链为受体脱敏的磷酸化位点。类型：①多种神经递质、肽类激素和趋化因子等受体，②味觉、视觉和嗅觉感受器。相关信号途径：cAMP途径、磷脂酰肌醇途径等。G蛋白耦联受体结构2.G蛋白耦联受体（GPCR）的结构活化的G蛋白主要激活或抑制三类效应器蛋白：离子通道；腺苷酸环化酶；磷脂酶C等。3.G蛋白耦联受体介导的信号通路心肌细胞膜M-型乙酰胆碱受体是G蛋白耦联受体，活化的G蛋白βγ亚基打开G蛋白耦联的K+通道使质膜超极化，减缓心肌收缩速率。骨骼肌细胞膜N-型乙酰胆碱受体为受体门控Na+通道。乙酰胆碱作用于心肌细胞膜上的Ｍ型乙酰胆碱受体使心率减慢。由于乙酰胆碱促进细胞膜K+外流，使细胞再极化加快，最大再极化电位的绝对值增大（超极化），到达阈电位所需时间延长。（一）G蛋白激活的离子通道嗅觉与G蛋白耦联受体介导的离子通道有关：气味分子与受体结合，激活腺苷酸环化酶，产生cAMP，开启cAMP门控阳离子通道，引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲动，形成嗅觉或味觉。嗅觉信息传递(A)及嗅觉受体(B)：动作电位（去极化）产生：cAMP门控阳离子通道，Ca2+配体门控Cl-通道。静息电位（极化）：Na+/Ca2+交换器，Na+/K+泵。蛋白耦联受体与离子通道的开关有关视觉感受器中的G蛋白耦联受体与离子通道：黑暗时视杆细胞（属于神经元细胞）中cGMP浓度较高，cGMP门控钠通道开放，钠内流，膜去极化，突触持续向次级神经元释放递质。有光时视紫红质（传导素）作用于G蛋白，激活磷酸二酯酶，cGMP浓度下降，形成光感受。视紫红质（rhodopsin)为G蛋白耦联光受体，7次跨膜蛋白，由视蛋白和视黄醛组成。其信号途径为：光信号→Rh激活→Gt活化→cGMP磷酸二酯酶(PDE)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。视杆细胞外段和整个视杆细胞都没有产生动作电位的能力，由光刺激在外段膜上引起的感受器电位只能以电紧张性的扩布到达它的终足部分，影响终点（相当于轴突末稍）外的递质释放