细胞的信号转导

第二节细胞的跨膜信号转导功能•跨膜信号转导•（transmembranesignaltransduction）1.细胞信号转导的概念（一）细胞信号转导不同形式的外界信号作用于细胞时，通常并不进入细胞或直接影响细胞内过程，而是作用于细胞膜表面（少数类固醇激素和甲状腺激素除外）通过引起膜结构中一种或数种特殊蛋白质分子的变构作用，将外界环境变化的信息以新的信号形式传递到细胞内，再引发被作用的细胞（靶细胞）相应的功能改变，包括出现电反应或其他功能改变。2.细胞信息和信号的分类（1）生物大分子的结构信息（2）物理信号（3）化学信号1）细胞间通讯的信号分子有神经递质、激素、生长因子、细胞因子和气体分子等2）细胞内通讯的信号分子如G蛋白、效应酶、第二信使、蛋白激酶、蛋白磷酸酶等信号是信息的物质体现形式及物理过程。3.细胞化学信号分子和信号转导途径的特征（1）细胞化学信号分子的特征：质量较小易于移动、扩散，细胞外信号分子需要通过特殊蛋白（受体、通道、载体）介导跨膜转移，信号分子迅速产生并迅速灭活。（2）信号转导途径的特征1）信号传递途径的级联放大作用受体-配体的结合是开启许多信号通路的第一开关，例如在整个AC-cAMP-PKA信号转导过程中，每个激活的受体可激活多个G蛋白，每个G蛋白激活一个AC，而每个AC可催化生成大量的cAMP，信号得以放大。形成高效能的生物放大系统。2）信号传递途径是一个网络系统（图）细胞信号传递系统是一个网路系统，多数信号分子都可以激活几种不同的细胞信号转导途径，信号途径中的一个组分也可以激活其他途径，形成一个分支。（二）受体与信号转导1.配体与受体：2.受体与信号转导：根据信号转导特点，受体分为四大家族（1）含离子通道受体是离子通道的一个种类，分子结构中既有离子通道的孔道，也有与配体结合的位点，配体与其结合后调控通道的开放与关闭。（2）G蛋白偶联受体（见后）（3）酶活性受体：（4）核内受体：即甾体激素受体和神经甾体受体。如：肾上腺皮质激素受体、性激素受体、甲状腺激素受体、VitD3受体等。如：酪氨酸激酶受体是膜上的整合蛋白，膜外侧有与配体结合的受体位点，当配体与受体结合以后，酪氨酸激酶被激活，导致受体自身或细胞内靶蛋白的磷酸化。3.受体的调节在漫长的生物进化过程中，受体发展了一套精细的调节通路网络，为了适应经常变动着的环境，一方面受体遵循新陈代谢的规律不断合成和降解，另一方面，受体还要受到各种生理、病理和药物等因素的影响而产生变化。（1）根据调节时程长短可分为两种：1）短期调节：在几分钟或几十分钟内发生。2）长期调节：从及小时到几十小时不等，多发生在较长期使用激动剂和拮抗剂的药理或病理情况下，将之除去后受体数量和反应性均可恢复。（2）根据调节的种类，分为1）受体的数目与结合容量：促使受体数目或结合容量增加的调节称为上调。反之称为下调。2）反应性：在内环境影响下，受体反应性会产生增敏、失敏等现象。增敏：细胞在某种因素的作用下，受体与配体结合的敏感性增加。如甲状腺素可增加细胞对儿茶酚胺、TSH、ACTH等的反应性。失敏：指细胞在某种配体的作用下，细胞对该配体的敏感性减弱或消失、结合能力下降。它是细胞对外界过度刺激的一种保护性反应。3）亲和力的改变在各种环境因素影响下，受体与配体的亲和力会发生改变，当某一受体与配体结合后，会诱导邻近的同类受体结合部位构象发生变化，并使该受体对配体的亲和力降低（负协同性）或升高（正协同性）。•要将一个信号跨膜传达到一个细胞内，需要三个方面的配合：•①信号分子（配体）；•②膜受体及跨膜转导系统；•③膜内信号转导途径。（三）G蛋白与信号转导•参与G蛋白耦联受体信号转导的有关组件及其效应•1.膜受体（G蛋白耦联受体）•2.G蛋白（三磷酸鸟苷GTP结合蛋白）•3.G蛋白效应器(第二信使、蛋白激酶等)。1．G蛋白耦联受体(Gprotein-linkedreceptor）是最大的细胞表面受体家族，是一种膜上整合蛋白质，存在于所有的真核细胞。目前已发现200多种G蛋白偶联受体，是最大的受体超家族（superfamily）。都有由一个单一肽链形成，有7个螺旋反复穿透细胞膜形成的跨膜区段，因此称为7跨膜受体。受体与鸟苷酸结合蛋白偶联。2．G蛋白•••G蛋白（Gprotein）是鸟苷酸结合•蛋白的简称。G蛋白的发现）图1,图2G蛋白根据效应不同可分为Gs和Gi（兴奋型和抑制型）3．G蛋白效应器•G蛋白效应器（Gproteineffector）有•二种，即酶和离子通道。G蛋白调控的酶主•要是细胞膜内侧的腺苷酸环化酶（Ac),磷脂酶类（C和2A），β肾上腺素受体激酶等。•G蛋白可直接或间接(通过第二信使)调控离子通道的活动。4．第二信使•第一信使（配体）:通常将细胞外信号分子称为•第一信使(配体)•第二信使:第一信使作用于细胞膜后产生的细胞内•信号分子称为第二信使。由G蛋白耦联受体介导的跨膜信号转导返回5．蛋白激酶•第二信使激活许多蛋白激酶（PKA）。•蛋白激酶的底物蛋白也可能是一种蛋白激酶。•如此便形成下游蛋白瀑布样的依次磷酸化。•可以对代谢通路，基因转录，激活磷酸酶，促使磷酸化的PKA脱磷酸失活等机制进行调节。在神经系统，蛋白激酶的激活是细胞外信号调节靶细胞蛋白质磷酸化的最主要机制。蛋白质磷酸化是生物调节最基本和最重要的公共通路。（图）根据催化磷酸化底物蛋白的机制不同，蛋白激酶可分为两类：A:丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶（serine/threonineproteinkinase)(Ser/ThrPK)家族占蛋白激酶的大多数，可使底物蛋白中的Ser或Thr残基磷酸化。B:酪氨酸蛋白激酶（tyrosineproteinkinase，TPK）[ˈθri:əni:n]1.Ser/ThrPK家族根据酶激活依赖的第二信使不同，可分为以下8种：（1）cAMP依赖的蛋白激酶（PKA）（2）cGMP依赖的蛋白激酶（PKG）（3）Ca2+/CaM依赖的蛋白激酶（Ca2+/CaMPK，CaMK）（4）Ca2+/磷脂依赖的蛋白激酶（Ca2+/PLPK，即PKC）（5）DNA依赖的蛋白激酶（DNA-PK）（6）Raf蛋白激酶（7）丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶AKTAKT蛋白与PKC和PKA具有相似性，因此又被称为PKB。（8）磷脂酰肌醇依赖的蛋白激酶（PDK）2.酪氨酸蛋白激酶（TPK）分为三类：（1）受体酪氨酸蛋白激酶（RTPK）（2）非受体酪氨酸蛋白激酶（non-RTPK)（3）核内酪氨酸蛋白激酶二、第二信使介导的细胞信号转导体系•1．受体-G蛋白-AC-cAMP-PKA途径•配体-受体-Gs（Gi）-AC-cAMP-PKA-蛋白磷酸化-产生细胞特定的生物学效应。（一）环核苷酸信号转导系统•由膜上的腺苷酸环化酶（AC）环化胞浆内•ATP形成cAMP。•cAMP是最早确定的第二信使。正常情况下，cAMP的生成与分解保持平衡，使胞浆内cAMP浓度保持在10-7M以下。当配体与受体结合后，1个AC可生成许多cAMP，使cAMP的水平在几秒钟内增高20倍以上。•第二信使cAMP的增多（或减少）仅意味着•不同的细胞外信号转换成了细胞浆中的化•学信号，它们通常还要通过细胞内的信号•转导系统才能影响细胞的功能。多数情况•下，它们首先是激活胞浆中的蛋白激酶，•蛋白激酶A（PKA）就是cAMP的主要的效•应器酶。受体-G蛋白-AC-cAMP-PKA信号转导途径示意图2.NO-cGMP-PKG信号转导系统NO-cGMP信号转导系统广泛存在于神经细胞和非神经细胞，NO既是第一信使，又作为第二信使。NO是多种不同类型的NOS催化而形成。NO是鸟甘酸环化酶（GC)内源性活化因子，促进cGMP生成，作用于酶、离子通道和蛋白激酶。NO的前体是L-精氨酸（L-Arg），L-Arg的分子氧在NO合成酶（NOS）催化下生成NO。由于体内NO极不稳定，半衰期不足5秒，难以对其进行直接定位。所以，采用免疫组化技术和原位杂交，确定NOS的存在部位，通过NOS的定位来反映NO的分布。鸟（二）膜磷脂代谢产物介导的信号转导膜脂质不仅仅是起屏障作用的简单结构，而且膜磷脂代谢产物在细胞信号传递中也起着重要作用。磷脂酶作用于磷脂后的水解产物具有多方面的生物活性作用。在细胞信号转导中起重要作用的磷脂酶主要有：磷脂酶C（PLC）、磷脂酶D（PLD）、PLA2、及鞘磷脂酶等。磷脂酶的主要作用是介导脂质第二信使形成。通常将脂质经特异性酶（各种磷脂酶）水解后产生的生物活性物质统称为脂质第二信使。如IP3DG、磷脂酸（PA）、溶血磷脂酸（LPA）、及花生四烯酸（AA）。1.受体-G蛋白-IP3-Ca2+途径许多配体和受体结合以后可激活另一种G蛋白（Gq），Gq可激活膜上的磷酯酶C（PLC），PLC水解膜脂质中的二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）生成两种第二信使物质：三磷酸肌醇（IP3）和二酰甘油（DG）。IP3与内质网或肌浆网膜上的IP3受体（IP3receptorIP3R）结合，IP3R是一种化学门控的Ca2+释放通道，激活后可使内质网或肌浆网的Ca2+释放进入胞浆，使胞浆内游离的Ca2+浓度升高发挥生物效应。受体-G蛋白-Ca2+信号转导途径示意图•2.受体-G蛋白-DG-PKC途径•上述与Gq耦联的膜受体激活PLC生成IP3和DG，IP3进入胞浆并诱发胞浆Ca2+升高已如上述;留在膜内表面的DG作用于胞浆中的蛋白激酶C（PKC）使之激活，PKC有多种亚型，它们广泛分布于各种组织细胞。活化的PKC可使底物蛋白磷酸化，产生多种生物效应。•3.PLA2–AA信号转导系统花生四烯酸（AA）是通过磷脂酶水解膜磷脂释放的不饱和脂肪酸。1）PLA2的激活机制：许多细胞外信号（如肾上腺素能激动剂、缓激肽、凝血酶等）都可激活PLA2，有些PLA2通过G蛋白激活；有些PLA2被PLC激活，PLC通过增加胞内Ca2+、或激活PKC间接激活PLA2。细胞外信号刺激PLA2途径直接在sn-2位置脱酯释放AA，是生成AA的重要途径，也是细胞调控AA生产量的靶部位。PLA2-AA信号系统的转导及意义：在激活的PLA2作用下，胆碱磷酯和乙醇胺磷脂被水解，产生AA。AA进一步代谢产物有多种重要的信息调控，如前列腺素（prostaglandins,PG）；白三烯（leukotrienes,LTs）；TXA2/PGI2等。AA及其代谢产物，特别是前列腺素具有广泛的生物活性。其作用是细胞内和细胞外两方面的。这些物质大多作为第一信使在细胞间通讯中起作用，部分还可作为第二信使参与胞内信号传递。如AA可激活细胞内钙释放通道，调节小G蛋白Ras活性，影响Ras-丝裂原激活蛋白激酶传导途径。（三）Ca2+/CaM-PK信号转导系统各种导致细胞内Ca2+浓度上升的机制都将成为CaMK信号转导系统的启动步骤。胞外Ca2+的内流或钙库Ca2+释放而引起胞浆游离Ca2+瞬时急促升高时，CaM从无Ca2+失活态转变为Ca2+结合的激活态，Ca2+和激活的CaM可进一步激活CaMK，进而通过蛋白质磷酸化，调控细胞的功能活动。乙酰胆碱受体及信号转导乙酰胆碱受体（acetylcholinereceptor)AchR根据其药理特异性配体的不同分为M受体和N受体。M受体的分布:效应(毒菌碱样作用):N受体的分布:(N1.N2)效应(烟碱样作用):M受体的亚型及分布：分子克隆技术阐明了M受体的5种亚型m1-----m5.1.外周M受体：主要为M1、M2、M3亚型，他们主要分布在胆碱能节后纤维所支配的效应器上。eg：M2受体主要分布在心脏；M1，M4：外分泌腺；M2，M3：各种组织的平滑肌。2.中枢M受体：各种亚型均有，弥散地分布在中枢神经系统。但也有相对集中的部位。M1：大脑皮层椎体细胞、海马、尾核头部、丘脑、中脑及延髓。M2:大脑皮层浅表神经元特别是感觉区、运动区、听区和视区。M4：基底前脑和纹状体；M5：黑质；M3：受体分布与M1、M4相似。M受体的信号转导：M受体属G蛋白偶联的代谢型受体，其功能与结构密切相关。1.M1和M3受体：在Ach作用下，M1和M