醫(yī)學(xué)細胞生物學(xué)5五章第四節(jié)膜受體與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)課件

1、 細胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo) 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（signal transduction）：細胞之間的信號分子與靶細胞的受體特異性結(jié)合，通過信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)把細胞外信號轉(zhuǎn)變成細胞內(nèi)的信號，從而使細胞對外界信號作出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。這種由細胞外信號轉(zhuǎn)變成細胞內(nèi)細胞內(nèi)信號的過程稱為信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。 信號分子(signal molecule)受體(receptor)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路(signal pathways)一、信號分子 是與受體特異結(jié)合，通過受體介導(dǎo)對細胞產(chǎn)生效應(yīng)的分子，又稱配體（ligand）。物理性的信號：光、熱、電流?；瘜W(xué)性的信號：短肽、蛋白質(zhì)、CO、NO、氨基酸、核苷酸、脂類和膽固醇衍生物等。 1. 脂溶性信號分子：固醇類激

2、素、甲狀腺素、 NO2. 水溶性信號分子：如，神經(jīng)遞質(zhì)、水溶性肽類激 素、 生長因子等（第一信使）第二信使：細胞膜受體被激活后，在細胞內(nèi)產(chǎn)生的能介導(dǎo)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的活性物質(zhì)，如cAMP, cGMP, Ca2+, DAG, IP3等。 第二信使的作用：對細胞外信號起轉(zhuǎn)換和放大。二、受體（receptor） 受體：能識別和選擇性結(jié)合信號分子（配體），將細胞外信號轉(zhuǎn)變成細胞內(nèi)信號，引起胞內(nèi)生物學(xué)效應(yīng)的蛋白質(zhì)。1. 配體結(jié)合區(qū)域2. 效應(yīng)區(qū)域 受體的結(jié)構(gòu) 受體去 ： 為DNA結(jié)合蛋白，與胞外親脂性 信號分子結(jié)合，作為轉(zhuǎn)錄因子參 與基因表達調(diào)控。（一）細胞內(nèi)受體（二）細胞膜表面受體：鑲嵌在膜上的糖蛋白，接

3、受水溶性信號分子。（一）細胞內(nèi)受體（二）細胞膜表面受體3. 具備酶活性的受體胞外域跨膜域胞內(nèi)域1. 離子通道型受體2. G蛋白偶聯(lián)受體 受體組成 1.離子通道型受體型： 煙堿型乙酰膽堿受體型： 光受體嗅神經(jīng)受體型： 肌漿網(wǎng)膜上的Ca2+通道 信號分子：神經(jīng)遞質(zhì) 2.G蛋白偶聯(lián)受體 （G protein-coupled receptor， GPCR） 一條多肽鏈（400-500aa）七次跨膜形成的糖蛋白。N端在細胞外，C端在細胞內(nèi)。信號分子：多種激素（腎上腺素和胰高血糖素）、神經(jīng)遞質(zhì)、神經(jīng)肽、光、氣味分子等。 配體與受體結(jié)合激活受體 激活G蛋白 產(chǎn)生第二信使。 G蛋白結(jié)構(gòu)靜息狀態(tài)活化狀態(tài)（ gu

4、anylate binding protein，G protein ）（1）由、 亞基 組成異三聚體。（2）亞基具有結(jié)合GDP 或GTP能力，還具有 GTP酶活性。（3）通過構(gòu)象改變調(diào)節(jié)效 應(yīng)蛋白的活性，實現(xiàn) 信號傳遞。G蛋白：是指能夠與鳥苷酸結(jié)合的蛋白質(zhì)的總稱。功能 G蛋白（ guanylate binding protein，G protein ）功能 G蛋白（ guanylate binding protein，G protein ）功能 G蛋白（ guanylate binding protein，G protein ）功能 G蛋白（ guanylate binding protein

5、，G protein ）功能pi G蛋白（ guanylate binding protein，G protein ） 激動型G蛋白（Gs） 抑制型G蛋白(Gi) 磷脂酶C型G蛋白(Gq) GDPGDP G蛋白功能G蛋白介導(dǎo)的信號通路ACPLC cAMP信號通路 磷脂酰肌醇信號通路cAMP細胞胞內(nèi)反應(yīng) AC cAMP信號通路PKA底物蛋白（Gs） 腺苷酸環(huán)化酶（adenylate cyclase , AC） 分布于幾乎所有細胞質(zhì)膜 G蛋白效應(yīng)蛋白之一 調(diào)節(jié)胞內(nèi)cAMP水平 M1M2C1C2磷酸二酯酶cAMP分解ATPcAMPcAMP細胞胞內(nèi)反應(yīng) AC cAMP信號通路PKA底物蛋白（Gs） 蛋

6、白激酶A調(diào)節(jié)亞單位催化亞單位cAMP分子cAMP-調(diào)節(jié)亞單位復(fù)合體活化的催化亞單位+CCRRRRCC激酶活性（protein kinase A，PKA） PKA的作用（1）調(diào)節(jié)預(yù)存蛋白的活性PKA對預(yù)存蛋白活性的調(diào)節(jié)底物蛋白組蛋白失去對轉(zhuǎn)錄的阻礙作用核蛋白體蛋白細胞膜蛋白心肌肌原蛋白底物蛋白磷酸化的作用生理意義DNA進行轉(zhuǎn)錄加速翻譯促進蛋白質(zhì)的合成膜蛋白構(gòu)象及功能改變改變膜對水及離子通道的通透性微管蛋白構(gòu)象和功能改變影響細胞分泌易與Ca2+結(jié)合加強心肌收縮 PKA的作用（1）調(diào)節(jié)預(yù)存蛋白的活性（2）調(diào)節(jié)基因表達活性結(jié)構(gòu)基因細胞核PiPiPiPiDNA蛋白質(zhì)PKA對基因表達的調(diào)節(jié)作用 PKA的作

7、用（1）調(diào)節(jié)預(yù)存蛋白的活性（2）調(diào)節(jié)基因表達活性cAMP細胞的胞內(nèi)反應(yīng) AC cAMP信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路PKA底物蛋白細胞外信號分子和來源靶細胞主要反應(yīng)腎上腺素（腎上腺髓質(zhì)）胰高血糖素（胰島）ATCH（腦垂體前葉）心肌、脂肪、肌細胞肝細胞、脂肪細胞腎上腺、脂肪細胞心率收縮 糖原脂肪糖原分解、血糖脂肪分解分泌皮質(zhì)醇、脂肪分解某些激素通過cAMP誘導(dǎo)的細胞反應(yīng)ATCH: 促腎上腺皮質(zhì)激素生長激素抑制素抗血管緊張素胰島素等 胰高血糖素 腎上腺素促腎上腺皮質(zhì)激素GsGiG蛋白介導(dǎo)的信號通路ACPLC cAMP信號通路 磷脂酰肌醇信號通路 磷脂酰肌醇(PIP2) 信號通路DAG IP3二磷脂酰肌醇（PIP2）

8、磷脂酶CPLC DAG，IP3的 功 能DAG：在磷脂酰絲氨酸和Ca2+協(xié)同下激活PKCIP3 ：與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和肌漿網(wǎng)上的受體結(jié)合，促使細胞內(nèi) Ca2+釋放Ca2+ /鈣調(diào)素（Ca2+ CaM) Ca2+CaM可以激活蛋白激酶或磷酸酶，從而磷酸化相應(yīng)的底物蛋白，實現(xiàn)對細胞代謝活動的調(diào)節(jié)。如，環(huán)核苷酸磷酸二脂酶（PDE）。CaMCaM與靶蛋白結(jié)合2. Ca2+鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶途徑磷脂酰肌醇信號途徑：信號分子G蛋白磷脂酶C（PLC）G蛋白偶聯(lián)受體PIP2IP3DG胞內(nèi)Ca 2+活化鈣調(diào)蛋白（CaM）激活蛋白激酶或磷酸酶糖原分解微管解體活化PKC底物蛋白磷酸化分泌、肌肉收縮、細胞增殖、分化IP3

9、/ Ca 2+DG/PKC組胺釋放平滑肌收縮等G蛋白作用的效應(yīng)蛋白 離子通道 腺苷酸環(huán)化酶 磷脂酶C 磷脂酶A2 磷酸二脂酶C2（一）G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路 1.cAMP信號通路 2.磷脂酰肌醇信號通路（二）催化型受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路 1.受體酪氨酸蛋白激酶信號通路（三）其他 1.cGMP信號通路 五、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的終止 1、作為第一信使的信息分子很快被降解或重吸收 受體被內(nèi)吞而失去作用。2、與G蛋白或Ras蛋白結(jié)合的GTP被水解成GDP失活 3、第二信使被降解 PDE（環(huán)核苷酸磷酸二酯酶） 降解cAMP生成5-AMP 終止cAMP的作用 信號終止障礙可導(dǎo)致疾病的發(fā)生。六、受體異常引起

10、的疾?。ㄒ唬┦荏w異常與疾病 遺傳性受體?。?家族性高膽固醇血癥，因低密度脂蛋白受體編碼基因突變，血漿中LDL不能進入細胞代謝（LDL與膽固醇結(jié)合成顆粒），血漿中膽固醇不能被細胞利用而濃度升高。（二）自身免疫性受體?。?自身產(chǎn)生抗受體的抗體，使受體失去功能。 1.重癥肌無力 患者胸腺上皮細胞及淋巴細胞內(nèi)含有與AChR3結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)而產(chǎn)生抗AChR的抗體，干擾ACh與受體的結(jié)合，同時還能促進AChR分解，并從肌肉表面消失(受體減少一半以上) ，肌肉收縮無力。（三）G蛋白功能異常與疾病 霍亂： 霍亂弧菌產(chǎn)生的外毒素，不可逆的結(jié)合在亞基上，使亞基與、亞基分離，并喪失了GTP酶的活性。因此G處于不可逆

11、激活狀態(tài)，不斷刺激AC產(chǎn)生大量的cAMP，導(dǎo)致小腸上皮細胞通道蛋白持續(xù)開啟，大量離子和水轉(zhuǎn)運入腸腔，引起嚴重的腹瀉。（四）G蛋白偶聯(lián)受體相關(guān)的疾病 病因：1）編碼抗利尿激素受體基因突變，在受體mRNA中引入一個終止密碼子，多肽鏈合成過早終止，使受體分子變短。先天性腎原性尿崩癥（CNDI）病因： 2）弱化突變 第三跨膜片斷和第二胞內(nèi)環(huán)之間連接部位出現(xiàn)一個氨基酸置換，不能結(jié)合G蛋白。（五）繼發(fā)性受體病 患者因受體前、受體、受體后異常導(dǎo)致細胞對胰島素的反應(yīng)性降低。機體代謝紊亂引起。 肥胖引起胰島素受體活性下降，引起糖尿病。（3）受體酪氨酸激酶RTK是單次跨膜螺旋受體蛋白。胞外區(qū)：配體結(jié)合域，起受體作

12、用?？缒^(qū)：單次跨膜的疏水螺旋區(qū)。 胞內(nèi)區(qū)：含有酪氨酸激酶活性的細 胞內(nèi)結(jié)構(gòu)，有自磷酸化位點、 激酶功能域。3. 單個跨膜螺旋受體酪氨酸蛋白激酶（tyrosine protein kinase，TPK）受體型（催化型受體）非酪氨酸蛋白激酶受體型轉(zhuǎn)化生長因子（transforming growth factor ，TGF）受體 與配體結(jié)合后具有酪氨酸蛋白激酶活性，如胰島素受體 表皮生長因子受體。與配體結(jié)合后，可與酪氨酸蛋白激酶偶聯(lián)而表現(xiàn)出酶活性，如生長激素受體、干擾素受體。非酪氨酸蛋白激酶受體型酪氨酸蛋白激酶受體型酪氨酸蛋白激酶受體型自身磷酸化(autophosphorylation) 當(dāng)配體與

13、單跨膜螺旋受體結(jié)合后，催化型受體大多數(shù)發(fā)生二聚化，二聚體的酪氨酸蛋白激酶被激活，彼此使對方的某些酪氨酸殘基磷酸化，這一過程稱為自身磷酸化。該型受體與細胞的增殖、分化、分裂及癌變有關(guān)。 非酪氨酸蛋白激酶受體型TPK受體的下游分子常含有 SH2結(jié)構(gòu)域(Scr homology 2 domain)與原癌基因scr編碼的2結(jié)構(gòu)域同源的結(jié)構(gòu)域。此結(jié)構(gòu)域能與酪氨酸殘基磷酸化的多肽鏈結(jié)合。 SH3結(jié)構(gòu)域能與富含脯氨酸的肽段結(jié)合。 PH結(jié)構(gòu)域(pleckstrin homology domain) 能識別具有磷酸化的絲氨酸和蘇氨酸的短肽，并與之結(jié)合；能與G蛋白的復(fù)合物結(jié)合；還能與帶電的磷脂結(jié)合。 TGF的型和

14、型受體 轉(zhuǎn)化生長因子受體4. 具有鳥苷酸環(huán)化酶活性的受體 胞外胞內(nèi)膜受體可溶性受體PKH GCGC（二）胞內(nèi)受體(intracellular receptor)位于細胞漿和細胞核中的受體，全部為DNA結(jié)合蛋白。胞內(nèi)受體通常為反式作用因子，當(dāng)與相應(yīng)配體結(jié)合后，能與DNA的順式作用元件結(jié)合，調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄。能與胞內(nèi)受體結(jié)合的信息物質(zhì)有類固醇激素、甲狀腺素、維生素D3和維甲酸等。高度可變區(qū)位于N端，具有轉(zhuǎn)錄激活功能DNA結(jié)合區(qū)位于中部，含有鋅指結(jié)構(gòu)激素結(jié)合區(qū)位于C端，結(jié)合配體或熱休克蛋白，含有核定位信號，使受體二聚化，激活轉(zhuǎn)錄鉸鏈區(qū)含有核定位信號 二、受體作用的特點1. 高度專一性2. 高度親和力3.

15、 可飽和性5. 特定的作用模式4. 可逆性配體濃度受體飽和度（）配體受體結(jié)合曲線 腎上腺素對糖原磷酸化酶的調(diào)節(jié)作用受cAMP調(diào)控的基因中，在其轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)有一共同的DNA序列(TGACGTCA)，稱為cAMP應(yīng)答元件(cAMP response element , CRE)。可與cAMP應(yīng)答元件結(jié)合蛋白 (cAMP response element bound protein,CREB)相互作用而調(diào)節(jié)此基因的轉(zhuǎn)錄。(2) 對基因表達的調(diào)節(jié)作用活化PKA基因轉(zhuǎn)錄cAMP配體G蛋白偶聯(lián)受體G蛋白AC（效應(yīng)蛋白）基因調(diào)控蛋白活化cAMP信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的反應(yīng)過程PDE（環(huán)核苷酸磷酸二酯酶）降解cAMP生成

16、5-AMP 終止cAMP的作用 表達相應(yīng)的蛋白產(chǎn)物對細胞產(chǎn)生各種生物學(xué)效應(yīng) 磷酸化底物蛋白底物蛋白活化或鈍化，調(diào)節(jié)代謝AP-1PKC對基因的活化第四節(jié) 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與蛋白激酶 配體：多種生長因子、胰島素等 （1）與配體結(jié)合后，受體自身的酪氨酸磷酸化，形成SH2結(jié)構(gòu)域的結(jié)合位點；（2）使效應(yīng)蛋白特定的酪氨酸殘基磷酸化。 效應(yīng)蛋白：蛋白激酶、磷酸酶或磷酯酶。 1.受體酪氨酸激酶（RTKs）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路 RTKs介導(dǎo)的信號通路:Ras蛋白(p21)：原癌基因產(chǎn)物，RTK的效應(yīng)蛋白，具有弱GTPase活性。 靜息狀態(tài)：Ras-GDP 活性狀態(tài)：Ras-GTP功能：激活Raf蛋白。MAPK系統(tǒng)：對細胞的生長

17、、增殖和分化有重要的調(diào)節(jié)作用。GRB2：接頭蛋白，含有SH2和SH3結(jié)構(gòu)域Sos蛋白：可與SH3結(jié)合；具有核苷酸轉(zhuǎn)移酶活性，促使Ras的GDP換成GTP。RPTK-Ras信號通路可概括如下： 配體RPTKadaptorRasRaf（MAPKKK）MAPKKMAPK進入細胞核轉(zhuǎn)錄因子基因表達。 （四）酪氨酸蛋白激酶途徑酪氨酸蛋白激酶分類受體型TPK（位于細胞質(zhì)膜上）如胰島素受體、生長因子受體及原癌基因（erb-B、 kit、fms等）編碼的受體非受體型TPK（位于胞漿）如底物酶JAK和原癌基因（src、yes、ber-abl等）編碼的TPK1. 受體型TPK-Ras-MAPK途徑 GRB2 (g

18、rowth factor receptor bound protein 2）SH2 結(jié)構(gòu)域 (src homology 2 domain) 細胞內(nèi)某些連接物蛋白共有的氨基酸序列，與原癌基因src編碼的酪氨酸蛋白激酶區(qū)同源，該區(qū)域能識別磷酸化的酪氨酸殘基并與之結(jié)合。SH2SH3 SOS (son of sevenless)一種鳥苷酸釋放因子，富含脯氨酸，可與Ras的SH3結(jié)構(gòu)域結(jié)合，促使GTP 與GDP的交換。Ras蛋白原癌基因產(chǎn)物，類似于G蛋白的G亞基，因其分子量小而被稱為小G蛋白。Raf蛋白具有絲蘇氨酸蛋白激酶活性。MAPK系統(tǒng) (mitogen-activated protein kina

19、se)包括MAPK、MAPK激酶（MAPKK）、MAPKK激酶（MAPKKK），是一組酶兼底物的蛋白分子。2. JAKs-STAT途徑* JAKs (Janus kinases)* 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激動子 (signal transductors and activators of transcription ，STAT)配體非催化性受體JAKsSTAT基因的轉(zhuǎn)錄 （五）核因子B途徑核因子B (nuclear factor- B, NF- B) TNFCer 等激酶系統(tǒng)病毒感染、脂多糖、活性氧中間體、佛波酯、雙鏈RNA等PKA、PKC等激活NF- BNF- B的激活過程示意圖該途徑主要涉及機體

20、防御反應(yīng)、組織損傷和應(yīng)激、細胞分化和凋亡，以及腫瘤生長抑制過程的信息傳遞。（六）TGF-途徑 二、胞內(nèi)受體介導(dǎo)的信息傳遞胞內(nèi)受體 核內(nèi)受體 胞漿內(nèi)受體配體類固醇激素甲狀腺激素胞內(nèi)受體調(diào)節(jié)生理過程信息傳遞的交叉聯(lián)系第 四 節(jié)Cross Talk of Signal Transduction Pathways信號通路特點：級聯(lián)放大信號通路特點：交叉對話1. 一條信息途徑成員可參與激活或抑制另一條信息途徑2. 兩種不同的信息途徑可共同作用于同一種效應(yīng)蛋白或同一基因調(diào)控區(qū)而協(xié)同發(fā)揮作用3. 一種信息分可作用于幾條信息傳遞途徑（三）cGMP-蛋白激酶G途徑ANPNO, CO可溶性 GCPKGcGMP受體

21、型 GC1、鳥苷酸環(huán)化酶（GC）與cGMPGC在細胞內(nèi)有兩種存在形式： 1、膜結(jié)合性GC: 存在于細胞膜上。與配體（神經(jīng)肽）結(jié)合后被激活，可將GTP分解成cGMP。 2、可溶性的GC：需要另一種第二信使NO來激活。 NO與細胞內(nèi)亞鐵血紅素（ NO 受體）結(jié)合，激活其固有的鳥苷酸環(huán)化酶功能，從而將GTP分解成cGMP。 精氨酸NO合成酶NO+瓜氨酸Ca2+/鈣調(diào)素 任何使Ca2+增加的因素都能增強NO合成酶的活性。cGMP的合成和降解 GTPGCcGMP PDECa2+ /Mg2+5- GMPPPiH2O 二、 cGMP信使體系 使有關(guān)蛋白或酶類的絲、蘇氨酸殘基磷酸化。生物學(xué)效應(yīng)ANP：松弛血管

22、平滑肌、利尿利鈉、降血壓。NO：松弛血管平滑肌、擴張血管。PKG的功能 cGMP作為第二信使調(diào)節(jié)細胞的生物學(xué)活性。（1）在視網(wǎng)膜光感受器上直接作用于離子通道；（2）在其他細胞，cGMP激活PKG。PKG通過磷酸化酶蛋白分子，調(diào)節(jié)細胞內(nèi)代謝。如從而舒張血管平滑肌。 例如，臨床上使用硝酸甘油治療心絞痛。氣體信號 例如：* NO合酶（NOS）通過氧化L-精氨酸的胍基而產(chǎn)生NO。 *血紅素單加氧酶氧化血紅素產(chǎn)生的CO。 視網(wǎng)膜細胞中光受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)Na+通道光信號磷酸二酯酶細胞膜cGMP5-GMPG蛋白光感受細胞光信號通過光感受細胞激活G蛋白，再激活磷酸二酯酶后者使cGMP分解為5-GMP，抑制c

23、GMP對Na+通道的活化，使細胞膜處于超極化狀態(tài)，以此傳遞興奮信息。幾種主要類型的酪氨酸激酶受體離子通道型受體細胞膜nAchR、谷氨酸受體甘氨酸受體、GABA-RGTP GDPG蛋白偶聯(lián)受體跨膜受體具有酶活性受體催化區(qū)酪氨酸蛋白激酶型受體絲/蘇氨酸蛋白激酶型受體酪氨酸蛋白磷酸酶型受體鳥氨酸環(huán)化酶型受體a亞基與GTP結(jié)合啟動信號轉(zhuǎn)導(dǎo)；與GDP結(jié)合信號轉(zhuǎn)導(dǎo)終止 配體(各種生長因子/胰島素)受體二聚體化 自磷酸化通過SH2結(jié)合位點偶聯(lián)（含有SH2結(jié)構(gòu)域）效應(yīng)蛋白GAS MOLECULE第五節(jié)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與疾病一、受體異常與疾病受體數(shù)量減少受體親和力降低受體阻斷型抗體的作用受體功能所需的協(xié)同因子或輔助因子缺