四川大學(xué)生物化學(xué) 細(xì)胞信息轉(zhuǎn)導(dǎo)課件

1、第十五章 細(xì)胞信息轉(zhuǎn)導(dǎo) Cell Signal Transduction概述外界環(huán)境變化時(shí): 單細(xì)胞生物: 直接作出反應(yīng) 多細(xì)胞生物: 通過(guò)細(xì)胞間信號(hào)傳遞系 統(tǒng)傳遞信息,使機(jī)體作為一個(gè)有機(jī) 的整體來(lái)應(yīng)對(duì)內(nèi)外環(huán)境的變化細(xì)胞間傳遞信息的方式: 相鄰細(xì)胞間的直接接觸 通過(guò)細(xì)胞分泌化學(xué)物質(zhì)來(lái)調(diào)節(jié)自身 和其他細(xì)胞的代謝和功能信息物質(zhì): 具有調(diào)節(jié)細(xì)胞生命活動(dòng)功能 的化學(xué)物質(zhì)裂隙連接 Stages of cell signaling Reception: target cell detection Transduction: single-step or series of changes Response

2、: triggering of a specific cellular response第一節(jié) 信息物質(zhì) Signaling Molecules 分類:(一) 神經(jīng)遞質(zhì) /突觸分泌信號(hào)(synaptic signal)特點(diǎn)：由神經(jīng)元突觸前膜釋放，作用時(shí)間較短 如:乙酰膽堿 去甲腎上腺素(二) 內(nèi)分泌激素 /內(nèi)分泌信號(hào)(endocrine signal)特點(diǎn)：由特殊分化的內(nèi)分泌細(xì)胞分泌，通過(guò)血液循環(huán)到達(dá)靶細(xì)胞, 作用時(shí)間較長(zhǎng)內(nèi)分泌激素的分類: 含氮激素: 多為水溶性分子,如胰島素 類固醇激素: 脂溶性分子, 包括各種性激 素、皮質(zhì)醇、醛固酮等(四) 氣體信號(hào): NO和CO(五) 其它： a. 自

3、分泌信號(hào)(autocrine signal): 對(duì)同種細(xì)胞或分泌細(xì)胞自身起調(diào)節(jié) 作用，如癌蛋白 b. 在不同的個(gè)體之間傳遞信息 如昆蟲的性激素二、細(xì)胞內(nèi)信息分子定義：指在細(xì)胞內(nèi)傳遞細(xì)胞調(diào)控信號(hào)的化學(xué)物質(zhì) 作用：將細(xì)胞接受的外來(lái)信息轉(zhuǎn)導(dǎo)至細(xì)胞內(nèi),又稱第二信使(secondary messenger)信號(hào)的接受信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)生物學(xué)效應(yīng)第二節(jié) 受體定義: 細(xì)胞膜上或細(xì)胞內(nèi)能特異識(shí)別生物活性分子并與之結(jié)合的成分，它能把識(shí)別和接受的信號(hào)正確無(wú)誤地放大并傳遞到細(xì)胞內(nèi)部，進(jìn)而引起生物學(xué)效應(yīng) 受體的化學(xué)本質(zhì)多為蛋白質(zhì)，個(gè)別是糖脂 配體(ligand): 能與受體特異性結(jié)合的生物活性分子一、受體的分類、結(jié)構(gòu)及功能膜受

4、體: 位于細(xì)胞質(zhì)膜上，多為鑲嵌 糖蛋白胞內(nèi)受體: 位于細(xì)胞漿和細(xì)胞核中, 為 DNA結(jié)合蛋白（一）膜受體按結(jié)構(gòu)和功能:環(huán)狀受體G-蛋白偶聯(lián)受體單個(gè)跨膜螺旋受體2. G蛋白偶聯(lián)受體 (G-protein coupled receptors, GPCR) 又稱七個(gè)跨膜的螺旋受體(1) 結(jié)構(gòu)與功能 參與細(xì)胞物質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)和基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控，配體包括多種激素和神經(jīng)遞質(zhì)guanylate binding protien活化型非活化型G protein activation/inactivation cycleb. 分類 激動(dòng)型G蛋白(stimulatory G protein, Gs): 激活A(yù)C 抑制型

5、G蛋白(inhibitory G protein, Gi) : 抑制AC 磷脂酶C型G蛋白(PI-PLC G protein, Gp) : 激活磷脂酰肌醇特異的磷脂酶C 3. 單個(gè)跨膜螺旋受體(1)酪氨酸蛋白激酶受體型 (催化型受體) a. 結(jié)構(gòu)：由單條肽鏈構(gòu)成 N端: 胞外配體結(jié)合區(qū) 中段: 跨膜區(qū)，含一個(gè)主要由疏水氨基酸 殘基構(gòu)成的螺旋 C端: 包括近膜區(qū)和功能區(qū)，功能區(qū)為酪 氨酸蛋白激酶結(jié)構(gòu)域，含ATP結(jié)合 位點(diǎn)和底物結(jié)合位點(diǎn)型型型型N端胞外配體結(jié)合區(qū)跨膜區(qū)C端功能區(qū)亞基亞基b. 分類TPK: tyrosine protein kinasec. 功能： 與配體結(jié)合后即可表現(xiàn)出酪氨酸蛋白激

6、酶活性，既能導(dǎo)致受體自身磷酸化，又可催化底物蛋白的特定酪氨酸殘基磷酸化； 與細(xì)胞的增殖、分化、分裂及癌變有關(guān)（2）非酪氨酸蛋白激酶受體型 本身不含酪氨酸蛋白激酶域，但與配體結(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(zhǎng)激素受體、干擾素受體(二) 胞內(nèi)受體1. 結(jié)構(gòu)： 單條肽鏈,包括四個(gè)區(qū)域： N端高度可變區(qū): 長(zhǎng)度不一, 具轉(zhuǎn)錄激活作用 DNA結(jié)合區(qū)：富含半胱氨酸并有鋅指結(jié)構(gòu) 鉸鏈區(qū)：可與轉(zhuǎn)錄因子相互作用, 并觸發(fā)受 體向核內(nèi)移動(dòng) C端激素結(jié)合區(qū)：結(jié)合配體二、受體作用的特點(diǎn)1. 高度專一性2. 高度親和力3. 可飽和性4. 可逆性5. 特定的作用模式 三、受體活性的調(diào)節(jié) 受體數(shù)目和受體

7、對(duì)配體的親和力受多種因素的影響(受體上調(diào)/ 下調(diào))常見調(diào)節(jié)機(jī)制: 磷酸化和脫磷酸化作用 膜磷脂代謝的影響 酶促水解作用 G蛋白的調(diào)節(jié)第三節(jié) 信息的轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑 Signal Transduction Pathway一、膜受體介導(dǎo)的信息轉(zhuǎn)導(dǎo)(一) cAMP-蛋白激酶途徑 該途徑以靶細(xì)胞內(nèi)cAMP濃度改變和蛋白激酶A (protein kinase A, PKA)的激活為主要特征, 是激素調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝的主要途徑 1. cAMP的合成與分解胰高血糖素腎上腺素促腎上腺皮質(zhì) 生長(zhǎng)激素抑制素胰島素抗血管緊張素II cAMP的濃度與腺苷酸環(huán)化酶的關(guān)系cAMP的濃度與磷酸二酯酶的關(guān)系a. 胰島素等激素能激活PDE

8、, 加速cAMP 降解b. 茶堿等藥物能抑制磷酸二酯酶活性， 促使細(xì)胞內(nèi)cAMP濃度升高 cAMP對(duì)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)作用主要通過(guò)激活PKA系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn) PKA, 一種cAMP 依賴性蛋白激酶2cAMP的作用機(jī)制3. PKA的作用(1) 對(duì)代謝的調(diào)節(jié)作用 以腎上腺素調(diào)節(jié)糖原分解的級(jí)聯(lián)反應(yīng)為例 （2）對(duì)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)作用 活化的PKA可通過(guò)催化細(xì)胞核內(nèi)某些轉(zhuǎn)錄因子磷酸化而調(diào)節(jié)其活性，從而誘導(dǎo)基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá) cAMP應(yīng)答元件 (cAMP response element ,CRE) cAMP應(yīng)答元件結(jié)合蛋白 (cAMP response element binding protein, CREB)

9、1) The -adrenergic receptor is a 7-transmembrane spanning protein. A negatively charged Asp residue on the 3rd transmembrane region (TM3), along with other charged, polar residues, allows a positively charged norepinephrine (NE) molecule to bind to the hydrophobic core of the receptor. (Click to see

10、 animation; click again for next step)2) Binding of NE causes the third intracellular loop (i3) of the receptor to change conformation and bind to the GDP-bound s subunit of the Gs protein.(Click to see animation; click again for next step)3) Binding of i3 to the s subunit of the Gs protein results

11、in a conformation change in s, causing GDP to dissociate and GTP to bind.(Click to see animation; click again for next step)4) The GTP-bound s subunit dissociates from the subunit and from the AR receptor and binds to adenyl cyclase (AC). (Meanwhile, norepinephrine may dissociate from the receptor,

12、but the s subunit can remain active for many seconds after this dissociation.)(Click to see animation; click again for next step)5) Activated adenyl cyclase produces many molecules of cAMP from ATP. (Click to see animation; click again for next step)6) After hydrolysis of GTP to GDP, the s subunit r

13、eturns to its original conformation, dissociates from AC (which then becomes inactive), and reforms the trimeric Gs protein complex. (Click to see animation; click again for next slide)GDPGTPTM1TM5TM4TM3TM2Asp - NE +NC-adrenergic receptorTM7TM6Gs proteinGDPsACi3 loopGTPsTM1TM5TM4TM3TM2NTM7TM6Asp - A

14、TPcAMPGDPsACcAMPcAMPcAMPCytoplasmExtracellular spaceRNA pol IICCcAMPcAMPcAMPcAMPPKACCRRCCCTATATBPDNACREBCREBPO4PO4CCBPCBPCREBCREBPO4PO4CBPCBPTranscription Begins 1) Protein kinase A (PKA) is a tetramer consisting of two regulatory (R) subunits and two catalytic (C) subunits. Binding of two cAMP mole

15、cules to each R subunit causes the C subunits to dissociate and become active. (Click to see animation; click again for next step)NucleusCytoplasm2) The active catalytic subunit of PKA travels into the nucleus and physphorylates CREB dimers located on DNA promoter regions. (Click to see animation; c

16、lick again for next step)3) CREB binding protein (CBP) can now bind to the phosphorylated CREB. This activated CREB/CBP complex comes in contact with and activates RNA polymerase II downstream on the DNA strand, enabling transcription of various genes. (CREB can also activate fos, regulating transcr

17、iption of slower-response genes.)(Click to see animation. Click again for next slide.)(二) Ca2+-依賴性蛋白激酶途徑1. Ca2+-磷脂依賴性蛋白激酶途徑 以IP3和DAG為第二信使的雙信號(hào) 途徑 2. Ca2+-鈣調(diào)蛋白途徑1. Ca2+-磷脂依賴性蛋白激酶途徑(1) IP3和DAG的生物合成和功能促甲狀腺釋放激素等2233功能：a. IP3: 與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和肌漿網(wǎng)特異的IP3受體 結(jié)合,促進(jìn)Ca2+的釋放b. DAG: 在磷脂酰絲氨酸和Ca2+的配合 下激活PKCPKC 一種Ca2+和磷脂依賴性蛋白激

18、酶,由單一多肽鏈構(gòu)成 C-末端: 親水的催化結(jié)構(gòu)域 N-末端: 疏水的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域，含Ca2+ , DAG, 磷脂酰絲氨酸和佛波酯的 結(jié)合位點(diǎn)Protein Kinase C (PKC) a large family: at least 12 different isoforms present as inactive, soluble proteins in the cytoplasm(2) PKC的生理功能a. 對(duì)代謝的調(diào)節(jié)作用 PKC被激活后，可引起一系列靶蛋白(如質(zhì)膜受體、膜蛋白和酶)的Ser/Thr殘基磷酸化b. 對(duì)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)作用PKC對(duì)基因的活化分早期反應(yīng)和晚期反應(yīng)兩個(gè)階段 Ca

19、2+-phospholipid dependent protein kinase pathway(DAG)2Ca2+-鈣調(diào)蛋白途徑 (Ca2+-CaM途徑）(1) CaM的結(jié)構(gòu)（2）Ca2+-CaM的功能a. 激活A(yù)C和PDE, 加速cAMP的生成和降解b. 參與調(diào)節(jié)PKA的激活和抑制c. 激活胰島素受體的酪氨酸蛋白激酶 活性(三) cGMP-蛋白激酶途徑1. cGMP的合成與降解2. cGMP的作用機(jī)制心鈉素(四) 酪氨酸蛋白激酶途徑1. TPK的分類 (1) 受體型TPK (2) 非受體型TPK型型型型N端胞外配體結(jié)合區(qū)跨膜區(qū)C端功能區(qū)亞基亞基TPK: tyrosine protein k

20、inase2. TPK的作用機(jī)制(1) 催化受體蛋白的Tyr磷酸化受體型TPKPDGF自身磷酸化(2) 受體中磷酸化的酪氨酸殘基被細(xì)胞內(nèi) 含SH2結(jié)構(gòu)域的連接物蛋白所識(shí)別a. SH2結(jié)構(gòu)域(src homology 2 domain): 與原癌基因src編碼的酪氨酸蛋白激酶區(qū)同源的一段氨基酸序列,可識(shí)別結(jié)合磷酸化的Tyrb. 作用機(jī)制： 酪氨酸磷酸化的受體通過(guò)連接蛋白偶聯(lián)其它酶蛋白，從而將胞外信息傳遞至細(xì)胞內(nèi)Adaptor protein：GRB2SH2 domainSrc homology 2 domain, binds phosphotyrosine- containing peptidesSH3 domain binds to polyproline-hel