生化細胞信號傳導課件

細胞信號轉(zhuǎn)導CellularSignalTransduction生命與非生命物質(zhì)最顯著的區(qū)別在于生命是一個完整的自然的信息處理系統(tǒng)。一方面生物信息系統(tǒng)的存在使有機體得以適應其內(nèi)外部環(huán)境的變化，維持個體的生存；另一方面信息物質(zhì)如核酸和蛋白質(zhì)信息在不同世代間傳遞維持了種族的延續(xù)。生命現(xiàn)象是信息在同一或不同時空傳遞的現(xiàn)象，生命的進化實質(zhì)上就是信息系統(tǒng)的進化。

單細胞生物通過反饋調(diào)節(jié)，適應環(huán)境的變化。多細胞生物則是由各種細胞組成的細胞社會，除了反饋調(diào)節(jié)外，更有賴于細胞間的通訊與信號傳導，以協(xié)調(diào)不同細胞的行為，如：①調(diào)節(jié)代謝:通過對代謝相關(guān)酶活性的調(diào)節(jié)，控制細胞的物質(zhì)和能量代謝；②實現(xiàn)細胞功能：如肌肉的收縮和舒張，腺體分泌物的釋放；③調(diào)節(jié)細胞周期：使DNA復制相關(guān)的基因表達，細胞進入分裂和增殖階段；④控制細胞分化：使基因有選擇性地表達，細胞不可逆地分化為有特定功能的成熟細胞；⑤影響細胞的存活。細胞信號傳導是指特定的化學信號在靶細胞內(nèi)的傳遞過程。細胞信號傳導是指特定的化學信號在靶細胞內(nèi)的傳遞過程。生命現(xiàn)象的重大活動，包括基因表達、分化、生長發(fā)育、細胞增殖、細胞凋亡和免疫等都與信號傳導有關(guān)。細胞信號傳導影響細胞各方面的功能：影響酶活性——代謝過程。影響細胞骨架的裝配——細胞運動、細胞形態(tài)及物質(zhì)運輸改變離子通道——改變膜電位影響DNA合成起始(限速步驟）影響基因表達——激活/阻遏生存依賴精細調(diào)控的細胞間、細胞內(nèi)分子通訊網(wǎng)絡:內(nèi)環(huán)境的恒穩(wěn)態(tài)。研究細胞信號傳導相關(guān)物質(zhì)獲得了很多諾貝爾獎細胞信號傳導的基本路線細胞通訊的三種方式及其反應概括地說：根據(jù)細胞通訊的特點可以分為三類：1.直接接觸：細胞與細胞之間通過質(zhì)膜表面直接的粘合和附著實現(xiàn)信息的交流。2.直接聯(lián)系:相鄰細胞之間形成細胞通道實現(xiàn)生物大分子的交流。如細胞間連絲，可以直接進行細胞質(zhì)的直接交流。這對多細胞生物的發(fā)育和形態(tài)檢查是非常重要的。3.間接聯(lián)系：真核細胞之間通訊的主要方式，主要方式是以配體和受體的結(jié)合起始信號的傳遞。三種類型的膜受體(細胞表面受體)

離子通道關(guān)聯(lián)受體

有細胞內(nèi)催化結(jié)構(gòu)域的酶聯(lián)受體

細胞內(nèi)受體

受體作用的特點A受體分子的立體構(gòu)型決定受體的特異性B配體具備高度親和力C受體被配體完全結(jié)合后呈現(xiàn)可飽和性D受體與配體的結(jié)合及解離在可逆的動態(tài)平衡中E調(diào)節(jié)性基于受體的磷酸化與非磷酸

根據(jù)信號分子的作用部位可以將其分為三大類：第一信使：細胞外的信號分子通過各自的特異受體作用于靶細胞。第二信使：指受體被激活后在細胞內(nèi)產(chǎn)生的、能介導信號轉(zhuǎn)導通路的活性物質(zhì)。

第二節(jié)細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導相關(guān)分子第二信使的3個特點：①受胞外信號作用后，發(fā)生迅速而短暫的增加或減少；②對胞外信號具有放大作用，以致微小的刺激就可以產(chǎn)生明顯的生物學效應；③激活靶蛋白或酶，誘發(fā)細胞內(nèi)相應的一組程序化反應。第三信使：負責細胞核內(nèi)外信息傳遞的物質(zhì)稱為第三信使。是一類與靶基因特異性序列相結(jié)合的核蛋白，可調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄水平。有以下特點；①受刺激后在數(shù)分鐘內(nèi)表達，是即刻早期基因產(chǎn)物；②轉(zhuǎn)錄是短暫的，不依賴于新（denovo)蛋白質(zhì)合成；③表達產(chǎn)物的半衰期短；④蛋白質(zhì)產(chǎn)物受Ser/Thr蛋白激酶（PKA）等磷酸化修飾；⑤成熟的蛋白質(zhì)一旦成熟就進入核內(nèi)，很難在細胞質(zhì)中檢測到。細胞信號轉(zhuǎn)導主要途徑模式圖IP3:三磷酸肌醇；DG：二酰甘油；PKA：依賴cAMP的蛋白激酶；PKC：依賴Ca與磷脂的蛋白激酶；CaM.PK：依賴Ca.CaM.d蛋白激酶；CDPK：依賴Ca的蛋白激酶；MAPK：有絲分裂原蛋白激酶；JAK；另一種蛋白激酶；TF：轉(zhuǎn)錄因子這個大大簡化了的模式圖中，每種信號看來都是從上游到下游線性傳遞，彼此間似乎并無聯(lián)系。實際上細胞信號傳遞途徑是一個復雜的網(wǎng)絡系統(tǒng)。多數(shù)信號分子可激活不同的信號途徑，如溶血磷脂酸受體至少與3種不同的G蛋白和4條信號通路相連。幾個不同的信號途徑可激活同一蛋白激酶，不同蛋白激酶的靶蛋白以及不同轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控的靶基因發(fā)生重疊的情況更是屢見不鮮。通過這些共同作用的效應分子，不同的信號途徑交織整合成一個錯綜復雜的網(wǎng)絡系統(tǒng)。圖中信號的線性傳遞只是為了便于初學者了解信息流動中的傳承關(guān)系而采用的權(quán)宜之法。細胞信號傳導的一般過程1、啟動配體與受體結(jié)合，啟動膜內(nèi)側(cè)級聯(lián)反應，將信號傳給第二信使分子。2、放大和整合多種信使分子通過不同通路激活一系列蛋白激酶傳遞信息，實現(xiàn)信號的放大與整合。3、效應信號分子或轉(zhuǎn)錄因子進入細胞核，與基因相互作用，調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成或細胞分泌、運動、形態(tài)變化和凋亡。4、終止通過負反饋途徑，活化抑制因子或滅活因子，終止信號的啟動作用。第二信使蛋白激酶酶蛋白DNAmRNA轉(zhuǎn)錄因子細胞生理功能的調(diào)節(jié)圖7-2細胞信號傳導的主要分子途徑

一.促使第二信使產(chǎn)生的G蛋白：

G蛋白是鳥苷酸結(jié)合蛋白（guanosinenucleotide-bindingprotein）的簡稱。G蛋白是一類能與膜受體偶聯(lián)而具有信號轉(zhuǎn)導作用的蛋白質(zhì)。G蛋白通過與GTP結(jié)合激活效應器產(chǎn)生第二信使或與GDP結(jié)合而喪失激活效應器的功能。，G蛋白

1971年，Rodbell發(fā)現(xiàn)胰高血糖素激活大鼠cAMP需要GTP存在，提出受體與效應器之間應存在一個轉(zhuǎn)換器。1977年，Ross和Gilman證實此轉(zhuǎn)換器為G蛋白。1980年，Gilman和他的同事純化了Gs蛋白。此后十多年，G蛋白及其偶聯(lián)受體以及其介導的信號轉(zhuǎn)導通路迅速發(fā)展。Rodbell和Gilman獲得1994年諾貝爾醫(yī)學和生理學獎。（細胞表面受體）

吉爾曼（AlfredG.Gilman）1941.7.1~

德克薩斯大學西南醫(yī)學中心藥學系TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1994“fortheirdiscoveriesofG-proteinsandtheroleoftheseproteinsinsignaltransductionincells”德克薩斯大學西南醫(yī)學中心藥學

發(fā)現(xiàn)G蛋白的意義：

通過G蛋白介導，將受體接受的信號傳遞給效應物，產(chǎn)生第二信使，在細胞內(nèi)將信號放大。

它揭示了細胞外信號如何轉(zhuǎn)換為細胞內(nèi)信號的真正機制，從而開辟了細胞信號跨膜轉(zhuǎn)導研究的新時代。

G蛋白由三個亞基組成,100kD左右：G：39~46kD，20多種，有GTP或GDP結(jié)合位點、GTP酶活性、ADP核糖基化位點、毒素修飾位點及受體和效應器結(jié)合位點等。G：36kD，6種。G：7~8kD，10多種?？梢杂猩锨ХN組合。

在天然電泳中β與γ仍緊密結(jié)合在一起。

G蛋白有兩種構(gòu)象形式：活化型：G與GTP結(jié)合，與G分離。非活化型：G與GDP結(jié)合，與G結(jié)合成三聚體。

G蛋白基本結(jié)構(gòu)位于細胞膜的胞漿側(cè)。G蛋白介導的跨膜信號轉(zhuǎn)導模型

①當異三聚體型G蛋白的α亞基與GDP結(jié)合，并構(gòu)成αβγ三聚體時呈無活性狀態(tài)。②當配體與膜受體結(jié)合后，受體的構(gòu)象發(fā)生變化，與Gα相互作用，GDP從Gα脫落而與GTP結(jié)合，G蛋白被激活。③Gα與βγ亞基分離，分別與效應蛋白（酶）發(fā)生作用。④Gα的GTPase將GTP水解為GDP，Gα重新與βγ亞基結(jié)合而失活。

活化型非活化型在這個模型中，Gs穿梭于膜上兩個蛋白質(zhì)--受體與腺苷酸環(huán)化酶之間，起了一個信號傳遞者的作用，而Gs上結(jié)合GTP-GDP循環(huán)在激活-滅活環(huán)化酶中起了關(guān)鍵作用。G蛋白通過AC的信號轉(zhuǎn)導機制1.信號分子結(jié)合改變受體構(gòu)象；2.受體與G蛋白結(jié)合并使其激活；3.GTP取代GDP，G游離；4.G結(jié)合并激活AC，產(chǎn)生cAMP；5.GTP水解，G與再結(jié)合。

2.G蛋白的種類Gs型與Gi型G蛋白的作用

1.Gs型G蛋白：能夠激活腺苷酸環(huán)化酶的G蛋白稱為Gs,激活腺苷酸環(huán)化酶（AC），激活鈣通道，抑制鈉通道。2.Gi型G蛋白：對該酶有抑制作用的稱為Gi。

抑制AC，抑制鈣通道，活化鉀通道、PLC和PLA。

Gs可激活AC，而Gi可抑制AC，從而改變細胞中第二信使——cAMP的含量來傳遞信息

Gt型G蛋白分布在視網(wǎng)膜的感光細胞，與視紫紅質(zhì)結(jié)合，激活cGMP-PDE，傳遞光反應沖動。

Gg、

Go及Gq型G蛋白Gg是味蕾組織中的一種G蛋白，與味覺的信號轉(zhuǎn)導有關(guān)。Go存在于腦組織中，能調(diào)節(jié)磷脂代謝，可能與肌醇磷酸信號轉(zhuǎn)導有關(guān)。

Gq與磷脂代謝有關(guān)，其活性不受細胞毒素的修飾。

G蛋白的βγ亞基活化的βγ亞基復合物也可直接激活胞內(nèi)靶分子，具有傳遞信號的功能。如心肌細胞中G蛋白偶聯(lián)受體在乙酰膽堿刺激下，活化的βγ亞基復合物能開啟質(zhì)膜上的K+通道，改變心肌細胞的膜電位。G蛋白偶聯(lián)受體能激活心肌質(zhì)膜的K+離子通道α亞基中的GTP水解，導致α亞基與β、γ亞基重新結(jié)合，使G蛋白處于非活性狀態(tài)，使K+離子通道關(guān)閉。乙酰膽堿與心肌細胞的膜受體結(jié)合，使得G蛋白的α亞基與β、γ亞基分開;激活的β、γ亞基復合物同K+離子通道結(jié)合并將K+離子通道打開3.G蛋白的效應分子G蛋白的效應物：離子通道、腺苷酸環(huán)化酶、磷脂酶C、磷脂酶A2等這些酶的活化將導致分散的信號分子如cAMP、cGMP、甘油二酯和三磷酸肌醇以及Ca2+的濃度改變，這些分子將觸發(fā)更多的特異反應。G蛋白調(diào)節(jié)離子通道的開放，將導致膜電位的改變，從而改變離子環(huán)境，特別是Ca2+濃度的改變。調(diào)節(jié)cGMP-磷酸二酯酶的活性

（RegulatingtheActivityofcGMP-PDE）

光照→視紫紅質(zhì)分解→Gt↑→cGMP-PDE↑→cGMP↓→鈉通道關(guān)閉。調(diào)節(jié)通道蛋白的功能

（RegulatingtheFunctionsofChannelProtein）

異三聚體型G蛋白可參與鈣通道、鈉通道及鉀通道功能的調(diào)節(jié)。如Gs可激活鈣通道，抑制鈉通道；Gi可抑制鈣通道，激活鉀通道。

G蛋白作用機制調(diào)節(jié)蛋白激酶的活性

（RegulatingActivityofProteinKinase）

單體型G蛋白可調(diào)節(jié)RNA或蛋白質(zhì)在細胞內(nèi)外或核內(nèi)外的轉(zhuǎn)運過程。小分子單體型G蛋白，如Ras等，主要與細胞生長、分化及凋亡調(diào)控等信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)相關(guān)蛋白激酶構(gòu)成復合體，從而調(diào)節(jié)其酶活性。

霍亂毒素（choleratoxin）實驗霍亂毒素能催化ADP核糖基共價結(jié)合到Gs的亞基上，致使亞基喪失GTP酶的活性，使亞基處于持續(xù)活化狀態(tài)，腺苷酸環(huán)化酶永久性活化。導致霍亂病患者細胞內(nèi)Na+和水持續(xù)外流，產(chǎn)生嚴重腹瀉而脫水。

GsNAD+ADP-ribosylation

Nicotinamide22-kDsubunitofcholeratoxin腺苷腺苷

百日咳毒素（Pertussistoxin）作用百日咳毒素能催化Gi發(fā)生ADP核糖基化，致使亞基的GDP與GTP交換抑制，使亞基處于持續(xù)非活化狀態(tài)，因此不能抑制AC，使cAMP濃度升高。導致患兒陣發(fā)性痙攣性咳嗽，即百日咳(whoopingcough)。4.G蛋白有三種輔助因子1.G蛋白信號調(diào)節(jié)子/GTP酶激活蛋白（GAP）(regulatorofG-proteinsignaling，RGS)2.鳥苷酸交換因子（GEF)3.鳥苷酸解離因子（GDI)G蛋白信號調(diào)節(jié)因子

（regulatorofG-proteinsignaling，RGS）

RGS能夠直接與激活的Gα亞基結(jié)合,顯著刺激Gα亞基上的GTP酶活性,加速GTP水解,從而滅活或終止G蛋白信號的一組分子大小各異的多功能蛋白質(zhì)家族.它們都共同擁有一個130個氨基酸的保守的RGS結(jié)構(gòu)域,其功能是結(jié)合激活的Gα亞基,負調(diào)節(jié)G蛋白信號.許多RGS蛋白還擁有非RGS結(jié)構(gòu)域,能夠結(jié)合其它信號蛋白,從而整合和調(diào)節(jié)G蛋白信號之間以及G蛋白和其它信號系統(tǒng)之間的關(guān)系.RGS能在Mg2＋的存在下，激活G蛋白的GTP酶，因此又叫GTP酶激活蛋白（GTPaseactivatingprotein，GAP）。G蛋白受體有100多個基因，設計的信號分子很多大多是激素，還有一些化學引誘劑，如嗅覺，味覺，視覺等，很多藥物是通過這種信號傳遞通路，尋找不同的靶位點而設計的。G蛋白受體的活化雖然是相似的機制，但會引發(fā)不同的反應。主要是受體本身有很多異構(gòu)體，是引發(fā)信號傳導多樣性的一個條件，同時G蛋白的三個亞基也有很多異構(gòu)體，會排列組合多種不同的G蛋白，腺苷酸環(huán)化酶也有很多異構(gòu)體，這樣就可以接受不同的信號，產(chǎn)生不同的細胞反應。G蛋白受體受體、G蛋白、效應蛋白和細胞效應受體脫敏有5種情況1.受體-信號復合物——內(nèi)吞變?yōu)榘麅?nèi)體——由于酸性環(huán)境受體與信號解體。（受體沒收）2.受體-信號復合物進入胞內(nèi)體后與溶酶體結(jié)合，酸性水解酶笑話受體和信號物質(zhì)（受體下調(diào)）3.受體被磷酸化，結(jié)合一個物質(zhì)后失活。4.受體蛋白結(jié)合一個信號傳遞過程中的產(chǎn)物被阻遏，失活。（副反饋抑制）5是指細胞外第一信使與其特異受體結(jié)合后，通過信息跨膜傳遞機制激活的受體，刺激膜內(nèi)特定的效應酶或離子道，而在胞漿內(nèi)產(chǎn)生的信使物質(zhì)。這種胞內(nèi)信息分子起到將胞外信息傳導、放大、變?yōu)榧毎麅?nèi)信息的作用。從分子學意義上講，細胞內(nèi)信息傳遞過程是以細胞內(nèi)蛋白質(zhì)磷酸化與脫磷酸化為基礎(chǔ)，依次引起構(gòu)型的變化和功能的改變，以實現(xiàn)信息的傳遞。

第二信使第二信使實際上是指生命信息跨膜傳遞體系。不同組織的不同細胞雖有很大差異，但總體可以分為三類：1.cAMP和cGMP信使體系2.DAG和IP3-Ca2+信使體系3.No-cGMP信使體系sutherland發(fā)現(xiàn)第二信使而獲得1971諾貝爾獎(1)、cAMP發(fā)現(xiàn)第二信使獲得1971年的諾貝爾醫(yī)學和生理學獎細胞內(nèi)的化學信號（第二信使）第二信使生成酶功能cAMPAC活化PKAcGMPGC活化PKGDAG/DGPLC活化PKCIP3PLC調(diào)節(jié)Ca2+釋放Ca2+調(diào)節(jié)CaM-PK等神經(jīng)酰胺神經(jīng)鞘氨酯酶調(diào)節(jié)磷酸酯酶等cADPRADP核糖環(huán)化酶調(diào)節(jié)Ca2+釋放NONOS調(diào)節(jié)GC（磷脂酶C）（合酶）鳥環(huán)酶利鈉肽

腺苷酸環(huán)化酶(adenylatecyclase，AC)是膜整合蛋白，能夠?qū)TP轉(zhuǎn)變成cAMP，引起細胞的信號應答。cAMP激活蛋白激酶AcAMP-PKA通路調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄被cAMP激活的PKA,大多數(shù)在胞質(zhì)溶膠中激活一些細胞質(zhì)靶蛋白,少數(shù)被激活的PKA可以轉(zhuǎn)移到細胞核中磷酸化某些重要的核蛋白,其中多數(shù)是被稱為CREB(cAMPresponseelementbinding)的轉(zhuǎn)錄因子肝細胞對胰高血糖素和腎上腺素的應答糖原磷酸化酶處于信息傳遞鏈中段的蛋白質(zhì)磷酸化，除了對酶蛋白質(zhì)及生理代謝起直接調(diào)節(jié)外，還往往通過使轉(zhuǎn)錄因子磷酸化調(diào)節(jié)核內(nèi)的基因表達，由基因表達產(chǎn)物間接產(chǎn)生的影響更深刻，更具有主要的影響。cAMP信號的終止：

cAMP磷酸二酯酶(PDE)cAMP信號傳遞模型cGMP兩種鳥苷酸環(huán)化酶：mGC、sGC鳥苷酸環(huán)化酶GC及其配體cGMP作用的的靶分子PLC也是一個大家族查PI-3D的DAG與IP3：磷脂酰肌醇信號通路磷脂酶C-β催化PIP2水解生成DAG和IP3蛋白激酶C的激活過程及將要引起的應答蛋白激酶C激活特定基因的兩種途徑鈣調(diào)素的理化性質(zhì)

CaM是148個氨基酸組成的單鏈耐熱、酸性小分子可溶性球蛋白，分子量在16670D，

95℃加熱3min不致變性，pI=3.9~4.2。

Ca2+信號的生理功能（a）（b）鈣調(diào)素的鏈由4個域區(qū)（Ⅰ~Ⅳ）組成，每個域區(qū)結(jié)合1個Ca2+。每個結(jié)合位置由包含天冬氨酸和谷氨酸側(cè)鏈的環(huán)組成，側(cè)鏈與Ca2+形成離子鍵。蘇氨酸、絲氨酸、酪氨酸和天冬酰胺側(cè)鏈上的氧原子也參與和Ca2+的結(jié)合（引自張槐耀）當Ca2+與鈣調(diào)素結(jié)合后，鈣調(diào)素進行構(gòu)象改變，使之與其他蛋白結(jié)合，調(diào)節(jié)酶的活性。