細胞生物學(xué)課件第九章細胞通信和信號

CELLCOMMUNICATION第9章細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)目錄第一節(jié)基本概念第二節(jié)膜表面受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)①離子通道型受體介導(dǎo)②G蛋白耦聯(lián)型受體介導(dǎo)③酶耦聯(lián)的受體介導(dǎo)第三節(jié)胞內(nèi)受體介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)

甾類，NO第一節(jié)基本概念生命與非生命物質(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(yīng)其內(nèi)外部環(huán)境的變化，維持個體的生存；另一方面核酸和蛋白質(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。GenetranscriptionCellproliferationCellsurvivalCelldeathCelldifferentiationCellfunctionCellmotilityImmuneresponsesFUNCTIONS

OFCELLCOMMUNICATION一、幾個容易混淆的概念細胞信號發(fā)放（cellsignaling）：細胞釋放信號分子，將信息傳遞給其它細胞。細胞通訊（cellcommunication）：細胞發(fā)出的信息通過介質(zhì)傳遞到另一個細胞產(chǎn)生相應(yīng)反應(yīng)的過程。細胞識別（cellrecognition）：細胞之間通過細胞表面的信息分子相互作用，引起細胞反應(yīng)的現(xiàn)象。信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（signaltransduction）：指外界信號（如光、電、化學(xué)分子）作用于細胞表面受體，引起胞內(nèi)信使的濃度變化，進而導(dǎo)致細胞應(yīng)答反應(yīng)的一系列過程。二、細胞信號分子種類：短肽、蛋白質(zhì)、氣體分子（NO、CO）、氨基酸、核苷酸、脂類、膽固醇衍生物。特點：①特異性；②高效性；③可被滅活。水溶性信號分子（如神經(jīng)遞質(zhì)）不能穿過靶細胞膜，只能經(jīng)膜上的信號轉(zhuǎn)換機制實現(xiàn)信號傳遞，又稱第一信使（primarymessenger）。脂溶性信號分子（如甾類激素和甲狀腺素）可直接穿膜進入靶細胞，與胞內(nèi)受體結(jié)合形成激素-受體復(fù)合物，調(diào)節(jié)基因表達。第二信使（secondarymessenger）主要有：cAMP、cGMP、IP3、DG、Ca2+。作用：信號轉(zhuǎn)換、信號放大。三、受體（receptor）能夠識別和選擇性結(jié)合某種配體（信號分子）的大分子物質(zhì)，多為糖蛋白，至少包括兩個功能區(qū)域：配體結(jié)合區(qū)域和產(chǎn)生效應(yīng)的區(qū)域。受體的特征：①特異性；②飽和性；③高度的親和力。分為：細胞內(nèi)受體（intracellularreceptor）、細胞表面受體（cellsurfacereceptor）。細胞對信號的反應(yīng)不僅取決于其受體的特異性，而且與細胞的固有特征有關(guān)。有時相同的信號可產(chǎn)生不同的效應(yīng)，如Ach可引起骨骼肌收縮、降低心肌收縮頻率，引起唾腺細胞分泌。有時不同信號產(chǎn)生相同的效應(yīng)，如腎上腺素、胰高血糖素，都能促進肝糖原降解而升高血糖。四、蛋白激酶是一類磷酸轉(zhuǎn)移酶，能將ATP的γ磷酸基轉(zhuǎn)移到底物特定的氨基酸殘基上，使蛋白質(zhì)磷酸化。分為5類，其中了解較多的是蛋白酪氨酸激酶、蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶。作用：通過磷酸化調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的活性；通過蛋白質(zhì)的逐級磷酸化，使信號逐級放大，引起細胞反應(yīng)。Proteinkinases

五、細胞通訊的主要類型三種主要方式：細胞間隙連接、膜表面分子接觸通訊、化學(xué)通訊。（一）細胞間隙連接兩個相鄰的細胞以連接子（connexon）相聯(lián)系。連接子中央為直徑1.5nm的親水性孔道。允許小分子物質(zhì)如Ca2+、cAMP通過，有助于相鄰?fù)图毎麑ν饨缧盘柕膮f(xié)同反應(yīng)，如可興奮細胞的電耦聯(lián)現(xiàn)象（電緊張突觸）。connexon（二）膜表面分子接觸通訊即細胞識別（cellrecognition）。如：精子和卵子之間的識別，T與B淋巴細胞間的識別。（三）化學(xué)通訊細胞分泌一些化學(xué)物質(zhì)（如激素）至細胞外，作為信號分子作用于靶細胞，調(diào)節(jié)其功能，可分為4類。1.內(nèi)分泌（endocrine）：內(nèi)分泌激素隨血液循環(huán)輸至全身，作用于靶細胞。特點：①低濃度10-8-10-12M，②全身性，③長時效。2.旁分泌（paracrine）：信號分子通過擴散作用于鄰近的細胞。包括：①各類細胞因子（如表皮生長因子）；②氣體信號分子（如：NO）。3.突觸信號發(fā)放：神經(jīng)遞質(zhì)經(jīng)突觸作用于特定的靶細胞。4.自分泌（autocrine）：信號發(fā)放細胞和靶細胞為同類或同一細胞，常見于癌變細胞。第二節(jié)膜表面受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)膜表面受體主要有三類：①離子通道型受體（ion-channel-linkedreceptor）；②G蛋白耦聯(lián)型受體（G-protein-linkedreceptor）；③酶耦聯(lián)的受體（enzyme-linkedreceptor）。第一類存在于可興奮細胞。后兩類存在于大多數(shù)細胞，在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的早期表現(xiàn)為激酶級聯(lián)（kinasecascade）事件，即為一系列蛋白質(zhì)的逐級磷酸化，籍此使信號逐級傳送和放大。Cellsurfacereceptors受體本身為離子通道，即配體門通道（ligand-gatedchannel）。主要存在于神經(jīng)、肌肉等可興奮細胞，其信號分子為神經(jīng)遞質(zhì)。分為：

陽離子通道，如乙酰膽堿、谷氨酸和五羥色胺的受體；

陰離子通道，如甘氨酸和γ－氨基丁酸的受體。一、離子通道型受體ChemicalsynapseAcetylcholinereceptorThreeconformationoftheacetylcholinereceptorIon-channellinkedreceptorsinneurotransmissionG蛋白：即：trimericGTP-bindingregulatoryprotein。組成：αβγ三個亞基，

α和γ亞基屬于脂錨定蛋白。作用：分子開關(guān)，α亞基結(jié)合GDP處于關(guān)閉狀態(tài)，結(jié)合GTP處于開啟狀態(tài)。α亞基具有GTP酶活性，能催化所結(jié)合的ATP水解，恢復(fù)無活性的三聚體狀態(tài)，其GTP酶的活性能被GAP增強。

二、G蛋白耦聯(lián)型受體G蛋白耦聯(lián)型受體：7次跨膜蛋白，胞外結(jié)構(gòu)域識別信號分子，胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域與G蛋白耦聯(lián)，調(diào)節(jié)相關(guān)酶活性，在細胞內(nèi)產(chǎn)生第二信使。類型：①多種神經(jīng)遞質(zhì)、肽類激素和趨化因子的受體，②味覺、視覺和嗅覺感受器。相關(guān)信號途徑：cAMP途徑、磷脂酰肌醇途徑。GTP-bindingregulatoryprotein通過調(diào)節(jié)cAMP的濃度，將細胞外信號轉(zhuǎn)變?yōu)榧毎麅?nèi)信號。主要組分：①激活型受體（Rs）或抑制型受體（Ri）；②活化型調(diào)節(jié)蛋白（Gs）或抑制型調(diào)節(jié)蛋白（Gi）；G-proteinlinkedreceptor③

腺苷酸環(huán)化酶：跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，催化ATP生成cAMP。④蛋白激酶A（ProteinKinaseA，PKA）：由兩個催化亞基和兩個調(diào)節(jié)亞基組成。cAMP與調(diào)節(jié)亞基結(jié)合，使調(diào)節(jié)亞基和催化亞基解離，釋放出催化亞基，激活蛋白激酶A的活性。⑤環(huán)腺苷酸磷酸二酯酶（cAMP

phosphodiesterase,PDE）：降解cAMP生成5’-AMP，起終止信號的作用。DegredationofcAMPGs調(diào)節(jié)模型:激素與Rs結(jié)合，Rs構(gòu)象改變，與Gs結(jié)合，Gs的α亞基排斥GDP，結(jié)合GTP而活化，Gs解離出α和βγ。α亞基活化腺苷酸環(huán)化酶，將ATP轉(zhuǎn)化為cAMP。βγ亞基復(fù)合物也可直接激活某些胞內(nèi)靶分子。例：霍亂毒素能催化ADP核糖基共價結(jié)合到Gs的α亞基上，使α亞基喪失GTP酶的活性，處于持續(xù)活化狀態(tài)。導(dǎo)致霍亂病患者細胞內(nèi)Na+和水持續(xù)外流，產(chǎn)生嚴(yán)重腹瀉而脫水。cAMP信號途徑可表示為：激素→G蛋白耦聯(lián)受體→G蛋白→腺苷酸環(huán)化酶→cAMP

→依賴cAMP的蛋白激酶A→基因調(diào)控蛋白磷酸化→基因轉(zhuǎn)錄。不同細胞對cAMP信號途徑的反應(yīng)速度不同：在肌肉細胞，1秒鐘內(nèi)可啟動糖原降解為葡糖1-磷酸，而抑制糖原合成。在某些分泌細胞，需要幾個小時，激活的PKA進入細胞核，將CRE結(jié)合蛋白磷酸化，調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達。CRE（cAMPresponseelement）是DNA上的調(diào)節(jié)區(qū)域。GlycogenbreakdowninskeletalmusclecAMPactivateproteinkinaseA,whichphosphorylateCREB（CREbindingprotein）proteinandinitiategenetranscription.CREiscAMPresponseelementinDNA.Gi調(diào)節(jié)模型①通過α亞基與腺苷酸環(huán)化酶結(jié)合，直接抑制酶的活性；②通過βγ亞基復(fù)合物與游離Gs的α亞基結(jié)合，阻斷Gs的α亞基對腺苷酸環(huán)化酶的活化。百日咳毒素抑制Gi的活性。胞外信號分子與細胞表面G蛋白耦聯(lián)受體結(jié)合，激活質(zhì)膜上的磷脂酶C（PLC-β），使質(zhì)膜上4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和二?；视停╠iacylglycerol,

DG）。DG激活蛋白激酶C（PKC），繼而激活不同底物蛋白絲氨酸或蘇氨酸磷酸化。IP3開啟胞內(nèi)IP3門控鈣通道，Ca2+濃度升高，激活鈣調(diào)蛋白。(鈣火花)（二）磷脂酰肌醇途徑Inositol

phospholipidsignalingMimickedbyionomycinPIP2Hydrolysis鈣調(diào)蛋白（calmodulin，CaM）：結(jié)合鈣離子將靶蛋白（如：CaM-Kinase）活化。蛋白激酶C位于細胞質(zhì)，Ca2+濃度升高時，PKC轉(zhuǎn)位到質(zhì)膜內(nèi)表面，被DG活化，PKC屬蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶。

IP3信號的終止：通過去磷酸化形成IP2、或磷酸化為IP4。Ca2+被質(zhì)膜上的鈣泵和Na+-Ca2+交換器抽出細胞，或被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的鈣泵抽回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。DG終止信使作用途徑：一被DG激酶磷酸化成為磷脂酸，進入磷脂酰肌醇循環(huán)；二是被DG酯酶水解成單酯酰甘油。ControlsonCytosolicCalcium（三）其它G蛋白偶聯(lián)型受體1．化學(xué)感受器中的G蛋白存在于嗅覺和味覺化學(xué)感受器中，類型繁多，不同細胞具有不同的受體，感受不同的氣味。氣味分子與G蛋白偶聯(lián)型受體結(jié)合，可激活腺苷酸環(huán)化酶，產(chǎn)生cAMP，開啟cAMP門控陽離子通道（cAMP-gatedcationchannel），引起鈉離子內(nèi)流，膜去極化，產(chǎn)生神經(jīng)沖動，最終形成嗅覺或味覺。2．視覺感受器中的G蛋白黑暗條件下視桿細胞中cGMP濃度較高，cGMP門控鈉離子通道開放，鈉離子內(nèi)流，膜去極化，突觸持續(xù)向次級神經(jīng)元釋放遞質(zhì)。有光時cGMP濃度下降的負效應(yīng)起傳遞光刺激的作用。光信號→Rh激活→Gt活化→cGMP磷酸二酯酶激活→胞內(nèi)cGMP減少→Na+離子通道關(guān)閉→離子濃度下降→膜超極化→神經(jīng)遞質(zhì)釋放減少→視覺反應(yīng)。視紫紅質(zhì)（rhodopsin,Rh）為7次跨膜蛋白，由視蛋白和視黃醛組成。RoleofcGMPinPhotoreceptionG蛋白偶聯(lián)型受體的鈍化細胞通過受體鈍化適應(yīng)持續(xù)刺激：①受體失活（receptorinactivation）；②受體隱蔽（receptorsequestration）；③受體下行調(diào)節(jié)（receptordown-regulation）。小G蛋白（SmallGProtein）因分子量只有20~30KD而得名，同樣具有GTP酶活性，起分子開關(guān)作用。類型：Ras、Rho、SEC4、YPT1、微管蛋白β亞基。特點：結(jié)合GTP活化、GTP水解成為GDP時（自身為GTP酶）則回復(fù)到非活化狀態(tài)。其功能與Gα類似。調(diào)節(jié)因子：鳥苷酸交換因子（GEF）、鳥苷酸解離抑制因子（GDI）、GTP酶活化蛋白（GAP）等。（四）小G蛋白分為兩種情況：本身具有激酶活性，如EGF，PDGF，CSF等的受體；本身沒有酶活性，但可以連接非受體酪氨酸激酶，如細胞因子受體超家族。已知六類：①受體酪氨酸激酶、②受體絲氨酸/蘇氨酸激酶、③受體酪氨酸磷脂酶、④酪氨酸蛋白激酶連接的受體、⑤受體鳥苷酸環(huán)化酶、⑥組氨酸激酶連接的受體（與細菌的趨化性有關(guān)）。三、酶耦聯(lián)型受體

enzymelinkedreceptor酶偶聯(lián)型受體的共同點：①單次跨膜蛋白；②接受配體后發(fā)生二聚化，起動下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。（一）受體酪氨酸激酶1、酪氨酸激酶①胞質(zhì)酪氨酸激酶：如Src、Tec、ZAP70、JAK；②核內(nèi)酪氨酸激酶：如：Abl、Wee；③受體酪氨酸激酶（RPTKs）：為單次跨膜蛋白，配體（如EGF）與受體結(jié)合。導(dǎo)致二聚化，二聚體內(nèi)彼此相互磷酸化胞內(nèi)段酪氨酸殘基。Receptor

tyrosinekinasesReceptortyrosinekinases2、信號分子間的識別結(jié)構(gòu)域SH2結(jié)構(gòu)域（SrcHomology2結(jié)構(gòu)域）：介導(dǎo)信號分子與含磷酸酪氨酸蛋白分子的結(jié)合。SH3結(jié)構(gòu)域（SrcHomology3結(jié)構(gòu)域）：介導(dǎo)信號分子與富含脯氨酸的蛋白分子的結(jié)合。PH結(jié)構(gòu)域（PleckstrinHomology結(jié)構(gòu)域）：與磷脂類分子PIP2、PIP3、IP3等結(jié)合。受體酪氨酸激酶介導(dǎo)的信號途徑主要有RAS途徑、PI3K途徑、磷脂酰肌醇途徑等。

RPTK結(jié)合信號分子，形成二聚體，并發(fā)生自磷酸化，活化的RPTK激活RAS，RAS引起蛋白激酶的磷酸化級聯(lián)反應(yīng)，最終激活有絲分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activatedproteinkinase，MAPK），活化的MAPK進入細胞核，可使許多底物蛋白的絲氨酸/蘇氨酸殘基磷酸化，如將Elk-1激活，促進c-fos，c-jun的表達。3、RAS信號途徑RPTK-Ras信號途徑可概括如下：配體→RPTK→adaptor→GEF→Ras→Raf（MAPKKK）→MAPKK→MAPK→進入細胞核→轉(zhuǎn)錄因子→基因表達。Ras釋放GDP需要鳥苷酸交換因子（GEF，如Sos）參與；Sos有SH3結(jié)構(gòu)域，但沒有SH2結(jié)構(gòu)域，不能直接和受體結(jié)合，需要接頭蛋白（如Grb2）的連接。Ras的GTP酶活性不強，需要GAP的參與。Ras-GEFRafisaPKthattriggersMAP-Kpathwayc-fos,c-junCellproliferationRPTK-RasPathway

MEKHomosapiensMAPkinase

kinaseMitogen-activatedproteinkinases（MAPK）includethreesubgroups,extracellular-signal-regulatedkinase（ERK）,c-Junaminoterminal

kinase（JNK）andp38MAPK.RPTK-RasPathwayPI3KPATHWAYPDKisphosphoinositoldependentkinaseAktisPKB,influencecellsurvival配體是轉(zhuǎn)化生長因子-βs。（transforminggrowthfactor-βs，TGF-βs。）家族成員。包括TGF-β1-5。依細胞類型不同，可抑制細胞增殖、刺激胞外基質(zhì)合成、刺激骨骼的形成、通過趨化性吸引細胞、作為胚胎發(fā)育過程中的誘導(dǎo)信號等。（二）受體絲氨酸/蘇氨酸激酶作用：使特異的胞內(nèi)信號蛋白的磷酸酪氨酸殘基去磷酸化，控制磷酸酪氨酸殘基的壽命，使靜止細胞具有較低的磷酸酪氨酸殘基的水平。與酪氨酸激酶一起協(xié)同工作，如參與細胞周期調(diào)控。白細胞表面的CD45屬這類受體，對具體配體尚不了解。和酪氨酸激酶一樣存在胞質(zhì)酪氨酸磷酯酶。（三）受體酪氨酸磷酯酶分布在腎和血管平滑肌細胞表面，配體為心房排鈉肽（atrial

natriureticpeptide，ANP）或BNP。當(dāng)血壓升高時，心房肌細胞分泌ANP，促進腎細胞排水、排鈉，同時導(dǎo)致血管平滑肌細胞松弛，結(jié)果使血壓下降。信號途徑為：配體→受體鳥苷酸環(huán)化酶→cGMP→依賴cGMP的蛋白激酶G（PKG）→靶蛋白的絲氨酸/蘇氨酸殘基磷酸化而活化。（四）受體鳥苷酸環(huán)化酶包括各類細胞因子（如干擾素）的受體，在造血細胞和免疫細胞通訊上起作用。受體本身不具有酶活性，但可連接胞內(nèi)酪氨酸蛋白激酶（如JAK），信號途徑為JAK－STAT或RAS途徑。JAK（janus

kinase）屬非受體酪氨酸激酶家族。JAK的底物為STAT，即信號轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激活子（signaltransducerandactivatoroftranscription，STAT）。（五）細胞因子受體超家族JAK/STATPathway1.配體與受體結(jié)合導(dǎo)致受體二聚化；2.二聚化受體激活JAK；3.JAK將STAT磷酸化；4.STAT形成二聚體，暴露出入核信號；5.STAT進入核內(nèi)，調(diào)節(jié)基因表達。第三節(jié)胞內(nèi)受體介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)細胞內(nèi)受體的本質(zhì)是激素激活的基因調(diào)控蛋白。細胞內(nèi)