第6章 細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

第六章細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)多細胞生物有很大的細胞之間的交流問題?HeyYou–dividenow!!!Oi!Weneedsomeglucose!Comein#7,yourtimeisup!WillyouPLEASEstopdividing!細胞通訊和識別細胞通訊細胞識別細胞信號細胞受體胞內(nèi)受體信號通路細胞表面受體信號通路信號通路

信號轉(zhuǎn)導(dǎo)胞內(nèi)受體細胞表面受體2001L.H.Hartwell,R.T.Hunt,P.M.NurseM&Pkeyregulatorsofthecellcycle2002S.Brenner,H.R.Horvitz,J.E.SulstonM&PApoptosis諾貝爾獎頒發(fā)給有關(guān)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究

6.1細胞通訊和識別

6.1.1細胞通訊a分泌化學(xué)信號b接觸性依賴的通訊c間隙連接一個細胞發(fā)出的信息通過介質(zhì)（配體）傳遞到另一個細胞并與靶細胞相應(yīng)的受體相互作用，然后通過細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)產(chǎn)生胞內(nèi)一系列生理生化變化，最終表現(xiàn)為細胞整體的生物學(xué)效應(yīng)，是多細胞生物必需的生理過程。Endocrinesignaling

-內(nèi)分泌

有內(nèi)分泌細胞分泌細胞信號分子到血液中，通過血液循環(huán)運送到體內(nèi)各個部位，作用于靶細胞。Paracrinesignaling–旁分泌

細胞通過分泌局部化學(xué)介質(zhì)到細胞外液中，經(jīng)過局部擴散到鄰近靶細胞。Autocrinesignaling–自分泌細胞對自身分泌的物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)

chemicalsnapticNeuronalsignaling

化學(xué)突觸神秘的化學(xué)信號？接觸依賴性通訊——直接接觸無需信號分子的釋放質(zhì)膜上的信號分子與靶細胞質(zhì)膜的受體分子相互作用包括細胞－細胞黏著和細胞－胞外基質(zhì)的黏著影響細胞分化的命運6.1.2細胞信號根據(jù)化學(xué)性質(zhì)分類是細胞內(nèi)的信息載體，種類繁多，包含化學(xué)信號和物理信號，在細胞內(nèi)和細胞間傳遞信息的化學(xué)信號分子有激素、局部介質(zhì)、神經(jīng)遞質(zhì)等。物理信號主要有光，電，溫度的變化。

疏水信號(Hydrophobic

signal)菑類激素，甲狀腺素，維生素D和視磺酸可以直接穿過細胞膜，與胞內(nèi)受體或者核受體結(jié)合親水信號(Hydrophilicsignal)

不能直接穿過細胞膜與細胞表面受體結(jié)合產(chǎn)生第二信史

氣體分子一氧化氮（NO）明星分子

首次發(fā)現(xiàn)的氣體信號分子，可以進入細胞激活效應(yīng)酶。6.2細胞受體

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。

胞內(nèi)受體

細胞表面受體

細胞核受體

受體受體(receptor)不進入細胞的細胞分子與細胞表面受體結(jié)合。進入細胞的信號分子與細胞內(nèi)受體結(jié)合。胞內(nèi)受體離子通道耦聯(lián)受體

openanionchannelinresponsetothesignalmolecule.G蛋白耦聯(lián)受體

activateanintracellularG-proteinthatinturnactivatesintracellularenzymes.酶聯(lián)受體

directlyactivateamembraneboundenzyme.三種細胞表面受體受體的結(jié)構(gòu)：受體至少包含2個功能區(qū)域：結(jié)合配體功能域結(jié)合特異性產(chǎn)生效應(yīng)功能域效應(yīng)特異性受體與配體結(jié)合的特征：①特異性；②飽和性；③高度的親和力；④可逆性；⑤生理效應(yīng)受體與信號分子的空間互補性是二者特異結(jié)合的主要因素，但二者的結(jié)合不是簡單的一一對應(yīng)的關(guān)系。靶細胞一方面通過受體對信號結(jié)合的特異性，另一方面通過細胞本身固有的特征對外界信號進行反應(yīng)。不同細胞對同一信號可能具有不同的受體，不同靶細胞以不同方式應(yīng)答于相同的化學(xué)信號產(chǎn)生不同的效應(yīng)。

受體與配體作用的復(fù)雜性：骨骼肌細胞收縮←乙酰膽堿→心肌細胞降低收縮頻率↓促進唾液腺細胞分泌

不同細胞具有相同的受體，不同的化學(xué)信號也可能產(chǎn)生相同的效應(yīng)。肝細胞腎上腺素受體+配體↓促進糖原降解、升高血糖↑肝細胞胰高血糖受體+配體一種細胞具有一套多種類型的受體，應(yīng)答多種不同的胞外信號而啟動細胞不同生物學(xué)效應(yīng)。6.3細胞信號識別細胞通過其表面受體與胞外信號物質(zhì)選擇性結(jié)合，導(dǎo)致胞內(nèi)一系列生理生化變化，最終表現(xiàn)為細胞整體的生物學(xué)效應(yīng)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

細胞外信號與細胞表面受體結(jié)合，在胞內(nèi)形成第二信史，由第二信史介導(dǎo)下游細胞發(fā)應(yīng)。第二信史和分子開關(guān)

第二信息至少有兩個特征:

是第一信息同其膜受體結(jié)合后最早在細胞膜內(nèi)側(cè)或胞漿中出現(xiàn)，僅在細胞內(nèi)部起作用的信息分子。能啟動或調(diào)節(jié)細胞內(nèi)稍晚出現(xiàn)的反應(yīng)。目前公認的第二信息有cAMP、DAG、IP3、cGMP和Ca2+分子開關(guān)蛋白（molecularswitchprotein）磷酸化使其活化，去磷酸化則失活

蛋白質(zhì)+GTP=活化

蛋白質(zhì)+GDP=失活6.3信號途徑（signalpathway）

6.3.1胞內(nèi)受體信號途徑親脂小分子與細胞內(nèi)受體結(jié)合細胞內(nèi)受體的本質(zhì)是激素激活的基因調(diào)控蛋白，構(gòu)成細胞內(nèi)受體超家族甾類激素信號途徑

初次應(yīng)答

二次應(yīng)答6.3.2細胞表面受體介導(dǎo)的信號途徑離子通道耦聯(lián)受體

openanionchannelinresponsetothesignalmolecule.G蛋白耦聯(lián)受體

activateanintracellularG-proteinthatinturnactivatesintracellularenzymes.酶聯(lián)受體

directlyactivateamembraneboundenzyme.（一）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的基本組成與信號蛋白1.細胞表面受體介導(dǎo)的信號途徑的主要步驟：

1）表面受體對信號的特異性識別第一信使通過適當(dāng)?shù)姆肿娱_關(guān)機制實現(xiàn)信號的跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)，產(chǎn)生第二信使。

2）信號放大過程細胞反應(yīng)由于受體的脫敏和受體下調(diào)。啟動反饋機制從而終止和降低細胞反應(yīng)。

表面受體：特異識別胞外信號。轉(zhuǎn)承蛋白：負責(zé)信息向下傳遞。信使蛋白：攜帶信號從一部分傳導(dǎo)另外一部分。接頭蛋白：連接信號蛋白。放大和轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白：酶和離子通道組成，介導(dǎo)信號級聯(lián)反應(yīng)傳感蛋白：負責(zé)不同形式信號的轉(zhuǎn)換。分歧蛋白：信號從一條途徑傳遞到另外一條途徑。整合蛋白：從多條通路接受信號并向下傳遞。潛在基因調(diào)控蛋白：在表面被受體活化，遷移導(dǎo)細胞核刺參與細胞表面到細胞核的通路蛋白激基因轉(zhuǎn)錄。（二）細胞內(nèi)信號蛋白的相互作用

受體通過細胞內(nèi)受體蛋白的相互作用組成不同的信號通路而傳播信號，這必然涉及信號蛋白之間精確互作。細胞內(nèi)信號蛋白的相互作用是依靠蛋白質(zhì)模式結(jié)合域特異性介導(dǎo)的。（三）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的主要特性

信號識別的特異性。信號的放大和終止或下調(diào)。細胞對信號的整合。第二節(jié)細胞內(nèi)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

一、細胞內(nèi)核受體及其對基因表達的調(diào)節(jié)1．細胞內(nèi)受體的本質(zhì)：受激素激活的基因調(diào)控蛋白；構(gòu)成細胞內(nèi)受體超家族。2．細胞內(nèi)受體的信號主要為親脂性小分子（類固醇激素、甲狀腺素、Vd以及視黃酸）傳遞的信號；可以通過簡單擴散跨越質(zhì)膜進入細胞。表現(xiàn)為影響細胞分化等長期效應(yīng)。3．細胞內(nèi)受體的結(jié)構(gòu)特點激素結(jié)合位點（位于C端）DNA或Hsp90結(jié)合位點（富含Cys，具有鋅指結(jié)構(gòu)）轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域（位于N端）4．細胞內(nèi)受體介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)機制：①受體與抑制性蛋白結(jié)合形成復(fù)合物，處于非活化狀態(tài)；②當(dāng)配體與受體結(jié)合后，抑制性蛋白從復(fù)合物上解離下來，受體被激活，暴露出DNA結(jié)合位點；③配體-受體復(fù)合物結(jié)合到特定的DNA序列——受體依賴的轉(zhuǎn)錄增強子，啟動基因的轉(zhuǎn)錄和表達。5．甾類激素作用機制初級反應(yīng)階段直接活化少數(shù)特殊基因，反應(yīng)迅速；次級反應(yīng)階段初級反應(yīng)的基因產(chǎn)物再活化其他基因，對初級反應(yīng)起放大作用。二、NO作為氣體信號分子進入靶細胞直接與酶結(jié)合

1.NO的性質(zhì)：氣體分子，具有脂溶性，可以快速擴散透過細胞膜，在體內(nèi)極不穩(wěn)定，易被氧化。

血管內(nèi)皮細胞和神經(jīng)細胞是生成NO的主要場所。沒有專門的儲存與釋放機制，作用于靶細胞的多少直接與NO的合成兩有關(guān)。1666年R．Furchgott等三位美國科學(xué)家因?qū)O信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制的研究而獲得諾貝爾生理和醫(yī)學(xué)獎。

一氧化氮合酶L-精氨酸————>NO+L-瓜氨酸

NADPH2.NO信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制：NO由一氧化氮合酶（NOS）催化合成后，擴散到鄰近細胞，與鳥苷酸環(huán)化酶（GC）活性中心結(jié)合，改變酶的構(gòu)象，導(dǎo)致酶活性增強和cGMP合成的增多；cGMP作為第二信使，介導(dǎo)蛋白質(zhì)的磷酸化過程，發(fā)揮多種生物學(xué)作用。3.硝化甘油與心絞痛早在100多年前就發(fā)現(xiàn)消化甘油可以治療心絞痛；硝化甘油可以在體內(nèi)轉(zhuǎn)化成NO，使血管松弛，從而減輕心臟的負荷，減少心肌對氧的需要。4.NO與學(xué)習(xí)記憶長時程增強是學(xué)習(xí)和記憶的分子基礎(chǔ)，長時程增強涉及神經(jīng)元間突觸重建，NO在這個過程中充當(dāng)了重要信使。

1994Nobelprize.胞外信號如何轉(zhuǎn)變?yōu)榘麅?nèi)信號的機制。G＋GTP=激活態(tài)（open）G＋GDP=失活態(tài)（close）第三節(jié)G蛋白耦聯(lián)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)G蛋白的結(jié)構(gòu)G蛋白耦聯(lián)的受體cAMPG蛋白耦聯(lián)受體介導(dǎo)離子通道的調(diào)控

4種亞形

結(jié)合GTP

激活第二信使.

極少可變

同樣可激活第二信使G蛋白的結(jié)構(gòu)Gi/oGsGqG12/13

抑制cAMP的產(chǎn)生抑制Ca2+

通道激活K+通道G-proteinsubtypes

增加cAMP的合成激活Ca2+

、K+通道激活PLC激活PKC(DAG)細胞內(nèi)Ca2+

的釋放(IP3)

在GPCRs和RhoA(GTPase)間傳遞信號

功能正在研究中小GTP結(jié)合蛋白Ras(growthfactorsignalcascades).Rab(vesicletargetingandfusion).ARF(formingvesiclecoatomercoats).Ran(transportofproteinsinto&outofthenucleus).Rho(regulationofactincytoskeleton)GL受體G蛋白信號胞外胞內(nèi)胞外胞內(nèi)COOH--NH2C1C2C3e1e2e3TM1TM2TM3TM4TM5TM6TM7DYR

G蛋白耦聯(lián)的受體

-S-S-與配體結(jié)合G蛋白作用部位cAMPATPcAMP+PPi

以cAMP為第二信使的信號通路

磷脂酰肌醇雙信使信號通路(Doublemessengerpathway)G蛋白耦聯(lián)的受體介導(dǎo)離子通道cAMP的亞單位RsandRiGSandGiCAMPenzymePKA下游基因表達蛋白激酶?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)。cAMP激活cAMP依賴的PKAPKAtranscriptionfactorCREB(CRE-bindingprotein)expressionofcAMP-induciblegenes.cAMP信號傳導(dǎo)的類型

①cAMP的效應(yīng)1——細胞質(zhì)功能

cAMP激活PKA，下游靶蛋白磷酸化，從而影響細胞代謝和細胞行為。是細胞快速應(yīng)答胞外信號的過程。如糖原分解。

PKA信號傳遞過程中信號的放大：一個激素分子→一個腺苷酸環(huán)化酶→大量的cAMP→每4個cAMP激活一個PKA→每個PKA使大量蛋白分子磷酸化

②cAMP的效應(yīng)2——細胞核功能激素→G蛋白受體→G蛋白→腺苷酸環(huán)化酶→cAMP→PKA→基因調(diào)控蛋白（CREB）磷酸化→基因轉(zhuǎn)錄該效應(yīng)是一個緩慢的過程：分泌激素、學(xué)習(xí)記憶等。cAMP的降解：環(huán)腺苷酸磷酸二酯酶（PDE）可將cAMP降解為5’－AMP，導(dǎo)致細胞內(nèi)cAMP水平下降。CAMP途徑的信號解除和抑制信號解除●通過磷酸二酯酶將cAMP降解,形成5'-AMP；信號抑制●通過抑制型的信號作用于Ri,然后通過Gi起作用PIP2-DG途徑PKC是Ca2?依賴性的，有兩個功能區(qū)：一個是親水的催化活性中心，另一個是疏水的膜結(jié)合區(qū)。在未受到刺激的細胞中，PKC以非活性形式分布于細胞溶質(zhì)中，當(dāng)細胞接受外界信號時，PIP?水解，細胞內(nèi)Ca2?濃度的升高，引起從胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細胞膜上而成待活狀態(tài)，質(zhì)膜上DG瞬間積累，使PKC與Ca2?的親和力增加，而處于活化狀態(tài)。信號的終止DAG信號的解除

DAG只是由PIP2水解得到的暫時性產(chǎn)物,壽命只有幾秒鐘,靠兩種方式進行降解:◆被DAG磷酸激酶磷酸化,生成磷脂酸(PA),PA被轉(zhuǎn)化為CMP-磷脂酸,再與肌醇作用合成磷脂肌醇(PI)?！鬌AG被DAG酯酶水解生成單脂酰甘油,再進一步水解成自由的多不飽和脂肪酸和花生四烯酸甘油。Removal

ofIP3◆IP3

hydrolyzation在5’磷酸酶的作用下,水解為I(1,4)P2,并進一步水解成肌醇。5’磷酸酶是一種膜結(jié)合的酶?！粼诎麧{的肌醇磷酸脂3-激酶的作用下IP3被磷酸化成I(1,3,4,5)P4。Ca2+信號解除●IP4參與打開細胞質(zhì)膜上的Ca2+

通道,使細胞質(zhì)中的Ca2+較為持久地增高?！癜麅?nèi)Ca2+濃度持久地升高,可激活Ca2+-ATP酶（質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的鈣泵），從而降低胞質(zhì)中的Ca2+，使胞質(zhì)中的Ca2+迅速恢復(fù)到基態(tài)水平(10-7M),并使活性CaM-酶復(fù)合物解離,從而酶失去活性,細胞反應(yīng)終止。（三）G蛋白耦聯(lián)受體介導(dǎo)的離子通道的調(diào)控

1．離子通道耦聯(lián)受體及其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)離子通道耦聯(lián)受體是由多亞基組成的受體、離子通道復(fù)合體，本身既有信號結(jié)合位點，又是離子通道，跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)不需要中間步驟，又稱配體門離子通道或遞質(zhì)門離子通道?；瘜W(xué)信號與受體選擇性結(jié)合改變受體通道蛋白的構(gòu)象，調(diào)控通道開關(guān)，激活的通道對離子的運輸也具有特異性。2．G蛋白耦聯(lián)受體介導(dǎo)的離子通道的調(diào)控

許多神經(jīng)遞質(zhì)的受體是G蛋白耦聯(lián)受體，神經(jīng)遞質(zhì)與受體的結(jié)合引發(fā)G蛋白耦聯(lián)的離子通道的開閉，進而導(dǎo)致膜電位的改變。有些神經(jīng)遞質(zhì)的受體，嗅覺受體以及眼睛的光受體是通過第二信使的作用間接調(diào)節(jié)離子通道活性的G蛋白耦聯(lián)受體3．Gt蛋白耦聯(lián)的光受體的活化誘發(fā)GMP

－門控陽離子通道的關(guān)閉視覺有兩類光受體，視錐細胞光受體（負責(zé)初級感受）與視桿細胞光受體（負責(zé)弱光刺激），視紫紅質(zhì)是視桿細胞是Gt蛋白耦聯(lián)的光受體，常稱為傳導(dǎo)素，是一個7次跨膜的視覺蛋白。高濃度的cGMP保持cGMP－門空非選擇性陽離子通道的開放，吸收光產(chǎn)生激活的視蛋白O。激活的視蛋白O與無活性的Gt-GDP結(jié)合并介導(dǎo)GDP被GTP置換。cGMP濃度降低導(dǎo)致GMP－門控陽離子通道的關(guān)閉，膜瞬間超級極化。4.其它G蛋白偶聯(lián)型受體

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（cAMPgatedationchannel），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。該研究獲得2004年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)醫(yī)獎。第四節(jié)酶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)1.受體酪氨酸激酶以及RTK-Ras蛋白信號通路2.其他酶聯(lián)蛋白受體RAS+GDPGRFGAPRAS+GTPMAP:有絲分裂原活化蛋白MAPKKK:MAP激酶的激酶的激酶MAPKK:MAP激酶的激酶MAPK:MAP激酶Ras蛋白信息傳遞途徑◆Ras是原癌基因的表達產(chǎn)物；◆介導(dǎo)：

細胞外信號→受體→Ras→Rafl→MAPKKK→MAPKK(MEK)→MAPK，轉(zhuǎn)錄因子→激活靶基因→細胞應(yīng)答和效應(yīng)?！粼撏放cEGF受體有關(guān)，并且有一中介蛋白參與Ras蛋白開關(guān)

二、細胞表面其他與酶偶聯(lián)的受體

見P250~P252三、由細胞表面整聯(lián)蛋白介導(dǎo)的信號傳遞整聯(lián)蛋白和粘著斑

整聯(lián)蛋白（integrin）是細胞表面的跨膜蛋白，是由α、β