細胞信息轉(zhuǎn)導1

分子生物學生化與分子生物學教研室揭克敏第一節(jié)細胞信號轉(zhuǎn)導的分子機制一、細胞信號轉(zhuǎn)導的相關(guān)分子二、信號轉(zhuǎn)導分子的基本作用方式第二節(jié)不同受體介導的信號轉(zhuǎn)導途徑一、胞內(nèi)受體介導的信號轉(zhuǎn)導二、膜受體介導的信號轉(zhuǎn)導第三節(jié)細胞信號轉(zhuǎn)導的基本規(guī)律和復雜性一、共同規(guī)律二、網(wǎng)絡效應三、復雜且具有多樣性神經(jīng)調(diào)控激素調(diào)控代謝過程中關(guān)鍵酶的活性變化細胞代謝的變化機體生物學功能的變化特定的細胞釋放細胞間信息物質(zhì)細胞間信息物質(zhì)經(jīng)擴散或血循環(huán)到達靶細胞與靶細胞的受體特異性結(jié)合受體進行信號轉(zhuǎn)換啟動生成細胞內(nèi)信息物質(zhì)靶細胞產(chǎn)生生物學效應第一節(jié)細胞信號轉(zhuǎn)導的分子機制一、細胞信號轉(zhuǎn)導的相關(guān)分子二、信號轉(zhuǎn)導分子的基本作用方式細胞通訊（cellcommunication)：細胞間識別、聯(lián)絡和相互作用的過程細胞信號轉(zhuǎn)導（cellsignaltransduction):

細胞針對外源信息所發(fā)生的細胞應答反應的全過程細胞接觸信號化學信號物理信號細胞的受體細胞內(nèi)信息物質(zhì)靶細胞產(chǎn)生生物學效應（一）細胞間信息物質(zhì)

化學信號分子（二）受體（三）細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導分子

1、小分子化學物質(zhì)

2、酶分子

3、調(diào)節(jié)蛋白一、細胞信號轉(zhuǎn)導的相關(guān)分子化學信號分子1）神經(jīng)遞質(zhì)（突觸分泌信號）：乙酰膽堿、去甲腎上腺素2）激素（內(nèi)分泌信號）：胰島素、腎上腺素、細胞因子3）局部化學介質(zhì)（旁分泌信號）：生長因子、細胞因子4）自分泌信號：細胞因子（二）受體（Receptor）1、受體的分類、一般結(jié)構(gòu)及功能

1）膜受體(membranereceptor)2）胞內(nèi)受體(intracellularreceptor)2、受體作用的特點3、受體活性的調(diào)節(jié)受體receptor

：細胞膜或細胞內(nèi)能特異識別生物活性分子并與之結(jié)合，進而引起生物學效應的特殊蛋白質(zhì)或糖脂。配體ligand:

能與受體呈特異性結(jié)合的生物活性分子（一）膜受體(membranereceptor)1、環(huán)狀受體：配體依賴性離子通道2、G蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs）：蛇型受體3、單個跨膜a-螺旋受體4、受體鳥苷酸環(huán)化酶

能與膜受體結(jié)合的信息物質(zhì)主要有蛋白質(zhì)和肽類激素、氨基酸及衍生物。G蛋白偶聯(lián)區(qū)蛇型受體（serpentinereceptor）糖基化區(qū)域Cys保守區(qū)胞漿面第三個環(huán)能與鳥苷酸結(jié)合蛋白（G蛋白）偶聯(lián)，影響腺苷酸環(huán)化酶或磷脂酶C等的活性，使細胞內(nèi)產(chǎn)生第二信使。

G蛋白（guanylatebindingprotein）：是位于細胞膜漿面的、可與GTP或GDP結(jié)合的外周蛋白，它由α(45kD)、β(35kD)

、γ(7kD)三個亞基組成，G蛋白通過β、γ亞基的異戊二烯化的基團或α亞基的豆蔻?；幕鶊F錨定于細胞膜。

G蛋白可有兩種構(gòu)象，一種為非活化型；另一種為活化型。當受體與G蛋白偶聯(lián)后，可影響腺苷酸環(huán)化酶或磷脂酶C等的活性，使細胞內(nèi)產(chǎn)生第二信使。

G蛋白循環(huán)：受體激活G蛋白，α亞基與GTP結(jié)合同時與βγ亞基分離。活化的α亞基能夠結(jié)合并激活下游各種效應分子。下游各種效應分子可激活的GTP酶，將GTP水解成GDP，α亞基恢復構(gòu)象，與效應分子分離，重新與βγ亞基結(jié)合形成三聚體。G蛋白超家族主要類型家族成員舉例作用亞基功能ⅠGsGolfαα激活AC酶，激活Ca+2通道激活嗅覺神經(jīng)元的AC酶Ⅱ

Gi

Go

Gtαβγβγαβγα抑制AC酶激活K＋通道激活K＋通道，抑制Ca+2通道激活PLC－β激活脊椎動物視桿細胞cGMP磷酸二酯酶Ⅲ

Gqα激活PLC－β促腎上腺皮質(zhì)激素促黑素(MSH)促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素嗅覺分子多巴胺甲狀旁腺素腎上腺素前列腺素E1,E2胰高血糖素5-HT（1a）、5-HT（2）組織胺（H2受體）生長激素抑制素促黃體激素味覺分子利用AC-cAMP-PKA轉(zhuǎn)導信號的部分化學信號單個跨膜a螺旋受體全部為糖蛋白，與細胞的增殖、分化、分裂、癌變有關(guān)。

1、蛋白酪氨酸激酶受體

2、細胞因子受體

3、TNF受體家族

4、抗原受體

5、蛋白絲氨酸激酶II型受體與I型受體的復合物22~26AA500~850AAEGF:表皮生長因子IGF-1:胰島素樣生長因子PDGF:血小板衍生生長因子FGF:成纖維細胞生長因子近膜區(qū)功能區(qū)蛋白酪氨酸激酶受體

1、PDGF受體家族：胞外部分含有5個免疫球蛋白樣結(jié)構(gòu)域，如PDEFG（血小板衍生生長因子）；SCF；CSF等

2、EGF受體家族：胞外部分含有2個富含Cys區(qū)段，如EGF（表皮生長因子）；ErbB2等

3、FGF受體家族：胞外部分含有2~3個免疫球蛋白樣結(jié)構(gòu)域，如FGFR1（成纖維細胞生長因子受體1）；FGFR2；FGFR3；FGFR44、IGF受體家族：α鏈和β鏈以二硫鍵連接形成二聚體，如胰島素受體；IGF-1（胰島素樣生長因子-1）

5、HGF受體家族：胞外部分剪接為α鏈和β鏈，如HGF（肝細胞生長因子）；MSP6、VEGF（血管內(nèi)皮生長因子）受體家族：胞外部分含有7個免疫球蛋白樣結(jié)構(gòu)域，如Flt-1；Flk-1細胞因子受體

1、I類細胞因子受體

1）GH受體亞族：形成同源二聚體，如GH（生長激素）；EPO；PRL；G-CSFR2）IL-3受體亞族：與Cβ亞單位形成復合物，如IL-3；GM-CSFR；IL-53）IL-6受體亞族：與gp130形成復合物，如IL-6；IL-11；LIF；CNTF4）IL-2受體亞族：與IL-2Rγ形成復合物，如IL-2R；IL-2Rβ；IL-

R；IL-7R

2、II類細胞因子受體

IFN（干擾素）α/β受體；IFN-γRα；IFN-γRβ等（二）胞內(nèi)受體(intracellularreceptor)

多為反式作用因子。能與胞內(nèi)受體結(jié)合的信息物質(zhì)主要有類固醇激素、甲狀腺素、維甲酸。胞內(nèi)受體多為單體蛋白，其結(jié)構(gòu)域有：高度可變區(qū)（轉(zhuǎn)錄激活區(qū)）

DNA結(jié)合區(qū)激素結(jié)合區(qū)鉸鏈區(qū)受體作用的特點：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（受體分布的特異性）配體濃度受體飽和度受體活性的調(diào)節(jié)受體下調(diào)：受體數(shù)目減少和（或）對配體結(jié)合力降低與失敏。受體上調(diào)：受體數(shù)目增多和（或）對配體結(jié)合力升高與過敏。

常見機制：

1、磷酸化和脫磷酸化作用

2、膜磷脂代謝的影響

3、酶促水解作用

4、G蛋白的調(diào)節(jié)（三）細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導分子

概念：細胞內(nèi)能夠傳遞信號的蛋白質(zhì)和小分子化學物質(zhì)。

分類：1、小分子化學物質(zhì)

2、酶分子

3、調(diào)節(jié)蛋白第二信使：細胞內(nèi)傳遞信息的小分子化合物第三信使：細胞核內(nèi)外信息傳遞的小分子化合物，又稱為DNA結(jié)合蛋白，是一類可與靶基因特異序列結(jié)合的核蛋，能調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄，發(fā)揮著轉(zhuǎn)錄因子或轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的作。如c-fos、c-jun等1、小分子化學物質(zhì)

1)無機離子：鈣離子

2)脂類衍生物：（二脂酰甘油）DAG、（N-脂酰鞘氨醇）Cer3)糖類衍生物：三磷酸肌醇（IP3）

4)核苷酸：cAMP、cGMP5)信號蛋白分子：蛋白酪氨酸激酶小分子細胞內(nèi)信使一般具有三個特點：

1）不位于能量代謝途徑的中心

2）在細胞中的濃度或分布可以迅速地改變

3）作為變構(gòu)效應劑作用于相應的靶細胞2、酶分子

1)催化小分子信使生成和轉(zhuǎn)化的酶：

AC；GC；PLC；PLD2)蛋白激酶：蛋白Ser/Thr激酶蛋白Tyr激酶

GTPcGMP

5′-GMPGCPPi磷酸二酯酶H2OCa2+或Mg2+

Mg2+

花生四烯酸磷脂Ca2+

PL-C+PL-A2激活激活前列腺素氧化激活心鈉素NO

現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有蛋白Ser/Thr激酶、蛋白Tyr激酶、蛋白His/Lys/Arg激酶、蛋白Cys激酶、蛋白Asp/Glu激酶等

蛋白Ser/Thr激酶：

PKA、PKG、PKC、鈣調(diào)素依賴的蛋白激酶等

蛋白Tyr激酶：1）蛋白Tyr激酶受體

2）位于胞漿的蛋白Tyr激酶（Src家族、ZAP70家族、Tec家族、JAK家族）

3）位于核內(nèi)的蛋白Tyr激酶有絲分裂原激活的蛋白激酶（MAPK）：

5個亞家族如JNK亞家族、ERK亞家族、P38亞家族

2）蛋白激酶：PKA的作用

（1）對代謝的調(diào)節(jié)作用：促使物質(zhì)代謝中的酶磷酸化（激活：激素敏感脂肪酶；膽固醇酯酶；磷酸化酶b激酶；抑制：糖原合成酶I；乙酰CoA羧化酶）。（2）對基因表達的調(diào)節(jié)作用：使反式作用因子磷酸化：CREB的Ser、Thr磷酸化

其它蛋白質(zhì)磷酸化：組蛋白、膜蛋白、核蛋白體蛋白、微管蛋白、受體蛋白等（3）調(diào)節(jié)細胞極性：激活離子通道蛋白激酶A對代謝的調(diào)節(jié)作用：促使物質(zhì)代謝中的蛋白質(zhì)或酶磷酸化。

PKA對底物蛋白的磷酸化作用底物蛋白磷酸化的后果生理意義組蛋白失去對轉(zhuǎn)錄的阻遏作用加速基因表達核中酸性蛋白加速轉(zhuǎn)錄加速基因表達核蛋白體蛋白加速翻譯促進蛋白質(zhì)合成細胞膜蛋白膜蛋白構(gòu)象及功能改變改變膜對水及離子的通透性微管蛋白構(gòu)象及功能改變影響細胞分泌心肌肌原蛋白易與Ca2+結(jié)合加強心肌收縮心肌肌漿網(wǎng)膜蛋白加速Ca2+攝入肌漿網(wǎng)加速肌纖維舒張腎上腺素能β受體影響受體功能脫敏化及下調(diào)蛋白PKC的生理功能

（1）調(diào)節(jié)細胞生理活動使膜受體、膜蛋白、多種酶蛋白上的Ser、Thr-OH磷酸化。激活：質(zhì)膜上的Ca2+通道；肌漿網(wǎng)的Ca2+-

ATP酶。（2）對基因表達的調(diào)節(jié)作用使立早基因的反式作用因子磷酸化。立早基因多為細胞原癌基因（c-fos、AP1/jun）它們表達的蛋白質(zhì)稱為第三信使，可導致細胞增生或核形變化。PKC對基因的早期活化和晚期活化3、調(diào)節(jié)蛋白

1）鳥苷酸結(jié)合蛋白

G蛋白三聚體

低分子量G蛋白（21KD）

2）接頭蛋白

SH2結(jié)構(gòu)域（srchomology2domain）

SH3結(jié)構(gòu)域（srchomology3domain）

PH結(jié)構(gòu)域（pleckstrinhomologydomain）

PTB結(jié)構(gòu)域（proteintyrosinebindingdomain）調(diào)控結(jié)合元件結(jié)構(gòu)和功能上的特點：

1）一個信號分子可以含有兩種以上的結(jié)合元件，可以同時與兩種以上的其它信號分子結(jié)合。

2）同一類調(diào)控結(jié)合元件可存在于多種不同的信號分子中

3）這些結(jié)構(gòu)域本身均為非催化結(jié)構(gòu)

G蛋白循環(huán)：受體激活G蛋白，α亞基與GTP結(jié)合同時與βγ亞基分離?；罨摩羴喕軌蚪Y(jié)合并激活下游各種效應分子。下游各種效應分子可激活的GTP酶，將GTP水解成GDP，α亞基恢復構(gòu)象，與效應分子分離，重新與βγ亞基結(jié)合形成三聚體。

1、SH2結(jié)構(gòu)域（srchomology2domain）：有約100個氨基酸組成，介導信號分子與含磷酸酪氨酸蛋白分子結(jié)合，依賴酪氨酸殘基的磷酸化及其周圍的氨基酸殘基所構(gòu)成的模序

2、SH3結(jié)構(gòu)域（srchomology3domain）：約50~100個氨基酸組成，介導信號分子與富含脯氨酸的蛋白分子結(jié)合，其親和力與脯氨酸殘基及其周圍的氨基酸殘基所構(gòu)成的模序3、PH結(jié)構(gòu)域（pleckstrinhomologydomain）（血小板－蛋白激酶C同源結(jié)構(gòu)域）由100~120個氨基酸組成，功能不詳4、PTB結(jié)構(gòu)域（proteintyrosinebindingdomain）由約160個氨基酸組成，依賴酪氨酸殘基磷酸化的模序二、信號轉(zhuǎn)導分子的作用機制（一）小分子信使的數(shù)量及分布的變化

1、酶促反應生成小分子信使

2、小信使分子的濃度和定位分布的變化（二）蛋白信號轉(zhuǎn)導分子活性的變構(gòu)調(diào)節(jié)

1、配體誘導受體的變構(gòu)

2、小分子信使的變構(gòu)調(diào)節(jié)

3、蛋白信使分子的變構(gòu)調(diào)節(jié)作用

4、共價修飾產(chǎn)生的變構(gòu)調(diào)節(jié)作用（三）信號轉(zhuǎn)導體的形成及作用第二節(jié)不同受體介導的信號轉(zhuǎn)導途徑一、胞內(nèi)受體介導的信號轉(zhuǎn)導配體激素：糖皮質(zhì)激素、性激素、甲狀腺素二、膜受體介導的信號轉(zhuǎn)導

1、配體依賴性離子通道（乙酰膽堿受體）

2、G蛋白偶聯(lián)受體介導的信號轉(zhuǎn)導

cAMP-蛋白激酶途徑

Ca-依賴性蛋白激酶途徑

cGMP-蛋白激酶途徑

3、蛋白激酶偶聯(lián)受體介導的信號轉(zhuǎn)導

MAPK途徑JAKs-STAT途徑

Smads途徑PI3K/PKB途徑胞內(nèi)受體介導的信息傳遞

cAMP-蛋白激酶途徑

該途徑以靶細胞內(nèi)cAMP濃度改變和激活蛋白激酶A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

2、cAMP的作用機制

3、PKA的作用（1）對代謝的調(diào)節(jié)作用（2）對基因表達的調(diào)節(jié)作用（3）調(diào)節(jié)細胞極性：激活離子通道Ca離子依賴性蛋白激酶途徑1、Ca離子-磷脂依賴性蛋白激酶途徑（1）IP3和DAG的生物合成和功能（2）PKC的生理功能

1）對代謝的調(diào)節(jié)作用

2）對基因表達的調(diào)節(jié)作用2、Ca離子-鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶途徑2、Ca離子-鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶途徑

當胞漿的Ca2+濃度>10-2mmol/L時，Ca2+與CaM結(jié)合，激活Ca2+-CaM激酶。CaM的4個結(jié)構(gòu)域可以結(jié)合4個Ca2+。

Ca2+-CaM激酶的作用（1）激活蛋白Ser/Thr激酶，如MLCK（肌球蛋白輕鏈激酶）、PhK（磷酸化酶激酶）、Cal-PKI、II、III（鈣調(diào)蛋白依賴性激酶）。

如Cal-PKII激活：突觸蛋白I；Tyr羥化酶；Trp羥化酶；骨骼肌糖原合成酶等。Ca釋放

Ca2+-CaM蛋白激酶促甲狀腺素釋放激素去甲腎上腺素抗利尿激素等PIP2IP3DAG磷脂酶CPKC

蛋白質(zhì)的磷酸化反應（Ser、Thr）酶活力改變膜通透性改變基因轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)合成PhKCal-PK

G蛋白激活Ca通道PKA激活Ca通道蛋白質(zhì)的磷酸化反應（Ser、Thr）5′

-GMP磷酸二酯酶心鈉素NO前列腺素GTPcGMP鳥苷酸環(huán)化酶PKG酶活力改變膜通透性改變基因轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)合成一、蛋白激酶偶聯(lián)受體介導的信號轉(zhuǎn)導途徑的基本模式

1、胞外信號分子與受體的結(jié)合

2、第一個蛋白激酶被激活

3、蛋白質(zhì)的相互作用或共價修飾激活下游分子

4、蛋白激酶的磷酸化激活反式作用因子或關(guān)鍵酶二、蛋白激酶偶聯(lián)受體介導的信號轉(zhuǎn)導途徑

1、MAPK途徑2、JAKs-STAT途徑

3、Smads途徑4、PI3K/PKB途徑MAPKKK:Raf-1，A-Raf，B-Raf；MEKK家族1~4；TAK1；MUK；SPRK；MST；ASK家族1~3；Tpl-2MAPKK：

MEK家族；MKK家族

(1~7)MAPK（13種）：

ERK1~5；p38α（SAPK2)；p38β；p38β2；p38γ（SAPK3)；p38δ；JNK1-3干擾素誘導JAK、STAT復合體核內(nèi)轉(zhuǎn)移及調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄機制第三節(jié)細胞信號轉(zhuǎn)導的復雜性與多樣性一、復雜性

1、Ras/MAPK途徑對Smad途徑的調(diào)節(jié)

2、蛋白激酶C對蛋白Tyr激酶系統(tǒng)的調(diào)節(jié)二、多樣性

1、G蛋白可以激活蛋白酪氨酸激酶

2、細胞外信號分子可通過不同轉(zhuǎn)導途徑影響不同的細胞

3、不同信號轉(zhuǎn)導通路可介導相同的生物學效應

4、一種受體可激活多條信號轉(zhuǎn)導途徑

5、細胞應激事件可啟動信號轉(zhuǎn)導

G－蛋白偶聯(lián)受體的MAPK/ERK和Src通路第四節(jié)細胞信號轉(zhuǎn)導異常與疾病的相關(guān)性一、影響細胞信號轉(zhuǎn)導的因素及基本機制

1、蛋白質(zhì)信號轉(zhuǎn)導分子的基因突變（Ras基因）

2、蛋白質(zhì)信號轉(zhuǎn)導分子基因表達調(diào)控異常

3、毒素或抑制劑：對阿片類毒品和酒精的依賴等二、細胞信號轉(zhuǎn)導異常與疾病的相關(guān)性

1、代謝異常疾?。阂葝u素基因突變；胰島素受體基因突變

2、細胞功能紊亂性疾?。夯魜y等

3、細胞功能障礙性疾病：Bruton綜合癥

4、細胞增生性疾病三、以信號轉(zhuǎn)導途徑為靶點的藥物研究：抗腫瘤新藥異常與疾病

霍亂弧菌產(chǎn)生分泌的外毒素（霍亂毒素），有選擇性的催化Gsα亞基上的精氨酸201核糖化，使GTP酶活性喪失，不能將GTP水解成GDP，從而使Gsα處于不可逆激活狀態(tài),不斷刺激AC生成cAMP,胞漿中的cAMP含量可增加至正常的100倍以上，導致小腸上皮細胞膜蛋白構(gòu)型改變，大量氯離子和水分子持續(xù)轉(zhuǎn)運入腸腔，引起嚴重腹瀉和脫水。越南出現(xiàn)霍亂疫情患者已住進醫(yī)院等待治療

肢端肥大癥和巨人癥

分泌生長激素（GH）過多的垂體腺瘤中，有30～40%是由于編碼Gsα的基因突變所致，其特征是Gsα的精氨酸201被半胱氨酸或組氨酸取代；或谷氨酰胺227被精氨酸或亮氨酸取代，這些突變抑制了GTP酶活性，使Gsα處于持續(xù)激活狀態(tài)，cAMP含量增多，垂體細胞生長和分泌功能活躍。人妖，是男還是女？是人還是妖？但就在我們拋開這些很難有結(jié)果爭論的時候，她們卻給我們一種另類的美麗，一種畸形的美麗……

胰島素受體與胰島素抵抗性糖尿病1.遺傳性胰島素受體異常，包括受體合成減少受體與配體的親和力降低，如受體精氨酸735突變?yōu)榻z氨酸受體TPK活性降低，如甘氨酸1008突變?yōu)槔i氨酸，胞內(nèi)區(qū)TPK結(jié)構(gòu)異常2.自身免疫性胰島素受體異常血液中存在抗胰島素受體的抗體

PI3K催化PI形成PI(3,4)P2和PI(3,4,5)P3，這兩種磷酸肌醇可作為胞內(nèi)信號蛋白（含PH結(jié)構(gòu)域）的停泊位點，激活這些蛋白。其信號通路主要有：①通過激活BTK（Bruton'styrosinekinase），再激活磷脂酶Cγ（PLCγ），引起磷脂酰肌醇途徑。②激活磷脂酰肌醇依賴性激酶PKD1（phosphoinositoldependentkinase），PKD1激活轉(zhuǎn)位到膜上的蛋白激酶B（PKB，一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，如Akt）。激活的PKB返回細胞質(zhì)，將細胞調(diào)亡相關(guān)的BAD蛋白磷酸化，抑制BAD的活性，從而使細胞存活膀胱癌結(jié)腸癌皮膚黑色素瘤

點突變激活ras基因基因密碼子

點突變氨基酸改變腫瘤H-ras12GGCGTCGly

Val膀胱、胃、鼻咽、宮頸癌

GGCGACGlyAsp乳腺、腸癌

61CAGCTGGln

Leu

膀胱、肺癌、黑色素瘤

CAGCGGGln

Arg

腎癌K-ras12GGT