信號轉(zhuǎn)導(研究生)

細胞信號轉(zhuǎn)導

Cellularsignaltransduction

秦燕生理學與病理生理學教研室第一頁，共六十四頁。

多細胞生物體必須具備完善的信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)其正常的生理功能。細胞間傳遞信息的物質(zhì)多達幾百種：如遞質(zhì)、激素、細胞因子等。代謝或功能改變第一節(jié)概述第二頁，共六十四頁。1.定義：通常是指細胞通過細胞表面受體（或胞內(nèi)核受體）接受外界信號，通過系統(tǒng)級聯(lián)傳遞機制，將胞外信號轉(zhuǎn)導為胞內(nèi)信號，最終引起細胞生理效應(yīng)或誘導特定基因的表達，引起細胞的應(yīng)答反應(yīng)。一、細胞信號轉(zhuǎn)導的定義及特征第三頁，共六十四頁。信號轉(zhuǎn)導參與所有的細胞生命活動：

⑴細胞代謝⑵細胞分裂⑶細胞分化⑷細胞功能活動⑸細胞死亡第四頁，共六十四頁。細胞跨膜信號轉(zhuǎn)導主要涉及：

☆胞外信號的識別與結(jié)合;

化學信號、物理性刺激信號（溫度、機械力、生物電、電磁波等）

☆信號跨膜轉(zhuǎn)導;

☆胞內(nèi)效應(yīng)

細胞代謝和功能的變化第五頁，共六十四頁。2、跨膜信號轉(zhuǎn)導的共同特征

(1)不同形式的外界信號作用于細胞時，這些外界信號通常并不進入細胞或直接影響細胞內(nèi)過程，而是作用于細胞膜表面的相應(yīng)受體(即膜受體），受體被激活后再引起受體后的其他信號分子的順序激活和信號轉(zhuǎn)導，將外界環(huán)境變化的信息以新的信號形式傳遞到膜內(nèi)，再引發(fā)細胞相應(yīng)的功能改變，包括細胞出現(xiàn)電反應(yīng)或其他功能改變。第六頁，共六十四頁。(2)細胞信號轉(zhuǎn)導不僅僅是簡單的信號傳遞，同時還具有信號放大功能。(3)跨膜信號轉(zhuǎn)導雖然涉及多種刺激信號在多種細胞引發(fā)的多種功能改變，但轉(zhuǎn)導過程都是通過少數(shù)幾種類似的途徑或方式實現(xiàn)的。第七頁，共六十四頁。二、信號轉(zhuǎn)導的網(wǎng)絡(luò)化1.不同種類受體或配體的相互作用2.不同類型蛋白激酶的相互作用3.不同轉(zhuǎn)錄因子與DNA元件的相互作用第八頁，共六十四頁。第二節(jié)第一信使和受體一、第一信使：信息途徑的激活不可穿過細胞的可穿過細胞的和細胞耦聯(lián)的屬于分泌分子，由突觸前膜釋放。直接結(jié)合于細胞膜上的受體第九頁，共六十四頁。（一）不可穿過細胞膜的信息分子包括：蛋白質(zhì)、多肽類、生物胺等其他小分子信息傳遞方式：1.簡單直接攝入：通過膜上某些特殊結(jié)構(gòu)被攝入細胞，影響細胞的代謝。如通過鈉泵轉(zhuǎn)運進入細胞的Na+。2.與載體蛋白結(jié)合后進入細胞典型代表：維生素B12、膽固醇膽固醇在血液中結(jié)合特異性載體蛋白（LDL）細胞膜上的受體識別載體蛋白并將其攝入acceptor第十頁，共六十四頁。3.通過受體的跨膜信息傳遞：如神經(jīng)遞質(zhì)、神經(jīng)營養(yǎng)因子這些分子存活期短，或代謝快速，或被結(jié)合的受體內(nèi)吞。通常所說的跨膜機制傳遞多指此類機制！第十一頁，共六十四頁。（二）可穿過細胞的信息分子

是指可以通過脂質(zhì)雙分子層，自由進入細胞，與胞質(zhì)或胞核內(nèi)的相應(yīng)受體結(jié)合，從而影響基因的活動。如神經(jīng)甾體（三）和細胞偶聯(lián)的信息分子

通常位于細胞外側(cè)，作用于物理位置緊鄰的靶細胞。如整合素、影響突觸生長的神經(jīng)細胞粘附分子等第十二頁，共六十四頁。二、受體Receptor（一）定義：細胞在進化過程中形成的蛋白組分，能識別周圍環(huán)境中某種微量化學物質(zhì)，首先與之結(jié)合，并通過中介的信息轉(zhuǎn)導與放大系統(tǒng)，觸發(fā)隨后的生理反應(yīng)或藥理效應(yīng)。能與受體特異性結(jié)合的物質(zhì)----配體能激活受體的配體----激動藥阻斷受體活性的配體----拮抗藥識別→→→轉(zhuǎn)導→→→效應(yīng)第十三頁，共六十四頁。根據(jù)受體本身的結(jié)構(gòu)及其效應(yīng)體系的不同，可以把受體分成兩大類：離子通道偶聯(lián)型受體酶偶聯(lián)型受體G蛋白偶聯(lián)受體（二）.分類：表面受體細胞內(nèi)受體第十四頁，共六十四頁。1.離子通道偶聯(lián)型受體

channel-linkedreceptor亦稱配體門控性離子通道。它既是受體又是離子通道。受體=配體結(jié)合部位+離子通道配體與受體結(jié)合后改變離子通道的活性,或開放或關(guān)閉直接受配體的控制。如：N型乙酰膽堿受體、GABAA受體

NMDA受體、甘氨酸受體等化學信號通道開放或關(guān)閉第十五頁，共六十四頁。

組成：由單一肽鏈反復(fù)4次穿透細胞膜形成1個亞單位，分子量約60kD，約由500個氨基酸殘基構(gòu)成。并由4-5個亞單位共同在膜中形成一個親水性的通道，又稱環(huán)狀受體。

第十六頁，共六十四頁。N型乙酰膽堿受體----2α、β、γ、δ

5個亞單位組成效應(yīng)：將化學信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柖绊懠毎墓δ?。第十七頁，共六十四頁。離子通道型受體陽離子通道：乙酰膽堿受體、谷氨酸受體、五羥色胺受體陰離子通道：甘氨酸受體、γ-氨基丁酸受體受體活化→→離子通道開放→→細胞膜去極化或超極化→→引起興奮或抑制效應(yīng)。第十八頁，共六十四頁。2.酶偶聯(lián)型受體Enzyme-linkedreceptor

受體本身具有酶的活性，催化部位在細胞膜的內(nèi)面。第十九頁，共六十四頁。

該類受體絕大部分是蛋白酶，往往是酪氨酸激酶，能促使其本身酪氨酸殘基產(chǎn)生自身磷酸化而加強此酶活性，再對細胞內(nèi)其他底物作用，促進其酪氨酸磷酸化，激活胞內(nèi)蛋白激酶，增加DNA\RNA合成，加速蛋白質(zhì)，從而產(chǎn)生細胞生長分化等效應(yīng)。

如：神經(jīng)營養(yǎng)因子受體TrK家族、某些生長因子胰島素的受體第二十頁，共六十四頁。3.G蛋白偶聯(lián)受體

G-proteincoupledreceptorsGPCR

由七個α螺旋組成的獨立蛋白質(zhì)分子7次跨膜，6個袢羧基、氨基內(nèi)外放第二十一頁，共六十四頁。人β1腎上腺素能受體2.7埃結(jié)構(gòu)（Warneetal，Nature，2008）

人β2腎上腺素能受體3.4埃結(jié)構(gòu)（Rasmussenetal，Nature，2007）

G-蛋白耦聯(lián)受體的數(shù)量最多，如α、β腎上腺素、

M-乙酰膽堿、5-羥色胺、多巴胺、阿片類、嘌呤類、前列腺素及多肽激素的受體第二十二頁，共六十四頁。牛視紫紅質(zhì)2.8埃結(jié)構(gòu)（Palczewskietal，Science，2000）

烏賊視紫紅質(zhì)2.5埃結(jié)構(gòu)（Murakamietal，Nature，2008）

第二十三頁，共六十四頁。

一個受體可以激活多個G蛋白，一個G蛋白可以轉(zhuǎn)導多個信息效應(yīng)機制，調(diào)節(jié)許多細胞功能。第二十四頁，共六十四頁。4.細胞內(nèi)受體可穿過細胞的第一信使親脂性化學信號分子胞質(zhì)或核內(nèi)受體結(jié)合激活胞質(zhì)或核內(nèi)的化學級聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)生新的mRNA

蛋白質(zhì)胞內(nèi)受體通常與抑制性蛋白結(jié)合，信號分子與受體結(jié)合后受體與抑制性蛋白分開，受體不再受抑制，其表面暴露出一段DNA結(jié)合區(qū)域?？芍苯幼饔糜诤薉NA，影響轉(zhuǎn)錄。第二十五頁，共六十四頁。（三）受體-配體識別結(jié)合的特點：

受體與配體的識別基于分子的熱運動和靜電引力以及大分子的誘導契合機制。1.飽和性：分布在膜上的受體數(shù)量有限2.特異性：受體只有與特定配體結(jié)合3.可逆性：4.失敏現(xiàn)象：受體若長期暴露在配體的環(huán)境中就會出現(xiàn)失敏，即大多數(shù)受體的反應(yīng)性下降。5.受體內(nèi)化：有些受體長期暴露在配體的環(huán)境中，會出現(xiàn)受體-配體復(fù)合物進入胞質(zhì)。第二十六頁，共六十四頁。第三節(jié)受體作用機理與信號轉(zhuǎn)導第二十七頁，共六十四頁。一、G蛋白偶聯(lián)型受體及其信號轉(zhuǎn)導G蛋白偶聯(lián)受體的信號傳遞過程包括：1.配體與受體結(jié)合2.受體活化G蛋白3.G蛋白激活或抑制細胞中的效應(yīng)分子4.效應(yīng)分子改變細胞內(nèi)信使的含量和分布5.信使作用于相應(yīng)的靶分子，改變細胞代謝或功能第二十八頁，共六十四頁。（一）G蛋白循環(huán)或活化G蛋白又稱鳥苷酸結(jié)合蛋白，是G蛋白耦聯(lián)型受體信號轉(zhuǎn)導途徑中的第一個信號分子。βαγ在胞內(nèi)Β和γ亞基緊密結(jié)合成二聚體，可認為是功能上的單體。有20余種，MW36-52kD。具有多個活化位點：與受體結(jié)合的部位；與βγ結(jié)合的部位；GDP/GTP結(jié)合部位；與下游效應(yīng)分子相互作用的部位具有GTP酶的活性第二十九頁，共六十四頁。βαγβαγGTPGDP失活型激活型具有GTP酶的活性G蛋白分為6個亞族：Gs、Gi/olf、Gq、Gt、Gg和G12。第三十頁，共六十四頁。（二）效應(yīng)分子及細胞內(nèi)信使1.效應(yīng)分子：催化生成第二信使的酶、離子通道腺甘酸環(huán)化酶(AC)、磷脂酶C、磷酸酶A2、鳥甘酸環(huán)化酶、磷酸二脂酶ATPcAMP5`-AMP磷酸二脂酶ACH+RcAMP的生成與水解第三十一頁，共六十四頁。第三十二頁，共六十四頁。2.胞內(nèi)信使：第二信使較重要的第二信使：cAMP、IP3、DG、Ca2+特點：

多為小分子，且不位于能量代謝途徑的中心；

在細胞中的濃度或分布可以迅速改變；

作為變構(gòu)效應(yīng)劑可作用于相應(yīng)的靶分子，已知的靶分子主要為各種蛋白激酶。第三十三頁，共六十四頁。（三）細胞內(nèi)信使作用的主要靶分子靶分子：各種蛋白激酶1.蛋白激酶A：cAMP依賴性蛋白激酶（PKA）為四聚體的別構(gòu)酶（C2R2），2個催化亞基（C），2個調(diào)節(jié)亞基（R）。PKA作用機理第三十四頁，共六十四頁。蛋白激酶A（PKA）通過使Ser/Thr殘基磷酸化起作用

對代謝的調(diào)節(jié)作用：

對基因表達的調(diào)節(jié)作用腎上腺素的信號轉(zhuǎn)導機制PKA對基因表達的作用第三十五頁，共六十四頁。2.蛋白激酶G：cGMP依賴性蛋白激酶（cGPK）以cGMP為變構(gòu)效應(yīng)劑，在腦和平滑肌中含量較為豐富3.蛋白激酶C：PKCPKC對細胞的生長分化及其他多種細胞功能具有關(guān)鍵性的調(diào)節(jié)作用，是一類非常重要的信號分子。細胞信號轉(zhuǎn)導過程中的多條途徑都可以導致PKC激活。DG/IP3/Ca2+PKC第三十六頁，共六十四頁。二、單次跨膜受體及其信號轉(zhuǎn)導

單次跨膜受體介導的信號轉(zhuǎn)導過程主要是蛋白質(zhì)分子的相互作用，并有蛋白酪氨酸激酶的廣泛參與。幾類重要的介導單次跨膜受體信號轉(zhuǎn)導的蛋白分子的結(jié)構(gòu)及功能。

1.蛋白激酶：

⑴定義：能夠?qū)ⅵ?磷酸基團從磷酸供體分子上轉(zhuǎn)移至底物蛋白的氨基酸受體上的一大類酶。第三十七頁，共六十四頁。⑵蛋白激酶的分類：

根據(jù)它們磷酸化底物蛋白中氨基酸殘基的特異性不同☆

絲氨酸／蘇氨酸蛋白激酶：它們可使底物蛋白中的絲氨酸或蘇氨酸殘基(羥基）磷酸化，占蛋白激酶中的大多數(shù)；

☆

酪氨酸蛋白激酶：可使底物蛋白酪氨酸殘基（酚羥基）磷酸化，數(shù)量較少，主要在酶耦聯(lián)受體的信號轉(zhuǎn)導路徑中發(fā)揮作用。如：PKAPKCCaMMAPK如：PTK第三十八頁，共六十四頁。(3)MAP激酶：MAPK

接受膜受體轉(zhuǎn)換與傳遞的信號并將其帶入細胞核內(nèi)的一類重要分子。MAPKKKMAPKKMAPK刺激生物反應(yīng)使一些轉(zhuǎn)錄因子發(fā)生磷酸化從而改變胞內(nèi)基因的表達狀態(tài)。使一些酶發(fā)生磷酸化從而活性發(fā)生改變。至少有3種MAPK成員：ERK、JNK、P38第三十九頁，共六十四頁。(4)蛋白酪氨酸激酶：PTK

作用于蛋白中的酪氨酸殘基使之磷酸化。許多細胞信號轉(zhuǎn)導的最早期事件即為多種蛋白質(zhì)的酪氨酸磷酸化。根據(jù)蛋白酪氨酸激酶在細胞內(nèi)的位置，分為三類：

蛋白酪氨酸激酶受體：跨膜蛋白

位于胞漿部分的蛋白酪氨酸激酶：他們接受受體傳遞的激活信號，或受其他蛋白質(zhì)的調(diào)節(jié)而發(fā)生活性改變。成為受體和最終效應(yīng)分子之間的中介分子。如：Src家族、Tec家族、JAK家族

核內(nèi)蛋白酪氨酸激酶：如Abl和Wee第四十頁，共六十四頁。2.蛋白磷酸酶：⑴定義：具有催化已經(jīng)磷酸化的蛋白分子發(fā)生去磷酸化反應(yīng)的一類酶分子。蛋白磷酸酶與蛋白激酶相對應(yīng)存在，共同構(gòu)成了磷酸化與去磷酸化這一重要的蛋白質(zhì)活性的開關(guān)系統(tǒng)。⑵分類：☆蛋白絲氨酸／蘇氨酸磷酸酶：

☆蛋白酪氨酸磷酸酶：第四十一頁，共六十四頁。3.介導信號轉(zhuǎn)導分子相互作用的結(jié)構(gòu)元件：⑴SH2結(jié)構(gòu)域（SH2domain)

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的結(jié)合。這種結(jié)合依賴于酪氨酸殘基的磷酸化及其周圍的氨基酸殘基所構(gòu)成的基序。⑵SH3結(jié)構(gòu)域（SH3domain)

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的結(jié)合。其親和力與脯氨酸及鄰近氨基酸殘基所構(gòu)成的基序序列有關(guān)。第四十二頁，共六十四頁。⑶PH結(jié)構(gòu)域（PHdomain)

約100-120個氨基酸組成，功能未確定。目前已知它可以與磷脂類分子PIP2/PIP3/IP3等結(jié)合。⑷PTB結(jié)構(gòu)域（PTBdomain)

約160個氨基酸組成，與SH2一樣，也可以識別一些含磷酸酪氨酸的基序，但其結(jié)合的基序與SH2結(jié)構(gòu)域有所差別。第四十三頁，共六十四頁。第四節(jié)受體調(diào)節(jié)

受體不是固定不變的，而是經(jīng)常處于代謝轉(zhuǎn)換的動態(tài)平衡中，其數(shù)量、親和力及反應(yīng)性經(jīng)常受到各種生理及藥理因素的影響。如：N2-Ach受體在受激動藥連續(xù)作用后若干秒后發(fā)生脫敏現(xiàn)象第四十四頁，共六十四頁。一、受體調(diào)節(jié)的分類（一）同種特異調(diào)節(jié)配體作用于其特異性受體，使自身的受體發(fā)生變化。如：β腎上腺素受體、生長激素受體（二）異種特異調(diào)節(jié)

配體作用于其特異性受體，對另一種配體的受體產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。如：β腎上腺素受體可被甲狀腺素、糖皮質(zhì)激素、性激素調(diào)節(jié)。第四十五頁，共六十四頁。（三）向上調(diào)節(jié)和向下調(diào)節(jié)向下調(diào)節(jié)（衰減性調(diào)節(jié)downregulation)

長期使用激動劑（異丙腎上腺素）治療哮喘，可使受體向下調(diào)節(jié)，其療效普遍下降。向上調(diào)節(jié)（上增性調(diào)節(jié)upregulation）

長期使用拮抗劑（普萘洛爾）突然停藥，可使腎上腺素能受體上調(diào)，引起反跳現(xiàn)象，表現(xiàn)敏感性增高。

第四十六頁，共六十四頁。二、受體調(diào)節(jié)的機制（一）受體與G蛋白脫耦聯(lián)

（二）受體扣押和內(nèi)陷

扣押：指受體移位，不能與配體結(jié)合

內(nèi)陷：指受體移入胞漿，是具有酪氨酸激酶活性的受體下調(diào)的機制。配體-受體復(fù)合物形成1-2小時后就發(fā)生。（三）膜脂類代謝變化

（四）異種調(diào)節(jié)機制：G蛋白降解或表達減少；cAMP分解加速受體長期受激動劑的作用膜PLA2活性↑，使氨基酸合成↑膜流動性增加，受體更易內(nèi)移第四十七頁，共六十四頁。三、受體調(diào)節(jié)的意義1、脫敏現(xiàn)象：連續(xù)使用受體激動劑后較短時間內(nèi)組織的反應(yīng)性降低或消失。2、產(chǎn)生耐受性：某些藥物連續(xù)使用后，需逐漸增加藥物劑量，才能維持藥效不變的現(xiàn)象。3.產(chǎn)生依賴性：在長久使用某些精神作用的藥物時，人體對藥物產(chǎn)生的生理或心理上的依賴。4.反跳現(xiàn)象：長久使用一些藥物后，突然停藥后使疾病加重的現(xiàn)象。第四十八頁，共六十四頁。第五節(jié)第二信使特點：分子質(zhì)量較小、可溶性較好，易于擴散；可以快速產(chǎn)生或快速滅活；細胞在信號傳遞中通過一系列傳遞組分形成級聯(lián)反應(yīng)將原始信號放大；4.信號傳遞途徑為一個網(wǎng)絡(luò)，多數(shù)信號分子都可以激活幾種不同的細胞信號途徑。第一信使細胞胞內(nèi)信號分子第二信使第四十九頁，共六十四頁。一、經(jīng)典第二信使------cAMP信使系統(tǒng)（一）cAMP的發(fā)現(xiàn)1.20世紀50年代，Sutherland通過體外實驗證實，向肝組織切片加入Adr時，在懸浮液中出現(xiàn)游離葡萄糖，并導致糖原磷酸化酶活性↑2.Adr可使糖原磷酸化，加強糖原分解。但Sutherland和Rall將Adr直接加入磷酸化酶激酶和蛋白磷酸酶的純制劑中，希望直接激活它們而未獲成功。必須在破碎的的肝細胞粗制劑中Adr和胰高血糖素才可促使磷酸化酶b轉(zhuǎn)化為a.3.激素只有在加入了肝細胞勻漿的顆粒部分（含各種細胞膜和細胞器）才有效。4.在補充了ATP和Mg2+的細胞勻漿的顆粒部分，促使生成一種耐熱因子它在勻漿的可溶性部分使磷酸化酶b轉(zhuǎn)化為a.1959年證實為cAMP第五十頁，共六十四頁。第二信使學說第五十一頁，共六十四頁。（二）

腺苷酸環(huán)化酶（AC）的分布及組成AC的分布：是一種糖蛋白，分布很廣，現(xiàn)已在哺乳動物腦及外周組織中克隆出8種AC，它們可以通過不同的機制激活，體現(xiàn)出明顯的組織、細胞特異性。2.AC系統(tǒng)的組成：受體：興奮性激素受體（Rs）和抑制性激素受體（Ri）環(huán)化酶：是其催化部分G蛋白：興奮性G蛋白（Gs）和抑制性G蛋白（Gi）第五十二頁，共六十四頁。（三）cAMP系統(tǒng)的信息傳遞途徑1.膜上存在受體、腺苷酸環(huán)化酶、G蛋白三種蛋白質(zhì)；2.胞外的刺激信號與抑制信號分別傳遞給刺激性或抑制性受體，通過興奮性或抑制性G蛋白傳遞給共同的AC，使其激活或鈍化；3.AC激活，胞質(zhì)產(chǎn)生cAMP，通過蛋白激酶使蛋白質(zhì)磷酸化以調(diào)節(jié)細胞反應(yīng)；4.cAMP信號可被PDE分解滅活，信號傳遞終止。第五十三頁，共六十四頁。cAMP-PKA途徑神經(jīng)遞質(zhì)、激素等（配體）活化G蛋白激活腺苷酸環(huán)化酶(AC)ATPcAMP（第二信使）細胞內(nèi)生物效應(yīng)激活依賴cAMP的蛋白激酶與G蛋白偶聯(lián)受體結(jié)合G蛋白的α亞單位變構(gòu)(與β、γ亞單位分離)第五十四頁，共六十四頁。插圖6-1第五十五頁，共六十四頁。通過哪些標準可以判斷一種激素是否通過cAMP機制起作用？1.該激素能使靶細胞產(chǎn)生cAMP；2.靶細胞中加入外源cAMP可以模擬該激素的作用；3.該激素加到含質(zhì)膜系統(tǒng)中應(yīng)能提高AC的活性；4.靶細胞中的PDE酶的抑制劑應(yīng)可增加該激素的效應(yīng)；5.該激素應(yīng)能激活靶細胞中依賴cAMP的蛋白激酶。第五十六頁，共六十四頁。二、經(jīng)典第二信使------肌醇磷脂信使系統(tǒng)（一）IP3和DG信使的發(fā)現(xiàn)1953年Hokins發(fā)現(xiàn)，外界刺激可以加速膜磷脂的代謝活動。Ach等促分泌的物質(zhì)促進胰腺分泌淀粉的同時，還伴隨有膜磷脂代謝周轉(zhuǎn)率的加快。2.進一步的研究證實代謝改變的是肌醇磷脂3.80年代初，Streb和Berridge等人把經(jīng)過透析處理的胰腺細胞放在低鈣介質(zhì)中保溫，當加入IP3時，Ca2+從胞內(nèi)Ca2+庫中釋放出來。4.IP3可能在骨骼肌的刺激與收縮反