細胞通訊和信號分子課件

第十四章細胞通訊和信號分子細胞通訊的意義:

是多細胞生物與環(huán)境之間、細胞與細胞之間進行交流的一種生命活動，對于胚胎的形成、分化、組織器官的發(fā)生、和個體的生長、發(fā)育、成熟、衰老等過程起著重要的作用。細胞之間傳遞信息可通過：①相鄰細胞直接接觸，②細胞分泌化學物質來調節(jié)自身和其他細胞的代謝和功能。一、細胞直接聯(lián)系的細胞通訊1、細胞間隙連接介導的細胞通訊細胞間的連接包括緊密連接(tightjunction):

存在于小腸等組織的表面細胞，主要功能是防止大分子的自由通過和避免水分子等直接進入血液。第一節(jié)細胞通訊方式橋粒體(desmosome)：由兩個相鄰細胞的接觸點形成的斑塊樣結構。斑塊的組成包括橋粒芯蛋白（desmoglein）和橋粒膠蛋白（desmocollin），斑塊的胞漿側連接纖絲（filament）。間隙連接(gapjunction)：是相鄰兩個細胞的側面通過連接蛋白（connexin）相互接觸，形成一個2-3nm的細胞間隙，為兩個細胞間的小分子和離子交換提供直接通道。橋粒體間隙連接細胞內的小分子如AMP、ADP、ATP、cAMP等通過間隙連接從一個細胞進入另一個細胞，使相鄰的細胞發(fā)生相同的反應。

例如：胰泌素（secretin）作用于胰腺細胞表面受體，引起胞漿內cAMP和Ca2+濃度上升，啟動分泌功能。同時，cAMP和Ca2+通過間隙連接進入相鄰的細胞，使更多的胰腺細胞發(fā)揮分泌功能。2、細胞表面分子介導的細胞通訊糖蛋白參與的細胞通訊：細胞表面的粘附分子如整合蛋白、鈣粘蛋白和免疫球蛋白超家族等，通過相互識別和結合，使兩個細胞發(fā)生粘附作用，并進一步相互傳遞信息。細胞表面分子介導的細胞通訊蛋白聚糖參與的細胞通訊：蛋白聚糖通過三種方式與胞膜連接：核心蛋白的疏水段直接插入細胞質膜層；核心蛋白與糖基磷脂酰肌醇（GPI）共價結合而錨定在細胞質膜上；通過透明質酸與膜結合蛋白的相互作用而與質膜連接。蛋白聚糖是細胞表面的重要組成成分，起著連接細胞外基質、維持細胞形態(tài)和促進信息傳遞的作用。如：粘結蛋白聚糖與b-FGF結合后，使后者構象發(fā)生變化并與受體結合而發(fā)揮作用，故細胞表面的粘結蛋白聚糖又稱為b-FGF的輔受體。細胞表面的蛋白聚糖（proteoglycan）突觸連接介導的細胞通訊二、細胞間接聯(lián)系的細胞通訊1、由細胞外信號分子介導的細胞通訊一般包括五個步驟：A）細胞合成和釋放信號分子；B）信號分子被運轉到靶細胞；C）信號分子與靶細胞膜上的受體結合；D）靶細胞內的代謝或基因表達改變；E）信號分子被清除，反應終止。2、細胞外信號分子分為：內分泌激素、旁分泌信號分子和自分泌信號分子。激素：包括蛋白質類、多肽類、氨基酸衍生物、類固醇和脂肪酸衍生物。旁分泌信號分子的作用旁分泌信號分子：是一個細胞合成的信號分子分泌后，僅作用于臨近的細胞并引起后者的反應。通過這種方式進行細胞通訊的信號分子有:免疫細胞分泌的細胞因子(cytokines)和趨化因子(chemokines)，生長因子如EGF、PDGF、IGF、TGF-b等。自分泌信號分子的作用二、細胞間信號分子

激素：

AA衍生物、多肽或蛋白質、類固醇激素、脂肪酸衍生物

神經遞質：

Ach、去甲腎上腺素、多巴胺、5－HT、GABA等

生長因子：

EGF、PDGF、VEGF等

細胞因子：

IL1～30、IFN、TNF、GMCSF、TGF等代謝物、光子、離子、藥物等

第二節(jié)細胞內重要信號分子一、蛋白激酶（proteinkinases）蛋白激酶是催化蛋白質磷酸化的一類酶，根據蛋白質被磷酸化的羥基來源，蛋白激酶又分為酪氨酸蛋白激酶和絲/蘇氨酸蛋白激酶兩大類。蛋白質-OH 蛋白質-O-H2PO3ATPADP蛋白激酶PKA的激活與糖原分解信號調節(jié)的放大效應B）蛋白激酶G(proteinkinaseG,PKG)是cGMP依賴的蛋白激酶，屬于絲/蘇氨酸蛋白激酶類。

PKG由相同的兩個亞基組成，其調節(jié)部位和催化部位存在于同一亞基上。鳥苷環(huán)化酶ANF:AtrialNatriureticFactor(心鈉素)PKG的激活作用2、蛋白激酶C(proteinkinaseC,PKC)屬于絲/蘇氨酸蛋白激酶類，主要存在于胞液，被Ca2+和二脂酰甘油（DAG）激活。PKC分為：經典型（typical）、新型（novel）、非經典型（atypical）。其氨基酸序列有四個保守區(qū)（C1、C2、C3、C4)和可變區(qū)（Ｖ），分為調節(jié)域和催化域。

調節(jié)域

催化域C1C4C2C3經典型PKC的激活需要Ca2+和DAG；新型PKC缺失Ca2+結合模體，DAG不依賴Ca2+即可激活其活性；非經典型PKC缺失Ca2+結合模體和DAG結合模體，受假底物（PS）、不飽和脂肪酸和PIP3等激活。PKC的激活PKC的生理功能

②調節(jié)基因表達：

PKC對基因的活化分為早期反應和晚期反應。①調節(jié)代謝：

活化的PKC引起一系列靶蛋白的絲、蘇氨酸殘基磷酸化。靶蛋白包括：質膜受體、膜蛋白和多種酶。3、蛋白激酶B(proteinkinaseB,PKB)屬于絲/蘇氨酸蛋白激酶類，分為三種亞型：PKBa、PKBb、PKBg。前兩種分布廣泛，PKBg主要存在于大腸和睪丸組織中。PKB(AKT)與PIP3結合后被激活；激活的PKB催化底物蛋白的絲/蘇氨酸羥基磷酸化；PKB引起的細胞反應包括刺激糖原合成、蛋白質合成、糖酵解和抑制糖異生。PKB的作用底物包括A）糖原合成酶激酶-3B）磷酸果糖-2-激酶C）核糖體蛋白S6激酶D）翻譯因子抑制劑4E-BPIE）細胞凋亡相關蛋白BADPKB參與細胞的代謝、生長和凋亡的調節(jié)蛋白激酶B的激活過程4、鈣調蛋白依賴性蛋白激酶此類蛋白激酶的活性需要鈣調蛋白（Calmodulin，CaM），分為三類：肌球蛋白輕鏈激酶、磷酸化酶激酶、其它CaM依賴性蛋白激酶。CaM是一個17KDa的屬于絲/蘇氨酸蛋白激酶類的單鏈蛋白質，呈啞鈴狀結構，有四個Ca2+結合點。鈣調蛋白的結構ThissmallproteinbindsfourCa+2ionsinacooperativemannerandtheninteractswithavarietyofproteinstoaltertheiractivity.每一個鈣結合點具有典型的EF手結構（模體）CaM依賴性蛋白激酶的激活

Ca2+—CaM的功能：

（1）開放質膜和肌漿網上鈣通道，使Ca2+內流；

（2）激活依賴Ca2+—CaM的蛋白激酶(CaM－PKII)而起作用。（使特定的Ser／Thr殘基磷酸化）

CaMPK－II，大約12個亞基組成，它的同源亞基分為4個類型(αβγδ)，不同類型的細胞中其表達比例不同，（α亞基僅在腦細胞中表達）為多功能激酶（腦含量最高主要集中于突觸、骨胳肌、肝、心、肺、腎、胰島也存在）

CaMPK－II可磷酸化多種內源蛋白質，底物特異性比較嚴格，且廣泛。例如引起平滑肌收縮的肌球蛋白輕鏈激酶，導致糖原降解的磷酸化酶激酶(GPK)；有的特異性低。而且Ca++達到一定水平時可自身磷酸化。

5、絲裂原激活蛋白激酶系列絲裂原激活蛋白激酶（mitogen-activatedproteinkinase，MAPK）屬絲/蘇氨酸蛋白激酶。該系列主要包括：MAPKKK（MAPKkinasekinase）、MAPKK（MAPKkinase）和MAPK三類。MAPK又包括三個亞家族：ERK、JNK/SAPKII和P38-MAPK。MAPK激活后，轉至核內，使轉錄因子磷酸化，改變基因的表達狀態(tài)。絲裂原激活蛋白激酶系列1）ERK亞家族：包括Raf（MAPKKK），MEK（MAPKK），ERK（MAPK）。ERK的級聯(lián)激活胰島素引起的級聯(lián)激活2）JNK/SAPKII亞家族：包括MEKK（MAPKKK），JNKK（MAPKK），JNK/SAPK（MAPK）。JNK/SAPKII亞家族與細胞因子和生長因子的作用有關。ERK和JNK亞家族的級聯(lián)激活3）P38-MAPK亞家族：包括ASK1（apoptosissignalregulationkinase1，屬于MAPKKK），MKK3/MKK6（MAPKK），P38-MAPK（MAPK）。P38-MAPK分子量為38KDa，是一種具有MAPK性質的可被磷酸化的蛋白質，活化的P38-MAPK可磷酸化轉錄因子（如TCG、ATF2、MEF-2C），從而影響蛋白質合成。MAPK的級聯(lián)激活過程5、蛋白酪氨酸激酶蛋白酪氨酸激酶（protein

tyrosinekinase,PTK）分類：受體型TPK（位于細胞質膜上）如胰島素受體、生長因子受體及原癌基因（erb-B、

kit、fins等）編碼的受體；非受體型TPK（位于胞漿）如JAK和原癌基因（src、yes、bcr-abl等）編碼的TPKPTK直接磷酸化信號分子PTK間接磷酸化信號分子受體型TPK的激活具有PTK活性的一些受體受體型PTK

與

G

蛋白的聯(lián)系非受體型PTK缺少跨膜肽段，主要由激酶結構域、SH2和SH3結構域組成，分布于胞漿或胞核內。非受體型PTK分八大類：Src、Fak、Ab1、Syk、Fps、Jak、Csk、Btk。SH2

結構域(srchomology2domain)：介導信號分子與含磷酸酪氨酸蛋白質分子的結合。SH3

結構域(srchomology3domain)：介導信號分子與富含脯氨酸蛋白質分子的結合。家族成員數分子量KD組織分布亞細胞分布Syk270-72B、T細胞胞質Jak4130造血細胞胞質Btk362-77造血細胞、肝胞質Abl2150廣泛胞核及胞質Fak1125廣泛細胞粒斑Fes392-98廣泛、造血核及胞質Csk150廣泛胞質Src953-64廣泛質膜(2)結構示意圖

Src,Yes.Fyn,Lck,Blk,HckJak1Jak2Jak3Tyk2Syk,ZAP-70Ftk(Tsk)Btk,TecFes/Fps,Fer

Abl,ArgFakSH3SH2催化域JH:7654321PHCsk

C末端有TPK活性的催化結構，N端大多有SH2,SH3，Btk有PH結構,現發(fā)現存在SHP（磷酸酶）結構，負調節(jié)作用。SrcTyrKinasesareRequiredforMAPKActivationofGeneTranscription二、蛋白磷酸酶（proteinphosphatase）蛋白磷酸酶是催化蛋白質去磷酸化的一類酶，根據去磷酸化的羥基來源，又分為蛋白酪氨酸磷酸酶和蛋白絲/蘇氨酸磷酸酶兩大類。蛋白質-O-H2PO3

蛋白質-OHH2OPi蛋白磷酸酶PTEN是一種具有雙重特異性的蛋白磷酸酶，能催化PIP3脫磷酸形成PIP2。由于PIP3具有激活原癌基因PKB的作用，PTEN通過降低PIP3水平而抑制癌變。因此，PTEN基因稱為抑癌基因。

PTENPIP3PIP2H2OPi三、GTP結合蛋白（GTPbindingprotein）簡稱G蛋白，是由a、b和g亞基組成的三聚體，其中a亞基能結合GTP并催化后者水解成GDT，bg二聚體對a亞基活性有抑制作用。G蛋白循環(huán)：

GDP-abg

a-GTP+bgGTPGDPPi1、G蛋白的結構a亞基又分為：as亞基—激活腺苷酸環(huán)化酶ai亞基—抑制腺苷酸環(huán)化酶aq亞基—激活磷脂酶Cat亞基—激活cGMP鱗酸二酯酶GaGbGGTP/GDPLipidanchorsGproteincoupledreceptor(GPCR)(7-transmembrane)Gs蛋白的激活Gs和Gi對腺苷酸環(huán)化酶的調節(jié)Gq對PLCb的激活作用霍亂(Cholera)的機制2、小分子G蛋白分子量小于G蛋白，單鏈結構，具有GTP酶活性，能結合GTP和GDP，分為Ras、Rho、Arf、Sar、Ran、Rab六個家族，在細胞內起信號轉導作用。其中RAS,RHO,RAB,andARF屬于Ras超家族。Sar

(Secretion-associatedandRas-related)proteinsRas蛋白(Ratsarcoma)

Harrey和Kirfen鼠肉瘤病毒上發(fā)現，稱H-ras、K-ras，人神經母細胞瘤上發(fā)現N-ras。所以，Ras又稱為原癌基因。

與G蛋白相同：GTP/GDP轉換，GTPase

與G蛋白不同：受酪氨酸蛋白激酶調節(jié)中介：接頭蛋白(GRB2)和SOS、GTP酶激活蛋白(GAPs)，鳥苷酸釋放蛋白（GNRP）。Ras的激活與細胞增殖Rho蛋白

Rho的作用物是Ser/Thr蛋白激酶N（PKN）、rhophillin、rhotekin等。同時Rho也激活P15K、P13K和PLD。Rho的激活四、第二信使細胞接受外部調節(jié)分子（如激素）的刺激后，在細胞內產生次級信號分子，引起細胞的反應，這種次級信號分子稱為第二信使。目前發(fā)現的第二信使包括：cAMP、cGMP、DAG、NO、IP3、Ca2+等。幾種第二信使分子結構1、cAMP：由腺苷酸環(huán)化酶催化ATP生成。腺苷酸環(huán)化酶(AC)是一種膜蛋白，由M1和M2兩部分組成：AC的催化部分與Gsa的結構AC的激活及其催化作用2、cGMPcGMP主要在平滑肌舒張、尿鈉排泄、精子化學趨化、視黃醛光受體中發(fā)揮作用。鳥苷酸環(huán)化酶（GC）有兩種形式：膜結合GC和胞漿GC。膜結合GC和胞漿GC膜結合GC：哺乳動物的膜結合GC主要有三種，GC-A、GC-B、GC-C。GC-A和GC-B是利尿鈉肽（natriureticpeptide）、心鈉素（atrialnatriureticpeptide）、腦鈉素（brainnatriureticpeptide）的受體。GC-C主要分布在小腸粘膜細胞上，內毒素和鳥苷蛋白可與GC-C結合而激活后者胞內cGMP水平增加引起腸道水和鹽的分泌腹瀉。胞漿GC：由a和b亞基組成的二聚體，含有血紅素作為輔基，NO與輔基血紅素結合后而激活GC-C。胞漿GC與平滑肌舒張有關。3、環(huán)核苷酸磷酸二酯酶環(huán)核苷酸磷酸二酯酶（cyclicnucleotidephosphodiesterase，PDE）是一類催化3’，5’-環(huán)核苷一磷酸水解成5’-核苷一磷酸的酶。4、產生脂類衍生物第二信使的相關酶脂類衍生物第二信使包括：二脂酰甘油（DAG）、肌醇-3,4,5-三磷酸（IP3）等。磷脂酶C（PLC）：根據底物的專一性又分為四類，a）磷脂酰肌醇專一性PLC（PI-PLC），b）磷脂酰膽堿專一性PLC（PC-PLC），c）磷脂酸專一性PLC（PA-PLC），d）糖磷脂酰肌醇專一性PLC（GPI-PLC）。哺乳動物PI-PLC分布于細胞內，稱為細胞內PI-PLC（cPI-PLC），有五類：cPI-PLCa、cPI-PLCb、cPI-PLCg、cPI-PLCd、cPI-PLCe

。其中，b、

g、

d為單鏈結構。PLC的催化作用PLC+磷脂酶D（PLD）：PLD的底物主要是磷脂酰膽堿（PC），產生磷脂酸（PA）和膽堿。PLD的主要生理作用是產生第二信使PA，再經PLA2作用產生溶血磷脂酸（LPA），作為血小板和其它一些細胞的信號分子。磷脂