1、细胞生物学课程医学院（优选）细胞生物学课程医学院第一节 细胞的信号转导v信号转导信号分子与细胞膜上或胞内的受体结合，信号经转换后传递给胞内系统，使细胞作出适当反应的过程。v胞内存在多种信号转导的途径，彼此交叉调控，构成信号网络。Gene transcriptionCell proliferationCell survivalCell deathCell differentiationCell functionCell motilityImmune responsesFUNCTIONS OF CELL COMMUNICATION一、细胞外信号v第一信使由细胞分泌的，能够调节机制功能的一大类生物活
2、性物质，他们是细胞间通讯的信号。v从化学性质来看短肽、蛋白质、气体分子（NO、CO）以及氨基酸、核苷酸、脂类和胆固醇衍生物等等v特点特异性；高效性；可被灭活。信号分子的分类脂溶性信号分子（如甾类激素和甲状腺素）可直接穿膜进入靶细胞，与胞内受体结合形成激素受体复合物，调节基因表达。水溶性信号分子（如神经递质）不能穿过靶细胞膜，只能经膜上的信号转换机制实现信号传递。根据与受体结合后细胞所产生的效应不同分类 激动剂使细胞产生效应的物质 拮抗剂不产生效应，但可阻碍激动剂作用的物质二、受体v受体v 指一类存在于细胞膜或胞内的特殊蛋白质，能够特异性的同激素、神经递质、药物或细胞内的信号分子结合并能引起细胞
3、功能变化的生物大分子。v配体被受体结合的生物活性物质都称为配体。（一）受体的种类 细胞内受体（胞内受体）介导亲脂性信号分子的信息传递，如胞内的甾体类激素受体。细胞表面受体（膜受体）介导亲水性信号分子的信息传递。可分为 离子通道型受体；G蛋白耦联型受体；酶耦联型受体。Cell surface receptors1.离子通道型受体结构特点结构特点 由多个亚基组成的多聚体，每个亚基具有由多个亚基组成的多聚体，每个亚基具有2 2、4 4或或5 5个跨膜域，可供离子通过。个跨膜域，可供离子通过。作用特点作用特点既可与细胞外信号分子结合，同时又是离子通道，既可与细胞外信号分子结合，同时又是离子通道，因此具
4、有受体与离子通道藕联的特点。因此具有受体与离子通道藕联的特点。介导的信号转导反应是一种快速的反应，为神经系介导的信号转导反应是一种快速的反应，为神经系统和其他电激发细胞，如肌细胞所特有。统和其他电激发细胞，如肌细胞所特有。（1）分类与作用过程v离子通道型受体分类v 阳离子通道如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体，v 阴离子通道如甘氨酸和氨基丁酸的受体。v作用过程v 神经递质与受体的结合改变通道蛋白的构象离子通道的开启或关闭化学信号转换为电信号改变突触后细胞的兴奋性。如乙酰胆碱受体。Chemical synapseN端胞外结构域带有多个糖基化位点，识别胞外信号分子与之结合；受体在没有同信号分子结合
5、时是以单体存在的，并且没有活性;(1)一条信号转导途径的成员可激活或抑制另一条信号转导通路如在哺乳类脑神经元突触处钙调素依赖性激酶十分丰富，与记忆形成有关。STAT形成复合物，暴露出入核信号；（如甾类激素和甲状腺素）可直接穿膜进入靶细胞，与胞内受体结合形成激素受体复合物，调节基因表达。在静息的细胞中，NFB 和IB形成复合体，以无活性形式存在于胞浆中。胞内结构域与G蛋白耦联。通过变构而激活蛋白质，催化底物蛋白丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化Ca2+活化各种Ca2+结合蛋白引起细胞反应，钙调素（calmodulin，CaM）由单一肽链构成，具有四个钙离子结合部位。指一类存在于细胞膜或胞内的特殊蛋白质，能
6、够特异性的同激素、神经递质、药物或细胞内的信号分子结合并能引起细胞功能变化的生物大分子。DG结合于质膜上，可活化与质膜结合的蛋白激酶C（Protein Kinase C，PKC）。分子开关（molecular switches）具有聚合ATP和结合底物的位点。STAT形成复合物，暴露出入核信号；（膜受体）介导亲水性信号分子的信息传递。离子通道型受体；JAK（just another kinase或janus kinase）是一类非受体酪氨酸激酶家族。在肌肉细胞，1秒钟内可启动糖原降解为葡糖1磷酸，而抑制糖原合成。指一类存在于细胞膜或胞内的特殊蛋白质，能够特异性的同激素、神经递质、药物或细胞内的
7、信号分子结合并能引起细胞功能变化的生物大分子。Acetylcholine receptorThree conformation of the acetylcholine receptorIon-channel linked receptors in neurotransmission乙酰胆碱N受体（260KD）外周型：5个亚基组成（2）调节主要为亚基变化通道开启：Na+内流，K+外流，膜去极化。2.G蛋白耦联型受体(1)G蛋白耦联型受体G蛋白耦联型受体为7次跨膜糖蛋白N端胞外结构域带有多个糖基化位点，识别胞外信号分子与之结合；胞内结构域与G蛋白耦联。通过与G蛋白耦联，调节相关酶活性，在细胞内产
8、生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内。由G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路主要包括 cAMP信号通路和磷脂酰肌醇信号通路。（2）G蛋白G蛋白又称三聚体GTP结合调节蛋白，位于质膜胞质侧，在信号转导过程中起着分子开关的作用。由、三个亚基组成，当亚基与GDP结合时处于关闭状态，与GTP结合时处于开启状态。分类激动型G蛋白（Gs）激活腺苷酸环化酶；抑制型G蛋白（Gi）抑制腺苷酸环化酶；磷脂酶C型G蛋白（Gp）激活磷脂酶C；分子开关（molecular switches）（3）G蛋白作用过程GTP-binding regulatory protein（4）信号转导中G蛋白的生物学特性（5）细菌毒素
9、对G蛋白的修饰作用v霍乱毒素能催化ADP核糖基共价结合到Gs的亚基上，致使亚基丧失GTP酶的活性，结果GTP永久结合在Gs的亚基上，使亚基处于持续活化状态，腺苷酸环化酶永久性活化。导致霍乱病患者细胞内Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。（6）其他类型的G耦联型受体v光信号Rh激活G蛋白活化cGMP磷酸二酯酶激活胞内cGMP减少Na+离子通道通道关闭膜超极化神经递质释放减少视觉反应。视觉感受器中的G蛋白：cAMP依赖性蛋白激酶A（PKA)IP3胞内Ca2+浓度升高Ca2+结合蛋白(CaM)细胞反应阴离子通道如甘氨酸和氨基丁酸的受体。指一类存在于细胞膜或胞内的特殊蛋白质，能够特异性的同激素、神
10、经递质、药物或细胞内的信号分子结合并能引起细胞功能变化的生物大分子。结合钙离子发生构象改变，可激活钙调素依赖性激酶（CaMKinase）。指一类存在于细胞膜或胞内的特殊蛋白质，能够特异性的同激素、神经递质、药物或细胞内的信号分子结合并能引起细胞功能变化的生物大分子。第一信使由细胞分泌的，能够调节机制功能的一大类生物活性物质，他们是细胞间通讯的信号。Adenylate cyclase“双信使系统”反应链胞外信号分子G蛋白偶联受体G蛋白FUNCTIONS OF CELL COMMUNICATION信号转导途径的通用性与特异性通过与G蛋白耦联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜
11、传递到胞内。游离的catenin可进入细胞核，调节基因表达。STAT形成复合物，暴露出入核信号；IP3与内质网上的IP3配体门钙通道结合，开启钙通道，使胞内Ca2+浓度升高。（优选）细胞生物学课程医学院与配体结合分子构象改变进入功能活化状态DNA结合区与DNA分子上的激素调节元件结合促进或抑制基因转录N端胞外结构域带有多个糖基化位点，识别胞外信号分子与之结合；NFB为一个转录因子蛋白家族，包括5个亚单位，最常见的NFB是p65与 p50组成的异二聚体。IP3开启胞内IP3门控钙通道：Ca2+浓度升高，激活钙调蛋白，CaM将靶蛋白（如：CaM-Kinase）活化。阴离子通道如甘氨酸和氨基丁酸的受
12、体。3.酶耦联型受体分为两种情况本身具有激酶活性，如EGF，PDGF等的受体；本身没有酶活性，可以连接酪氨酸激酶，如细胞因子受体超家族。受体的共同点 通常为单次跨膜蛋白；接受配体后发生二聚化而激活，起动其下游信号转导。已知六类：受体酪氨酸激酶、受体酪氨酸磷脂酶、受体鸟苷酸环化酶、受体丝氨酸/苏氨酸激酶酪氨酸激酶连接的受体、组氨酸激酶连接的受体。（1）酪氨酸蛋白激酶型受体（TPKR）一条多肽链构成的跨膜糖蛋白，具有酪氨酸激酶活性。结构特点:胞外区 N端，配体结构域，配体是可溶性或膜结合的多肽或蛋白类激素，包括胰岛素和多种生长因子。跨膜区 单次跨膜的疏水螺旋区，2226氨基酸构成。胞内区 酪氨酸蛋
13、白激酶的催化部位，并具有自磷酸化位点。具有聚合ATP和结合底物的位点。（2）酪氨酸蛋白激酶型受体作用过程受体在没有同信号分子结合时是以单体存在的，并且没有活性;信号分子同细胞外结构域结合形成二聚体尾部的酪氨酸残基磷酸化尾部装配成SH2（Src同源序列结构域2）的结合位点。SH2结合位点通过结合不同的蛋白以几种不同的信号转导途径,扩大信息，激活细胞内一系列的生化反应，引起细胞的应答（如细胞增殖）。功能：配体主要为一些生长因子和分化因子，在参与细胞生长和分化的调控中起重要作用。（二）胞内受体（胞浆受体和核受体）胞内受体通常为4001000个氨基酸组成的单体蛋白（DNA结合蛋白）功能：作为基因转录调
14、节蛋白 与配体结合分子构象改变进入功能活化状态DNA结合区与DNA分子上的激素调节元件结合促进或抑制基因转录特点：反应过程长，细胞产生效应一般需经历数小时至几天时间。（三）受体作用的特点l特异性l 受体分子的立体构型是决定这一特点的关键，一个配体可与几种受体结合。l饱和性l 配体浓度升高，受体被完全结合后，不再结合其他配体。特定受体在特定细胞中数量相对恒定。l高度的亲和力l 受体和配体结合力极强，极低浓度的配体与受体结合后即可产生明显生物学效应。l可逆性l 结合是以非共价键结合，处于可逆的动态平衡中。l通过磷酸化与去磷酸化进行调节l 受体与配体结合的调节可受多种因素影响，常见的调节机制就是受体
15、的磷酸化与去磷酸化。四、细胞内信使细胞内信使细胞外信号分子(第一信使)与受体作用后在胞内最早产生的信号分子，称为第二信使。第二信使都是小的分子或离子。细胞内有五种最重要的第二信使:cAMP、cGMP、1,2二酰基甘油(DAG)、1,4,5三磷酸肌醇(IP3)、Ca2+（一）cAMP信使体系v环磷酸腺苷（cAMP）是细胞内最重要的信使分子。v在细胞内，cAMP由细胞膜上的腺苷酸环化酶（AC）催化合成，并可被磷酸二酯酶水解。v在cAMP信号途径中，细胞外信号与相应受体结合，调节腺苷酸环化酶活性，通过第二信使cAMP水平的变化，将细胞外信号转变为细胞内信号。1.腺苷酸环化酶（AC）v结构糖蛋白v2个
16、疏水区域（M1、M2）每一疏水区域均跨膜6次v2个胞质区域（C1、C2）是ATP结合及具酶活性的部位，其氨基酸组成高度保守。v功能v 被G蛋白激活后催化ATP生成cAMPAdenylate cyclase2.cAMP依赖性蛋白激酶A（PKA)PKA是能被cAMP活化的蛋白激酶A，cAMP信号途径又称PKA系统，是蛋白激酶A系统的简称。结构C2R2四聚体催化亚基（C亚基）催化蛋白质上某些特定的丝氨酸/苏氨酸残基的磷酸化。调节亚基（R亚基）与2个cAMP结合。活化过程特点对底物特异性要求低，催化底物广泛。3.cAMP的主要作用激活PKA，进而使下游信号蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基的磷酸化被激活或钝化，
17、产生细胞效应。调节离子通道通透性通过变构而激活蛋白质，催化底物蛋白丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化本身具有激酶活性，如EGF，PDGF等的受体；分子开关（molecular switches）指一类存在于细胞膜或胞内的特殊蛋白质，能够特异性的同激素、神经递质、药物或细胞内的信号分子结合并能引起细胞功能变化的生物大分子。“双信使系统”反应链胞外信号分子G蛋白偶联受体G蛋白信号转导途径的通用性与特异性如在哺乳类脑神经元突触处钙调素依赖性激酶十分丰富，与记忆形成有关。Wnt信号在动物发育中起重要作用，其异常表达或激活能引起肿瘤。STAT形成复合物，暴露出入核信号；激活cGMP依赖性蛋白激酶G（PKG），使相
18、应的蛋白磷酸化，引起细胞效应。指一类存在于细胞膜或胞内的特殊蛋白质，能够特异性的同激素、神经递质、药物或细胞内的信号分子结合并能引起细胞功能变化的生物大分子。Cell surface receptors在某些分泌细胞，需要几个小时，激活的PKA 进入细胞核，将CRE（cAMP response element）结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。功能：作为基因转录调节蛋白胞内信号转导途径的相互交叉:第二信使都是小的分子或离子。1,4,5三磷酸肌醇(IP3)、通过与G蛋白耦联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内。vcAMP信号途径可表示为v激素受体G蛋白腺苷酸环化
19、酶cAMP蛋白激酶A基因调控蛋白基因转录。v霍乱毒素能催化ADP核糖基共价结合到Gs的亚基上，使亚基持续活化，导致患者细胞内Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。v不同细胞对cAMP信号途径的反应v在肌肉细胞，1秒钟内可启动糖原降解为葡糖1磷酸，而抑制糖原合成。v在某些分泌细胞，需要几个小时，激活的PKA 进入细胞核，将CRE（cAMP response element）结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。CRE是DNA上的调节区域。（二）cGMP信使系统v环磷酸鸟苷（cGMP）是广泛存在与动物细胞内的胞内信使分子。v在细胞内，cGMP由细胞膜上的鸟苷酸环化酶（GC）催化合成，并可被磷酸二酯
20、酶水解。1.鸟苷酸环化酶（GC)2.cGMP依赖性激酶G(PKG)结构 催化亚基和调节亚基组成的二聚体功能通过催化底物蛋白（组蛋白、磷酸化酶激酶、糖原合成酶及丙酮酸激酶等）发挥生物学效应通过磷酸转移酶作用，使自身磷酸化，进而通过抑制方式来调节自身活性。催化机制及细胞效应？3.cGMP的主要作用v激活cGMP依赖性蛋白激酶G（PKG），使相应的蛋白磷酸化，引起细胞效应。v视杆细胞中，在光信号存在时，cGMP可关闭Na+离子通道，细胞超极化而产生视觉。v生物学作用特点v 与cAMP 相拮抗vcAMP促进分化vcGMP促进分裂（三）二脂酰甘油/三磷酸肌醇信使体系v又称双信使途径。v信号分子与G蛋白耦
21、联受体结合，激活质膜上的磷脂酶C（PLC），使4，5二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成IP3和DAG。磷脂酰肌醇信号通路v “双信使系统”反应链胞外信号分子G蛋白偶联受体G蛋白vv IP3胞内Ca2+浓度升高Ca2+结合蛋白(CaM)细胞反应v 磷脂酶C(PLC)v DG激活PKC蛋白磷酸化或促Na+/H+交换使胞内pHv Inositol phospholipid signalingMimicked byionomycin PIP2 HydrolysisDAG激活蛋白激酶C：PKC位于细胞质，Ca2+浓度升高时PKC转位到质膜内表面，被DG活化。IP3开启胞内IP3门控钙通道：Ca2+浓度升
22、高，激活钙调蛋白，CaM将靶蛋白（如：CaM-Kinase）活化。vIP3与内质网上的IP3配体门钙通道结合，开启钙通道，使胞内Ca2+浓度升高。激活各类依赖钙离子的蛋白。用Ca2+载体离子霉素（ionomycin）处理细胞会产生类似的结果。vDG结合于质膜上，可活化与质膜结合的蛋白激酶C（Protein Kinase C，PKC）。PKC以非活性形式分布于细胞溶质中，当细胞接受刺激，产生IP3，使Ca2+浓度升高，PKC便转位到质膜内表面，被DG活化，PKC可以使蛋白质的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化是不同的细胞产生不同的反应，如细胞分泌、肌肉收缩、细胞增殖和分化等。DG的作用可用佛波醇酯（pho
23、rbol ester）模拟。vCa2+活化各种Ca2+结合蛋白引起细胞反应，钙调素（calmodulin，CaM）由单一肽链构成，具有四个钙离子结合部位。结合钙离子发生构象改变，可激活钙调素依赖性激酶（CaMKinase）。细胞对Ca2+的反应取决于细胞内钙结合蛋白和钙调素依赖性激酶的种类。如在哺乳类脑神经元突触处钙调素依赖性激酶十分丰富，与记忆形成有关。该蛋白发生点突变的小鼠表现出明显的记忆无能。v信号的终止信号的终止vIP3信号去磷酸化为信号去磷酸化为IP2；磷酸化为；磷酸化为IP4。vCa2+信号被钙泵和信号被钙泵和Na+Ca2+交换器抽出细交换器抽出细胞，或被泵回内质网。胞，或被泵回内
24、质网。vDAG信号被信号被DAG激酶磷酸化为磷脂酸；或激酶磷酸化为磷脂酸；或被被DAG酯酶水解成单酯酰甘油。酯酶水解成单酯酰甘油。Controls on Cytosolic Calcium（四）钙离子/钙调蛋白信使系统钙离子的信使作用是通过浓度变化来实现的。细胞内游离钙离子浓度为105104mM，比胞外低了110万倍。1.钙调蛋白（CaM），v活化当细胞中钙离子浓度超过102mM时，无活性的CaM可与钙离子结合，使其构象发生改变而被活化，由此激活靶蛋白或靶酶。2.钙离子/钙调蛋白信使功能钙信号使细胞内某些酶的活性和蛋白质功能发生改变，进而产生细胞效应。CaM通过激活细胞膜上的钙离子泵，调节细胞
25、内的钙离子浓度。钙离子直接对离子通道进行调节。五、信号转导与蛋白激酶（一）信号转导的特点1.信号转导分子激活机理的类同性v蛋白质磷酸化和去磷酸化，绝大多数信号分子可逆地激活的共同机制。2.信号转导过程中的级联式反应v信号转导过程中的各个反应相互衔接，形成一个级联放大过程，信号得以加强，使细胞产生明显的效应。3.信号转导途径的通用性与特异性v通用性是指同一条信号转导途径可在细胞的多种功能效应中发挥作用。如cAMP途径不仅介导胞外信号对细胞生长与分化产生效应,还可在物质代谢和神经递质释放等方面发挥作用.v特异性是指信号转导途径产生的基础是受体的特异性,此外信号转导相关蛋白在结构和分布等方面的多样性
26、也对特异性具有一定影响.4.胞内信号转导途径的相互交叉:包括两种情况:v(1)一条信号转导途径的成员可激活或抑制另一条信号转导通路v(2)不同的信号转导途径可通过同一种效应蛋白或同一基因调控区,彼此协调地发挥作用.（二）蛋白激酶1.酪氨酸激酶v蛋白酪氨酸激酶（PTK）可催化底物蛋白的酪氨酸残基磷酸化的激酶，对细胞生长、增殖和分化起重要调节作用。v两大类v位于细胞膜上受体型PTK:v 与配体结合后发生自身磷酸化，作用于底物使其磷酸化。v位于胞质中非受体型PTK:v 与非催化型受体偶联，参与信号转导，JAK是一个主要的PTK亚族v特点v单次跨膜蛋白；v接受配体后发生二聚化和自磷酸化，起动下游信号转
27、导。酪氨酸蛋白激酶型受体作用过程受体在没有同信号分子结合时是以单体存在的，并且没有活性;信号分子同细胞外结构域结合形成二聚体尾部的酪氨酸残基磷酸化尾部装配成SH2（Src同源序列结构域2）的结合位点。SH2结合位点通过结合不同的蛋白以几种不同的信号转导途径,扩大信息，激活细胞内一系列的生化反应，引起细胞的应答（如细胞增殖）。功能：配体主要为一些生长因子和分化因子，在参与细胞生长和分化的调控中起重要作用。JAKSTAT途径vJAK（just another kinase或janus kinase）是一类非受体酪氨酸激酶家族。vSTAT，即信号转导子和转录激活子。vJAKSTAT途径，可概括如下v
28、 1.配体与受体结合导致受体二聚化；v 2.二聚化受体激活JAK；v 3.JAK将STAT磷酸化；v 4.STAT形成复合物，暴露出入核信号；v 5.STAT进入核内，调节基因表达。2.丝氨酸/苏氨酸激酶丝氨酸/苏氨酸激酶（STK）通过变构而激活蛋白质，催化底物蛋白丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化种类 PKA、PKC、PKG、钙调蛋白依赖性蛋白激酶（CaM）和丝裂原激活蛋白激酶（MAPK）3.级联效应v在细胞信号转导过程中，许多胞内信号分子本身就是蛋白激酶，而它本身又可被上游的蛋白激酶磷酸化而激活，由此引起细胞内一系列蛋白的磷酸化，产生级联效应，胞外信号分子所产生的信号被逐渐放大，在短时间内引起细胞效
29、应。（三）几种细胞信号转导通路1.MAPK信号通路vMAPK为有丝分裂原活化蛋白激酶，属丝氨酸/苏氨酸残激酶。2.JAKSTAT信号通路3.Wnt 信号通路vWnt是一类分泌型糖蛋白。vWnt信号途径能引起胞内连锁蛋白（catenin）积累。vcatenin与钙粘素相互作用，参与形成粘合带，v游离的catenin可进入细胞核，调节基因表达。vWnt信号在动物发育中起重要作用，其异常表达或激活能引起肿瘤。4.TGF信号通路v转化生长因子（TGF)属于一组新近发现的调节细胞生长和分化的TGF超家族。TGF对细胞的生长、分化和免疫功能都有重要的调节作用。5.NFB信号通路NFB为一个转录因子蛋白家族
30、，包括5个亚单位，最常见的NFB是p65与 p50组成的异二聚体。在静息的细胞中，NFB 和IB形成复合体，以无活性形式存在于胞浆中。当细胞受细胞外信号刺激后，IB激酶复合体（IKK）活化将IB磷酸化.NFB暴露核定位位点。游离的NFB迅速移位到细胞核，与特异性B 序列结合，诱导相关基因转录。参与免疫、炎症、应激等反应，及调节细胞分化、增殖、凋亡等过程。v在细胞信号转导过程中，许多胞内信号分子本身就是蛋白激酶，而它本身又可被上游的蛋白激酶磷酸化而激活，由此引起细胞内一系列蛋白的磷酸化，产生级联效应，胞外信号分子所产生的信号被逐渐放大，在短时间内引起细胞效应。六、信号转导与疾病（一）受体异常与疾病
