1、1,分子生物学,郑州大学基础医学院 邢文英,2,信号转导 细胞周期调控,3,信号转导 signal transduction,4,生物体的生长发育主要受遗传信息及环境变化信息的调节控制。 单细胞生物与外环境直接交换信息。 多细胞生物中的单个细胞不仅需要适应环境变化，而且还需要细胞与细胞之间在功能上的协调统一。 他们对环境变化作出的反应要通过复杂的细胞信号转导系统才能完成。,5,信号转导： 细胞通过细胞表面（或胞内）受体接受外界信号，通过系统级联传递机制，将胞外信号转导为胞内信号，最终引起细胞生理反应或诱导特定基因的表达，对环境变化作出应答的过程。,6,细胞信号转导在应答环境刺激和调节基因表达、
2、生理反应的同时，不仅维持着细胞正常代谢，最终决定了细胞增殖、生长、分化、衰老和死亡等生命的基本现象。,7,1991 E.Nelzer和B.Sokmann 离子通道信号概念 1992 Krebs和Fisher 糖原代谢中蛋白质的可逆磷酸化 1994 Gilman和Rodbell G蛋白在细胞中的传导作用 1998 Robert F. Furchgott， Louis J. Ignarro， Ferid Murad NO的信号功能 2000 Arvid Carlsson Paul Greengard Eric R. Kandel 神经系统的信号转导 2004 Linda B Buck 发现气体感受
3、器及嗅觉系统,The Nobel Prize in Physiology or Medicine,8,内容介绍,细胞信号转导的物质基础 细胞信号转导的基本方式 G蛋白偶联受体介导的信号转导 酶偶联受体介导的信号转导 细胞内受体介导的信号转导 信号转导过程的基本规律 信号转导研究在医学中的意义,9,（一）信号分子（signal molecule） （二）受体(receptor) （三）G蛋白 （四）蛋白激酶与蛋白磷酸酶 （五）调控结合元件,一、细胞信号转导的物质基础,10,（一）信号分子（signal molecule）,生物细胞所接受的信号既可以是物理信号（光、热、电流），也可以是化学信号，但
4、在有机体间和细胞间的通讯中最广泛的信号是化学信号。 根据其作用方式可分为细胞间通讯的信号分子和细胞内通讯的信号分子。,11,1. 细胞间信号分子(extracellular signal molecules) 细胞间信号分子是内外环境变化的产物，是细胞对环境刺激的直接反应，也是调节细胞代谢和功能的首要的信号分子，因此，一般将细胞间信号分子称为第一信使（the first messenger）。 根据产生和作用方式不同，可分为激素、神经递质、局部化学介质、生长因子、细胞因子、气体信号分子等。,12,（1）激素（hormone）,又称内分泌信号(endocrine signal),特点 由特殊分化
5、的内分泌细胞分泌 ； 通过血液循环到达靶细胞 ； 大多数作用时间较长，作用范围弥散; 引起的生物学效应缓慢持久。,例如 胰岛素、甲状腺素、肾上腺素等,13,含氮激素(蛋白质和肽类) 肾上腺素、甲状腺素、 促甲状腺激素 、胰高血糖素、胰岛素、生长激素等,类固醇激素 性激素、皮质醇、醛固酮等,按激素受体的分布部位 ：,胞内受体激素: 甲状腺素、类固醇激素 胞膜受体激素: 除甲状腺素外其他的含氮激素,按内分泌激素的化学组成分为：,14,（2） 神经递质（neurotransmitter）,又称突触分泌信号(synaptic signal),特点 由神经元分泌； 通过突触间隙到达下一个神经细胞； 作用
6、时间较短（几毫秒），作用范围集中准确，引起的生物学效应短暂。,例如 乙酰胆碱、脑啡肽、谷氨酸、甘氨酸等。,15,（3）局部化学介质（local chemical transmitter）,又称旁分泌信号(paracrine signal,特点 由体内某些普通细胞分泌； 不进入血循环，通过扩散作用到达附近的靶细胞； 一般作用时间较短。,例如 组胺、生长抑素、前列腺素等。,16,（4）生长因子（growth factor） 大多存在于神经内分泌组织、腺体组织和胚胎组织中。 是一类调节细胞生长、分化的多肽类物质。 生长因子主要有EGF、NGF、VEGF、PDGF、FGF、TGF-等。,17,（5）细
7、胞因子（cytokines） 主要由活化的免疫细胞和某些间质细胞所合成、分泌的一类低分子量可溶性糖蛋白或多肽。 一般具有调节细胞生长、分化成熟、调节免疫应答、参与炎症反应、促进伤口愈合等生物学活性。 如白细胞介素（interleumine，IL）、干扰素（inter-feron，IFN）、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）、趋化因子（chemokine）、克隆刺激因子（clone stimulating factor，CSF）、TGF-等。,18,（6）气体信号分子等(NO、CO、HS) NO在NO合成酶（NO synthetase,NOS)催化下由精氨酸氧化产
8、生。 NO作为气体小分子，在细胞间、细胞内可以更迅速传播扩散，无需跨膜转导机制而直接作用于胞内靶酶。 （7）代谢物、光子、离子、药物等,19,2.细胞内信号分子(intracellular signal molecules) 这类细胞内信息分子通常是在细胞间信号分子的指导下产生，通过改变细胞内酶的活性、开启关闭细胞膜离子通道、调节细胞核内基因的转录等，最后调节细胞内代谢，控制细胞的生长、繁殖和分化。 相对于细胞间的第一信使而言，细胞内信号分子一般称为第二信使（the second messenger）。,20,核苷酸衍生物：环腺苷酸（cAMP） 环鸟苷酸（cGMP） 脂类衍生物：甘油二脂（DA
9、G） 糖类衍生物：三磷酸肌醇（IP3） 无机离子： Ca2+ 信号蛋白分子：Ras、Jak、Raf等。,化学性质,21,第三信使(the third messenger),第三信使又称DNA结合蛋白，是指负责细胞核内外信息传递的物质，为一类可与靶基因特异序列相结合的核蛋白，能调节基因的转录水平，发挥转录因子或转录调节因子的作用。,22,3. 细胞间通讯的类型,高等生物所处的环境无时无刻不在变化，机体功能上的协调统一要求有一个完善的细胞间相互识别、联络和相互作用的机制。 细胞通讯（cellular communication）: 指多细胞生物细胞与细胞之间的识别、联络及相互作用过程，这个过程是通
10、过各种信号分子的作用而实现的。,23,（1）间隙连接通讯（gap junction） 是由结合于质膜的蛋白质形成的“连接子”（connexon）结构组成。允许小分子物质（1.5KD）如Ca2+、cAMP等通过，有助于相邻同型细胞对外界信号的协同反应。间隙连接的功能表现在电偶联传导、胚胎发育与分化、代谢的协调、细胞增殖的调控等。,24,细胞间隙连接,25,（2）表面接触通讯 表面接触通讯是指细胞通过其表面结合的信号分子与另一细胞表面的信号分子选择性地相互作用，最终产生细胞应答的过程。,26,辅助刺激信号：T细胞-CD28APC-B7,27,（3）化学信号通讯 化学信号通讯是间接的细胞通讯，指相隔
11、一定距离的细胞之间，靠分泌发放化学信号分子进行相互联系与通讯。 除化学信号外，某些物理信号（光、电等）也可在细胞间传递信息，是细胞通讯的重要组成部分。,28,化学信号通讯,29,化学信号通讯类型,30,受体(receptor) : 是细胞膜上或细胞内可以特异地识别与结合化学信号物质（配体）并能激发靶细胞产生特异生物效应的特殊蛋白质分子。,（二）受体(receptor),受体功能： （1）识别自己特异的信号物质配体，与之结合。 （2）把识别和接受的信号准确无误地放大并传递到胞内，启动一系列胞内信号级联反应，最后导致特定的生物学效应。,31,配体( ligand ) : 能与受体特异性结合的生物活
12、性分子称为配体。如激素、神经递质、抗原、药物、毒素等。 配体除了与受体结合外，本身并无其它功能。它不能参加代谢产生有用产物，也不能直接诱导任何细胞活性，更无酶的特点；它唯一的功能就是通知细胞在环境中存在一种特殊信号或刺激因素。,32,1受体作用的特点 受体与配体结合的特异性 受体与配体的结合有很强的专一性，由于配体和受体都具有特定的分子结构，因此，一种配体只能与之相匹配的受体结合，而不能与其它受体结合。,（CCR-5：RANTES、HIV辅助受体） （RANTES：CCR-5、CCR4）,33,受体与配体结合的高度亲和力 配体与受体的结合能力很高，这种高亲和力保证了很低浓度的配体（10-910
13、-12 mol/L ）就可以起到充分的调控作用。,34,受体与配体结合的可饱和性,受体完全与配体结合后，即使再增加配体的浓度也不会增加细胞的效应，表现出饱和现象，充分体现了细胞对外源环境变化的自身保护作用。,配体-受体结合曲线,35,受体与配体结合的可逆性 配体与受体之间通过氢键、离子键与范德华力等非共价键结合，这种结合不牢固，容易结合，也容易分离。 受体与配体结合的可逆性使细胞在外源信息分子浓度下降后，可迅速终止针对该信息所发生的变化。,36,受体的可调节性 配体的浓度可调节受体的数目，使受体数目减少称为下降调节（down regulation),如胰岛素对胰岛素受体的调节；使受体数目增多则
14、称为上升调节（up regulation )，如HDL对HDL受体数目的调节。,37,2.受体的分类,接收的是不能进入细胞的水溶性化学信号分子和其它细胞表面的信号分子，如生长因子、细胞因子、水溶性激素分子、粘附分子等。,细胞表面受体,接收的信号是可以直接通过脂双层胞膜进入细胞的脂溶性化学信号分子，如类固醇激素、甲状腺素、维甲酸等。,细胞内受体,38,(1) 细胞表面受体(膜受体),存在于细胞质膜上的受体，绝大部分是镶嵌糖蛋白。根据其结构和转换信号的方式又分为三大类：离子通道受体，G蛋白偶联受体和酶偶联受体 (单跨膜受体)。,39,离子通道受体(ion-channel receptor),由多亚
15、基组成受体/离子通道复合体 跨膜信号转导无需中间步骤，反应快（几毫秒） 主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞 配体：神经递质,40,乙酰胆碱受体结构模型,41,. . .,. ,.,.,.,受体,配体,Cell,Cell,通道关闭状态,通道开启，细胞应答,42,G蛋白偶联受体（G-protein-linked receptor）,与G蛋白偶联 一个单肽链，形成7个螺旋的跨膜结构 七螺旋受体（seven-helix receptor） 配体：神经递质、肽类激素、趋化因子 外源刺激（气味、光）,43,酶偶联受体（enzyme-linked receptor）,一旦与配体结合，受体就具有酶的活性 这种受
16、体通常只有一个跨膜螺旋 配体：生长因子、细胞因子,44,酶偶联受体包括： 受体Tyr激酶 受体Ser/Thr激酶 受体Tyr磷酸酶 受体鸟苷酸环化酶 耦联Tyr激酶的受体,45,三种膜受体的特点,46,（2）胞内受体(intracellular receptor) 位于细胞浆和细胞核中的受体，全部为DNA结合蛋白(或转录因子类)。,配体：类固醇激素、甲状腺素和维甲酸等,多为反式作用因子，当与相应配体结合后，能 与DNA的顺式作用元件结合，调节基因转录。,47,A/B区(N端的受体调节区）：高度可变，长短不一。具转录活性，而且决定启动子专一性和细胞专一性，即它在选择激活不同的靶基因，决定激素多样
17、性上有重要意义。 C区(DNA结合区）：富含Cys、具有锌指结构。 E区(C段的激素结合区)：与激素结合；参与转录激活；为受体二聚化所必需；与抑制蛋白结合。 D区(铰链区)：位于DNA结合区与配体结合区之间的一段短的氨基酸序列，含核定位序列 (NLS) 。,受体的结构,48,49,（三）G蛋白,广义的G蛋白是指所有能与GTP或GDP结合的蛋白质。细胞信号转导中扮演重要角色的G蛋白主要有两类： 异三聚体G蛋白：与膜受体偶联，位于细胞膜内侧，由、 三个亚基组成，一般称为经典G蛋白或大G蛋白。 低分子量G蛋白（21kD）：存在于不同的细胞部位的小分子量G蛋白，也称为“小G蛋白”，Ras是第一个被发现
18、的小G蛋白。,50,（四）蛋白激酶与蛋白磷酸酶,.蛋白激酶（protein kinase） 蛋白激酶是指能够将-磷酸从供体分子上转移至底物蛋白的氨基酸受体上的一大类酶。 丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶：PKA、PKG、PKC等。 酪氨酸蛋白激酶：RTK、JAK、Wee等。 双重底物特异性蛋白激酶：MAPKK,51,2.蛋白磷酸酶（protein phosphatase） 蛋白磷酸酶是具有催化已经磷酸化的蛋白分子发生去磷酸化反应的一类酶分子，与蛋白激酶相对于存在共同构成了磷酸化和去磷酸化这一重要的蛋白质活性的开关系统。蛋白磷酸酶也具有底物特异性，分类与蛋白激酶类似。 ,52,（五）调控结合元件,这些结构
19、域像电路中的接头元件一样把不同的信号分子连接起来，称为调控结合元件（modular binding domain）、接头蛋白（adaptor）或连接蛋白(linker)。它们在不同的信号转导分子中具有很高的同源性，如SH2结构域、SH3结构域、PTB结构域、PH结构域等。,信号转导通路形成要求信号转导分子之间可特异性地相互识别和结合，即蛋白质-蛋白质相互作用，这是由信号转导分子中存在的一些特殊结构域介导的。,53,信号转导分子中的蛋白相互作用结构域的分布和作用,54,蛋白相互作用结构域及其识别模体,55,不同的蛋白质分子含有结构相似但并不相同的SH2结构域，因此对于含有磷酸化酪氨酸的不同模体具
20、有选择性。,SH2结构域（Src Homology 2 domain）： 由约100个氨基酸残基组成，介导信号分子与含磷酸酪氨酸蛋白分子的结合，并与磷酸化酪氨酸的磷酸基团结合。这种结合依赖于酪氨酸残基的磷酸化及其周围的氨基酸残基所构成的基序（motif）。,56,SH3结构域（Src Homology 3 结构域）： 介导信号分子与富含脯氨酸的蛋白分子的结合，其亲和力与脯氨酸残基及邻近氨基酸残基所构成的基序序列相关。,57,PH结构域（pleckstrin homology domain ）： PH结构域在血小板蛋白pleckstrin中重复出现，故命名为pleckstrin同源序列（plec
21、kstrin homology）。 由100120个氨基酸残基组成，目前已知它可与膜磷脂类分子PIP2、PIP3等结合，使分子定位于细胞膜，有利酶活性的发挥。同时也发现一些蛋白分子如PKC和G蛋白的亚单位也可与PH结构域结合。 PH结构域是信号转导过程中的蛋白质-蛋白质、蛋白质-脂类相互作用的结构基础。,58,PTB结构域（protein tyrosine binding domain）： 由约160个氨基酸残基组成，与SH2结构域一样，PTB结构域也可以识别一些含磷酸酪氨酸的基序，但其结合基序与SH2结构域有所差别。,59,作为调控结合元件，它们在结构和功能上具有如下特点： 一个信号分子可以
22、含有两个以上的调控结合元件，因此可以同时与两种以上的其它信号分子结合。 同一类调控结合元件可存在于多种不同的信号转导分子中。这些结构域的一级结构不同，因此对所结合的信号分子具有选择性，这是信号分子相互作用特异性的基础。 这些结构域本身均为非催化结构域。,蛋白激酶,Btk,PH,TH,SH3,SH2,催化区,衔接蛋白,Grb2,转录因子,stat,细胞骨架蛋白,tensin,/,60,二、细胞信号转导的基本方式,（一）细胞信号转导网络的构成 细胞的信号转导过程是由一个复杂的网络系统完成的。其结构基础是一些关键的蛋白分子和一些小分子活性物质，这些分子均可以称为信号转导分子（signal trans
23、ducer)。如蛋白激酶和蛋白磷酸酶、GTP结合蛋白、cAMP、cGMP等。,61,（二）信号在细胞内转换和传递的基本方式 1.小分子信使的浓度或细胞内的定位分布发生改变 很多小分子化学物质作为外源信息在细胞内的信使， 对相应的靶分子的活性具有调节作用。 ,62,2.大分子信使的构象变化 许多蛋白质分子接受外源信息或其上游分子的信号使其自身的构像发生改变，构象变化主要引起3种效应：,增强或抑制酶类信号转导分子的催化活性； 许多分子在构象变化后暴露出潜在的亚细胞定位区域，转位（translocation）至细胞膜或细胞核； 募集新的相互作用的蛋白质分子，原有的相互作用分子解离。,63,蛋白质分子
24、的化学修饰：最主要的是蛋白质的磷酸化与去磷酸化（95%发生在丝氨酸，5%发生在苏氨酸，0.01%0.1%发生在酪氨酸）及GTP结合蛋白GTP/GDP结合形式变化。 小分子信使的变构效应：小分子信使作为变构剂结合于靶分子使之发生构像变化进而促使靶分子的活性改变（cAMP结合于PKA使之活化）。 大分子信使的变构作用 ：同一种分子的二聚体化或寡聚体化也可以引起分子的构像变化而发生激活或抑制。,引起信号转导分子发生构象变化的因素有3种：,64,3.蛋白质分子的细胞内定位改变 定位变化可以是原本位于细胞浆的分子转位到细胞膜的内侧，也可以转位到细胞核或其它细胞器，从而将信号传递到相应部位。 4.蛋白质分
25、子的细胞内水平调节 外源化学信号在传递信号过程中，也可以通过多种渠道影响到相应的信号转导分子和效应分子的合成与降解。如基因表达的速度变化，蛋白质分子的稳定性改变等。,65,三、蛋白偶联受体介导的信号转导,（一）蛋白的结构、种类及跨膜传递信息机制 （二）cAMP信号传递途径 （三）IP3、DG信号传递途径 （四）蛋白和离子通道,66,（一）蛋白的结构、种类及跨膜传递信息机制,G蛋白（GTP binding protein）一般是指与膜受体偶联的异三聚体G蛋白（heterotrimeric GTP binding protein）, 只是要明确区分与其它GTP结合蛋白时才使用其全称。,67,1G蛋
26、白的结构 由、三种亚基组成 。分子量100kD左右。 亚: 亚基是G蛋白的活性亚基，其上具有一个GTP结合位点，并具有GTP酶的活性，另外还具有受体和酶的结合位点。基分子量在3946kD之间，具有特异性，被用作G蛋白的分类依据。,68,、亚基: 亚基分子量为36kD，各种G蛋白的亚基都比较相似，亚基分子量在78kD之间，各种G蛋白的亚基除个别有些区别外也比较相似，它与亚基非共价紧密结合。 蛋白在结构上没有跨膜蛋白的特点，它们通过对其亚基上氨基酸残基的脂化修饰作用将G蛋白锚定在细胞膜内侧。,69,2G蛋白的种类 到目前为止，至少有21种不同的亚基，4种亚基和7种亚基已分离鉴定。,70,G蛋白超家
27、族主要类型,71,3G蛋白跨膜传递信息机制,当受体未与配体结合时，G蛋白的三个亚基呈聚合状态，亚基与GDP结合，无活性。 当受体与配体结合时，活化的受体将导致G蛋白亚基释放它原来结合的GDP，代之以GTP，从而使G蛋白激活。 活化的G蛋白三聚体解离成G-GTP和G两部分，不再和受体结合。通常由G-GTP（有时由G）结合并激活（或抑制）质膜中的某种酶，这种酶产生第二信使。 G具有GTP酶的活性，把它所结合的GTP水解成GDP和Pi，从而使G失活，然后再与G亚基结合生成无活性GGDP，受体的作用终止。,72,Gs调节模型,73,在动物细胞中，G蛋白偶联受体改变细胞内第二信使浓度的途径主要有两条：一
28、是cAMP途径，通过G蛋白作用于腺苷酸环化酶，调节cAMP的产生。二是IP3、DG和 Ca2+途径，通过G蛋白作用于磷脂酶C，产生中介信使分子IP3和DG，从内质网释放Ca2+。,74,（二）cAMP信号传递途径,组成,胞外信息分子，受体，G蛋白，腺苷酸环化酶 (adenylate cyclase，AC)， cAMP，蛋白激酶 A(protein kinase A，PKA),75,1该途径的信号分子 根据它们识别的受体种类以及所引起的生物学效应可分为激动型和抑制型两类。前者包括肾上腺素（）、胰高血糖素、促肾上腺皮质激素等。后者包括肾上腺素（ ）、乙酰胆碱（M）、阿片肽、生长抑素等。,76,2该
29、途径的受体：G蛋白偶联受体 偶联的G蛋白按所产生的生物学效应，也主要包括激动型G蛋白（stimulatory G protein，Gs）、抑制型G蛋白（inhibitory G protein，Gi）。分别激活和抑制腺苷酸环化酶（adenylate cyclase,AC） 。,77,腺苷酸环化酶：是相对分子量为150KD的糖蛋白，跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP。,78,1957年，E. Sutherland在研究肾上腺素促进肝糖原分解的机制时发现，这些激素的作用依赖于细胞产生一种小分子化合物环腺苷酸（cyclic AMP，cAMP），从而提出了cA
30、MP是激素在细胞内的第二信使这一著名的激素信号跨膜传递学说。,3该途径的第二信使：cAMP,79,小分子细胞内信使的特点：,在完整细胞中，该分子的浓度或分布在细胞外信 号的作用下发生迅速改变； 该分子类似物可模拟细胞外信号的作用； 阻断该分子的变化可阻断细胞对外源信号的反应。 作为别位效应剂在细胞内有特定的靶蛋白分子。,80,细胞内的第二信使在信号转导过程中的主要变化是浓度的变化，催化它们生成的酶和催化它们水解的酶都会受到膜受体信号转导通路中的信号转导分子的调节。,81,cAMP 的合成与分解,82,cAMP的降解,cAMP的合成,83,cAMP的作用机理,cAMP在细胞可以作用于蛋白质分子，
31、使后者发生构象变化，从而改变活性。 蛋白激酶是一类重要的信号转导分子，也是许多小分子第二信使直接作用的靶分子。 cAMP主要通过激活PKA行使其第二信使的功能。,84,4PKA（依赖cAMP的蛋白激酶） PKA：由4个亚基组成（R2C2)，此为全酶无活性。R为调节亚基，具有与cAMP结合的位点。C为催化亚基，具有激酶的催化活性。,（cAMP-dependent protein kinase，PKA）,85,PKA的激活模型,86,活化的PKA催化将ATP末端磷酸基团转移到靶蛋白特异位点的Ser/Thr残基上，从而调节靶蛋白的活性。,87,PKA底物举例,88, 糖原代谢： 在骨骼肌细胞中，糖原
32、的合成和降解均受肾上腺素的调节。当动物恐惧或紧张时，肾上腺分泌肾上腺素，将“警报”信号经过血液输送到身体的各个组织，以产生适当的反应。 不同细胞对cAMP信号途径的反应速度不同，在肌肉细胞1秒钟之内可启动糖原降解为1-P-葡萄糖，而抑制糖原的合成，产生的葡萄糖在肌细胞内迅速分解为乳糖或CO2，产生ATP，作为肌肉收缩的能源。,89,cAMP对肌细胞中糖原分解合成的调节作用,肾上腺素,90,受cAMP调控的基因中，在其转录调控区有一共同的DNA序列(TGACGTCA)，称为cAMP应答元件(cAMP response element , CRE)。 CRE可与cAMP应答元件结合蛋白 (cAMP
33、 response element bound protein,CREB)相互作用而调节此基因的转录。, 基因表达,91,cAMP信号与基因表达,92,（三）IP3、DG信号传递途径 某些信号分子结合于细胞膜的G蛋白偶联受体后，激活质膜上的磷脂酶C（PLC-），使质膜上4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DAG）两个第二信使，在Ca2+的参与下完成信息传递, 这一信号系统又称为“双信使系统”（double messenger system）。,93,1该途径的信息分子 促甲状腺素释放激素、去甲肾上腺素、抗利尿 激素、血管紧张素、乙酰胆碱、5-
34、羟色胺等。 2该途径的受体 G蛋白偶联受体 偶联的G蛋白是Gq,94,3第二信使分子：IP3、DAG 当信号分子和与相应受体结合后，通过激活特异的G蛋白三聚体Gq，接着Gq激活磷脂酶C-（phospholipase C, PLC-），随后不到1秒PLC-就将4，5-二磷酸磷脂酰肌醇PIP2水解，产生2个第二信使分子IP3和DAG。,95,磷脂酰肌醇激酶类（phosphatidylinositol kinases, PIKs）， 催化磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol，PI）磷酸化。,96,PLC广泛分布于哺乳动物组织细胞内，主要有PLC、PLC、PLC、PLC和PLC等5种亚
35、型。,PLC通过受体偶联的G蛋白而活化，PLC 则通过受体型酪氨酸激酶活化。,磷脂酰肌醇特异性磷脂酶C（PI-PLC，简称PLC）可将PIP2分解成为甘油二酯（DAG）和肌醇三磷酸（IP3）。,97,IP3的寿命不到几秒钟，IP3可以在磷酸酶的作用下脱去磷酸基团变为肌醇，或磷酸化生成IP4。 DAG通过两种途径终止其信使作用：一是被DAG-激酶磷酸化成为磷脂酸，进入磷脂酰肌醇循环；二是被DAG酯酶水解成单酯酰甘油。,98,（1）IP3/Ca2+信号传递途径 IP3是水溶性小分子，生成后从细胞质膜扩散至细胞质中，结合于内质网或肌质网膜上中IP3敏感的Ca2+通道。 IP3在细胞中引起的生理效应几
36、乎都是通过Ca2+信号系统介导完成的。Ca2+与它的受体钙结合蛋白或钙调蛋白结合，然后再激活蛋白激酶。蛋白激酶磷酸化靶蛋白，最后引起生理效应。,99,（2）DAG/PKC信号传递途径 DAG的作用是在磷脂酰丝氨酸和Ca2+协同下激活蛋白激酶C（PKC）。,PKC是一种重要的Ser/Thr激酶，参与细胞的多种功能，即涉及到许多细胞的短期生理效应和细胞的长期效应，如细胞分泌、肌肉收缩、蛋白质合成、细胞的生长等。,100,（3）Ca2+信号系统,细胞外液游离钙浓度高（1.121.23mmol/L）； 细胞内液的钙离子含量很低，且90%以上储存于细 胞内钙库（内质网和线粒体内）；胞液中游离Ca2+的含
37、量极少（基础浓度只有0.010.1mol/L）。,101,导致胞液游离Ca2+浓度升高的反应有两种：,一是细胞质膜钙通道开放，引起钙内流； 二是细胞内钙库膜上的钙通道开放，引起钙释放。,胞液Ca2+可以再经由细胞质膜及钙库膜上的钙泵（Ca2+-ATP酶）返回细胞外或胞内钙库，以消耗能量的方式维持细胞质内的低钙状态。,102,Ca2+信使的靶分子是Ca2+结合蛋白。Ca2+结合蛋白主要有两类： 一类是与Ca2+结合后产生构象变化而后激活一些调节酶和离子通道活性，但本身无酶的活性，如钙调素、肌钙蛋白等； 另一类本身就是一种调节酶或功能酶，如PKC、磷脂酶C等。,103,148个氨基酸的单链多肽，具
38、有4个Ca2+结合位点。,钙调素（Calmodulin）,CaM与Ca2+结合后，构象改变，形成活化态的Ca2+ -CaM 复合体从而有利于与靶蛋白（酶)结合，激活靶酶，发 挥调节作用。,104,105,钙与钙调素调节的某些酶类,106,（四）蛋白和离子通道 G蛋白对离子通道的调节往往是间接的，它们借助于PKA、PKC、或CaM激酶的磷酸化作用，或者影响对于离子通道具有调节作用的cAMP、cGMP的产生（或降解)发挥作用。特别值得注意的是，cAMP和cGMP控制的离子通道在嗅觉和视觉中发挥关键作用。,107,1嗅觉信号传递途径 在鼻腔内有特异的嗅神经元受体，存在于每个神经元伸出的绒毛表面，这些
39、嗅觉受体（olfactory receptors）和嗅觉特异的G蛋白（Golf)相偶联。当嗅觉受体与气味物质结合并激活时，Golf被活化，接着Golf激活腺苷酸环化酶，产生cAMP，开启cAMP门控的阳离子（Na+)通道（cAMP-gated cation channel），钠离子内流，引起神经细胞膜去极化，产生神经冲动，并沿轴突传递到脑，最终形成嗅觉。,108,2视觉信号传递途径 在视杆细胞外侧部分质膜中存在cGMP控制的Na+与Ca2+阳离子通道。在暗环境中，cGMP结合于这些通道并使其保持开放， Na+与Ca2+进入细胞，胞内Na+与Ca2+浓度升高，引起膜去极化，突触持续向次级神经元释
40、放递质。,109,视杆细胞膜盘上含有大量光受体蛋白视紫红质（rhodopsin, Rh）。光照使Rh构象改变激活一种特殊的G蛋白转导素（transducin, Gt）， Gt释放的Gt亚基随之激活cGMP磷酸二酯酶，造成胞质中的cGMP水平因水解而减少，导致和质膜阳离子通道结合的cGMP脱落，以致阳离子通道关闭， Na+与Ca2+浓度下降，引起细胞膜超极化，产生视觉。通过以上途径，信号从膜盘传递到质膜，同时光信号转变为电信号。,110,视觉感受器中的G蛋白,111,视觉信号传递途径（脊椎动物） 光信号Rh激活Gt活化cGMP磷酸二酯酶激活胞内cGMP减少Na+/ Ca2+离子通道关闭两离子浓度
41、下降膜超极化神经递质释放减少视觉反应。,112,通道关闭抑制了Ca2+内流，胞质内Ca2+水平下降到原来的1/10，这一变化又激活了鸟苷酸环化酶，cGMP得到补充，使视杆细胞迅速恢复到被光激活以前的水平。,113,四、酶偶联受体介导的信号转导,114,具有各种催化活性的受体,115,（一）受体酪氨酸激酶信号途径 （ Ras-MAPK途径）,动物细胞膜上的生长因子类受体如EGF、PDGF等本身就具有酪氨酸蛋白激酶的活性，因此把这类受体统称为受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinase, RTK)。,116,1该途径的信号分子 生长因子类： EGF（epidermal grow
42、th facter）PDGF（platelet-derived growth facter）、IGF（insulin-like growth facter）、FGF（fibroblast growth facter）、VGEF（vascular endothelial growth facter）等。 2该途径的受体：RTK,117,* 受体跨膜区由2226个氨基酸残基构成一个-螺旋，高度疏水。,* 胞外区为配体结合部位。,* 胞内区为酪氨酸蛋白激酶功能区（又称SH1, Scr homology 1 domain，与Src的酪氨酸蛋白激酶区同源） 位于C末端，包括ATP结合和底物结合两个功能区
43、。,（1）酪氨酸蛋白激酶受体结构,118,（2）亚类,119,3. RTK的活化：受体二聚体的形成及自磷酸化 EGF受体在膜上以无活性的单体形式存在，配体EGF与受体结合并引起构象变化，导致受体二聚化（dimerization），激活受体本身的酪氨酸蛋白激酶活性，引起受体本身的酪氨酸磷酸化，即发生自身磷酸化。,120,受体酪氨酸激酶的二聚化和自磷酸化,121,研究发现，RTK自我磷酸化的Tyr残基是靶细胞内若干信号蛋白的高亲和力结合位点。Tyr残基和其周围的氨基酸残基构成一个信号结构域，它可与具有SH2结构域的靶蛋白结合传递信息。,122,Grb2（growth-facter receptor
44、 binding protein 2） GAP（GTPase activating protein）,4活化的受体磷酸化酪氨酸残基识别 含SH2结构域的靶蛋白,123,PTP: 磷酸酪氨酸蛋白磷酸酶 使信号通路关闭,PI3K: 磷脂酰肌醇-3-激酶,124,（1）Ras蛋白：Ras蛋白是细胞内的一种小分子单体GTPase，像其它单体GTPase和G蛋白三聚体一样，非活化状态时结合GDP，在外源信号的作用下释放GDP，结合GTP，本身即被激活，Ras蛋白亦具有GTPase活性，将GTP水解成GDP， Ras蛋白本身又回到非活化状态。但Ras蛋白水解GTP的速度比Gs至少慢100倍。,.信号转导R
45、as-MAPK途径,125,细胞内还存在有两种信号蛋白专门调节Ras蛋白在活性和无活性状态之间转换。 鸟苷酸释放因子（guanine-nucleotide releasing factor，GRF）或鸟苷酸交换因子（guanine-nucleotide exchanging factor，GEF）：促使Ras蛋白释放GDP，代之以GTP，将Ras蛋白激活。如 Sos（son of sevenless）蛋白就是一种GEF，含有可与SH3结构域相结合的富含脯氨酸基序。 GTP酶活化蛋白（GAP）：增加Ras蛋白的GTPase活性，加速分解GTP，其速度可提高1万倍，使细胞迅速终止Ras刺激，如Ra
46、f蛋白。,126,127,（2）MAPK MAPK：有丝分裂原活化蛋白激酶或微管相关蛋白激酶 （mitogen-activated protein kinase，或microtubule-associated protein kinase），属Ser/Thr激酶，是接受膜受体转换与传递的信号并将其带入细胞核内的一类重要分子，在多种受体信号传递途径中均具有关键性作用。 ,128,MAPK的磷酸化与活化示意图,MAPKKK,MAPKK,MAPK,Thr,Tyr,Thr,Tyr,P,P,phosphatase,off,on,MAPK,129,哺乳动物细胞重要的MAPK亚家族：,细胞外调节激酶（ext
47、racellular regulated kinase，ERK） c-Jun N-末端激酶/应激激活的蛋白激酶（c-Jun N-terminal kinase/stress-activated protein kinase，JNK/SAPK） p-38-MAPK,130,ERK的级联激活过程：,Raf（MAPKKK）,MEK（MAPKK）,ERK（MAPK）,ERK亚家族包括ERK1、ERK2和ERK3等,广泛存在于各种组织细胞，参与细胞增殖与分化的调控。多种生长因子受体、营养相关因子受体等都需要ERK的活化来完成信号转导过程。,131,EGFR介导的信号转导过程,132,在Ras蛋白下游的蛋
48、白激酶激酶级联系统中，信号蛋白依次是： Raf蛋白：又名MAPKKK，是一种Ser/Thr激酶，其N端结构域结合于活化的Ras蛋白。 MEK蛋白：又名MAPKK。活化的Raf蛋白的C端催化结构域结合并激活MEK蛋白，它兼有Tyr激酶和Thr激酶活性，可使MAPK的Tyr和Thr残基磷酸化。 MAPK：被MEK蛋白磷酸化并激活，具有Ser/Thr激酶活性。,133,MAPK作用机制：被激活后转移至细胞核内，使一些转录因子发生磷酸化，改变细胞内基因表达的状态。另外，它也可以使一些其它的酶发生磷酸化使之活性发生改变。 MAPK调控的生物学效应：参与多种细胞功能的调控，尤其是在细胞增殖、分化及凋亡过程中，是多种信号转导途径的共同作用部位。,134,（3）小结：RTK-Ras-MAPK信号转导途径 在真核细胞中，Ras蛋白介导的RTK Ras信号转导途径高度保守。,135,RTK-Ras-MAPK信号转导途径,136,（二）酪氨酸激酶偶联受体信号途径 （ JAK-STAT途径） 1.该途径的信号分子：细胞因子 如白细胞介素（IL）干扰素（IFN）、集落刺激因子（CSF）、生长激素（GH）等 。,137,2.该途径的受体：酪氨酸激酶偶联受体 这类受体本身不具有酶活性，但与配体结合后发生二聚化而激活，可以募集细胞内非
