物質的跨膜運輸與信號轉導

關于物質的跨膜運輸與信號轉導第1頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)概述●細胞通訊●信號轉導系統(tǒng)及其特性第2頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五細胞通訊●細胞通訊的概念●細胞通訊方式

●信號分子與受體

●分子開關與蛋白激酶第3頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五細胞通訊（cellcommunication）

一個細胞發(fā)出的信息通過介質傳遞到另一個細胞并與靶細胞相應的受體相互作用，然后通過細胞信號轉導產生胞內一系列生理生化變化，最終表現為細胞整體的生物學效應的過程。細胞間的通訊對于多細胞生物體的發(fā)生和組織的構建，協(xié)調細胞的功能，控制細胞的生長、分裂、分化和凋亡是必須的。第4頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五細胞通訊方式

分泌化學信號進行通訊

內分泌（endocrine）

旁分泌（paracrine）

自分泌（autocrine）

化學突觸（chemicalsynapse）

接觸性依賴的通訊：細胞間直接接觸，信號分子與受體都是細胞的跨膜蛋白，如精子和卵子之間的識別間隙連接和胞間連絲第5頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五接觸性依賴的通訊第6頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五信號分子與受體●信號分子（signalmolecule）親脂性信號分子：甾類激素和甲狀腺素親水性信號分子：神經遞質、生長因子、局部化學遞質和大多數激素氣體性信號分子：NO

第7頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五信號分子與受體●受體（receptor）一種能夠識別和選擇性結合某種配體（信號分子）的大分子物質，多為糖蛋白,少數是糖脂。一般至少包括兩個功能區(qū)域，與配體結合的區(qū)域和產生效應的區(qū)域，當受體與配體結合后，構象改變而產生活性，啟動一系列過程，最終表現為生物學效應。

●第二信使（secondmessenger）:第一信使與受體作用后在胞內最早產生的信號分子，如cAMP、cGMP、三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG）等第8頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五信號分子其共同特點是：①特異性，只能與特定的受體結合；②高效性，幾個分子即可發(fā)生明顯的生物學效應，這一特性有賴于細胞的信號逐級放大系統(tǒng)；③可被滅活，完成信息傳遞后可被降解或修飾而失去活性，保證信息傳遞的完整性和細胞免于疲勞。第9頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五細胞內受體:為胞外親脂性信號分子所激活,激素激活的基因調控蛋白（胞內受體超家族）細胞表面受體:為胞外親水性信號分子所激活,

細胞表面受體分屬三大家族：

離子通道偶聯的受體（ion-channel-linkedreceptor）G-蛋白偶聯的受體（G-protein-linkedreceptor）酶偶連的受體（enzyme-linkedreceptor）受體第10頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五受體的功能

介導物質跨膜運輸(受體介導的內吞作用)信號轉導第11頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五信號轉導系統(tǒng)及其特性信號轉導系統(tǒng)的基本組成：①信號識別：胞外信號被細胞表面特異性受體識別；②信號的跨膜轉導：產生胞內第二信使或活化的信號蛋白；③信號放大：信號傳遞至胞內效應蛋白，引發(fā)胞內信號放大的級聯反應，改變代謝活性/基因表達/細胞運動；④信號終止：通過受體的脫敏或下調，終止或降低細胞反應。第12頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五信號轉導系統(tǒng)及其特性信號轉導系統(tǒng)的的特性特異性、放大作用、信號終止或下調、信號整合第13頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)細胞內受體介導的信號轉導細胞內受體的本質是激素激活的基因調控蛋白

●甾類激素介導的信號通路:信號分子通過簡單擴散進入細胞內,與其受體結合形成激素-受體復合物,穿過核孔進入胞核與特定區(qū)段的DNA結合，調節(jié)基因表達.

兩步反應階段：

初級反應階段：直接活化少數特殊基因轉錄，發(fā)生迅速；次級反應階段：初級反應產物再活化其它基因產生延遲的放大作用?！褚谎趸閷У男盘柾返?4頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五NO作用于鄰近細胞。NO在血管內皮細胞和神經細胞中生成，由一氧化氮合酶（NOS）催化，以L-精氨酸為底物，NADPH為電子供體，生成NO和L-瓜氨酸。NO第15頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五NO的作用機理：乙酰膽堿→血管內皮→Ca2+濃度升高→一氧化氮合酶→NO→平滑肌細胞→鳥苷酸環(huán)化酶→cGMP升高→平滑肌舒張→血管擴張、血流通暢。硝酸甘油治療心絞痛具有百年的歷史，其作用機理是在體內轉化為NO。

第16頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五1998年三位美國科學家因對NO信號轉導機制的研究而獲得諾貝爾生理和醫(yī)學獎。RobertF.Furchgott

LouisJ.Ignarro

FeridMurad

第17頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五2.5通過細胞表面受體介導的

信號跨膜傳遞

●離子通道偶聯的受體

●

G-蛋白偶聯的受體

●酶偶聯受體第18頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五離子通道偶聯的受體信號途徑特點：

受體/離子通道復合體，

跨膜信號轉導無需中間步驟

主要存在于神經細胞或其他可興奮細胞間的突觸信號傳遞

有選擇性：配體的特異性選擇和運輸離子的選擇性第19頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五G-蛋白偶聯的受體(GPLR)

●

G蛋白

●

cAMP信號通路●磷脂酰肌醇信號通路●其它G-蛋白偶聯的受體

第20頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五G蛋白

三聚體GTP結合調節(jié)蛋白（trimericGTP-bindingregulatoryprotein）簡稱G蛋白，位于質膜胞質側，由α、β、γ三個亞基組成，α和γ亞基通過共價結合的脂肪酸鏈尾結合在膜上（脂錨定蛋白），G蛋白在信號轉導過程中起著分子開關的作用，當α亞基與GDP結合時處于關閉狀態(tài)，與GTP結合時處于開啟狀態(tài)，α亞基具有GTP酶活性，能催化所結合的GTP水解，恢復無活性的三聚體狀態(tài)。第21頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五G蛋白分子開關第22頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五G蛋白的激活與失活第23頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五

酶偶聯受體

酶偶聯型受體分為兩類，其一是本身具有激酶活性，如肽類生長因子（EGF，PDGF，CSF等）受體；其二是本身沒有酶活性，但可以連接非受體酪氨酸激酶，如細胞因子受體超家族。這類受體的共同點是：①通常為單次跨膜蛋白；②接受配體后發(fā)生二聚化和自磷酸化而激活，啟動其下游信號轉導。

第24頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五酶偶聯受體●受體酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信號通路●細胞表面其它與酶偶聯的受體受體絲氨酸/蘇氨酸激酶受體酪氨酸磷酸酯酶受體鳥苷酸環(huán)化酶（ANPs-signals）酪氨酸蛋白激酶聯接的受體組氨酸激酶連接的受體（與細菌的趨化性有關）

第25頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五cAMP信號通路反應鏈：激素→G-蛋白偶聯受體(GPLR)→G-蛋白→腺苷酸環(huán)化酶→cAMP→cAMP依賴的蛋白激酶A→基因調控蛋白→基因轉錄

第26頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五cAMP信號通路組分及其分析

G-蛋白偶聯受體

G-蛋白活化與調節(jié)腺苷酸環(huán)化酶：效應酶蛋白激酶A

環(huán)腺苷酸磷酸二酯酶：降解cAMP生成5’-AMP，終止信號。細菌毒素對G蛋白的修飾作用第27頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五細菌毒素對G蛋白的修飾作用例如：霍亂毒素能催化ADP核糖基共價結合到Gs的α亞基上，致使α亞基喪失GTP酶的活性，結果GTP永久結合在Gs的α亞基上，使α亞基處于持續(xù)活化狀態(tài)，腺苷酸環(huán)化酶永久性活化。導致霍亂病患者小腸上皮細胞內Na+和水持續(xù)外流，產生嚴重腹瀉而脫水。第28頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五弧形霍亂菌第29頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五不同細胞對cAMP信號途徑的反應：在肌肉細胞，1秒鐘內可啟動糖原降解為葡糖1-磷酸，而抑制糖原合成。在某些分泌細胞，需要幾個小時，激活的PKA進入細胞核，將CRE（cAMPresponseelement）結合蛋白磷酸化，調節(jié)相關基因的表達。CRE是DNA上的調節(jié)區(qū)域。第30頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五磷脂酰肌醇信號通路第31頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五磷脂酰肌醇信號通路

“雙信使系統(tǒng)”反應鏈：胞外信號分子→G-蛋白偶聯受體→G-蛋白→

→IP3→胞內Ca2+濃度升高→Ca2+結合蛋白(CaM)→細胞反應磷脂酶C(PLC)→→DG→激活PKC→蛋白磷酸化、活化Na+/H+交換使胞內pH信號的終止

第32頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五二?；视停―G）DG結合于質膜上，可活化與質膜結合的蛋白激酶C（ProteinKinaseC，PKC）。PKC以非活性形式分布于細胞溶質中，當細胞接受刺激，產生IP3，使Ca2+濃度升高，PKC便轉位到質膜內表面，被DG活化，PKC可以使蛋白質的絲氨酸/蘇氨酸殘基磷酸化，使不同的細胞產生不同的反應，如細胞分泌、肌肉收縮、細胞增殖和分化等。第33頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五IP3信號：依次去磷酸化為自由肌醇。Ca2+信號：被鈣泵和Na+-Ca2+交換器抽出細胞，或被泵回內質網。DG信號：被DG激酶磷酸化為磷脂酸；或被DG酯酶水解成單酯酰甘油。信號的終止第34頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五受體酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信號通路

受體酪氨酸激酶（receptortyrosinekinases，RTKs） 包括6個亞族，主要功能是調控細胞生長分化。 信號轉導：配體→受體→受體二聚化→受體的自磷酸化→ 激活RTK→胞內信號蛋白→啟動信號傳導

RTK-Ras信號通路： 配體→RTK→adaptor←GRF→Ras→Raf（MAPKKK）→MAPKK→MAPK→進入細胞核→其它激酶或基因調控蛋白（轉錄因子）的磷酸化修鈽。第35頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五Ras蛋白

Ras蛋白是ras基因的表達產物，Ras蛋白的活化對細胞的分化和增殖是必須的，大量研究表明，約30%的人類惡性腫瘤與ras基因突變相關。原因在于突變的Ras蛋白失去了其水解GTP的能力，所以被鎖定在開啟狀態(tài)，引起增殖失控。第36頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五受體酪氨酸激酶的二聚化

和自磷酸化第37頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五由細胞表面整聯蛋白介導的信號傳遞●整聯蛋白與粘著斑●粘著斑的功能：

一是機械結構功能；

二是信號傳遞功能：有到胞核和核糖體得兩條信號途徑第38頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五整聯蛋白由和兩個亞基形成的異二聚體糖蛋白，其胞外段具有多種胞外基質組分的結合位點，可與不同的配基結合。不僅介導細胞與基質之間的粘著，還提供了一種細胞外環(huán)境調控細胞內活性的渠道。第39頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五信號的整合與控制

●細胞對信號的整合：細胞信號系統(tǒng)是多通路、多環(huán)節(jié)、多層次和高度復雜的可控過程，細胞反應得適當性依賴于細胞對多種接收信號的整合能力。細胞對信號反應具有收斂（convergence）和發(fā)散（divergence）的特點：信號的強度或持續(xù)時間不同從而控制反應的性質；不同細胞的同樣受體其下游通路也是不同的；整合信號匯聚其他信號通路的輸入從而修正細胞對信號的反應。胞內信號系統(tǒng)是多途徑，多環(huán)節(jié)，多層次整合的復雜的網絡系統(tǒng)第40頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五信號的整合與控制細胞對信號的整合：信號的解除與終止和信號的啟動對確保細胞對信號的適度反應同等重要。細胞以不同的受體脫敏方式產生對信號的適應。靶細胞對信號分子脫敏的5種方式：受體沒收、受體下行調節(jié)、受體失活、信號蛋白失活和產生抑制蛋白第41頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五第42頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五第43頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五第44頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五第45頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五2.3分子開關

（molecularswitches）第46頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五2.3蛋白激酶

（Proteinkinases）

蛋白激酶是一類磷酸轉移酶，其作用是將ATP的γ磷酸基轉移到底物特定的氨基酸殘基上，使蛋白質磷酸化，蛋白激酶在信號轉導中主要作用有兩個方面：其一是通過磷酸化調節(jié)蛋白質的活性，磷酸化和去磷酸化是絕大多數信號通路組分可逆激活的共同機制；其二是通過蛋白質的逐級磷酸化，使信號逐級放大，引起細胞反應。第47頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五2.3蛋白激酶

蛋白激酶的種類

激酶

磷酸基團受體蛋白絲氨酸／蘇氨酸激酶絲氨酸／蘇氨酸羥基蛋白酪氨酸激酶酪氨酸的酚羥基蛋白組／賴／精氨酸激酶咪唑環(huán)，胍基，ε－氨基蛋白半胱氨酸激酶巰基蛋白天冬氨酸／谷氨酸激酶酰基第48頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五（A）細胞內受體蛋白作用模型;（B）幾種胞內受體蛋白超家族成員第49頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五第50頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五NO在血管平滑肌舒張中的作用第51頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五

乙酰膽堿N受體（290KD）

5個亞基組成（2）調節(jié)主要為亞基變化通道開啟：Na+

內流，K+外流，膜去極化。第52頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五cAMP信號通路反應鏈第53頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五蛋白激酶A第54頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五第55頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五IP3和DG的作用第56頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五第57頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五腺苷酸環(huán)化酶第58頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五第59頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五第60頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五第61頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五ConvergeonRas第62頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五第63頁，共73頁，2023年，2月20日，星期五第64頁，共73頁，2023年，2月20