第八章物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

第一節(jié)概述●細(xì)胞通訊●信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)及其特性當(dāng)前1頁，總共69頁。細(xì)胞通訊●細(xì)胞通訊的概念●細(xì)胞通訊方式

●信號(hào)分子與受體

●分子開關(guān)與蛋白激酶當(dāng)前2頁，總共69頁。細(xì)胞通訊（cellcommunication） 一個(gè)細(xì)胞發(fā)出的信息通過介質(zhì)傳遞到另一個(gè)細(xì)胞并與靶細(xì)胞相應(yīng)的受體相互作用，然后通過細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)產(chǎn)生胞內(nèi)一系列生理生化變化，最終表現(xiàn)為細(xì)胞整體的生物學(xué)效應(yīng)的過程。細(xì)胞間的通訊對(duì)于多細(xì)胞生物體的發(fā)生和組織的構(gòu)建，協(xié)調(diào)細(xì)胞的功能，控制細(xì)胞的生長、分裂、分化和凋亡是必須的。當(dāng)前3頁，總共69頁。細(xì)胞通訊方式

分泌化學(xué)信號(hào)進(jìn)行通訊

內(nèi)分泌（endocrine）

旁分泌（paracrine）

自分泌（autocrine）

化學(xué)突觸（chemicalsynapse）

接觸性依賴的通訊：細(xì)胞間直接接觸，信號(hào)分子與受體都是細(xì)胞的跨膜蛋白，如精子和卵子之間的識(shí)別間隙連接和胞間連絲當(dāng)前4頁，總共69頁。接觸性依賴的通訊當(dāng)前5頁，總共69頁。信號(hào)分子與受體●信號(hào)分子（signalmolecule）親脂性信號(hào)分子：甾類激素和甲狀腺素親水性信號(hào)分子：神經(jīng)遞質(zhì)、生長因子、局部化學(xué)遞質(zhì)和大多數(shù)激素氣體性信號(hào)分子：NO

當(dāng)前6頁，總共69頁。信號(hào)分子與受體●受體（receptor）一種能夠識(shí)別和選擇性結(jié)合某種配體（信號(hào)分子）的大分子物質(zhì)，多為糖蛋白,少數(shù)是糖脂。一般至少包括兩個(gè)功能區(qū)域，與配體結(jié)合的區(qū)域和產(chǎn)生效應(yīng)的區(qū)域，當(dāng)受體與配體結(jié)合后，構(gòu)象改變而產(chǎn)生活性，啟動(dòng)一系列過程，最終表現(xiàn)為生物學(xué)效應(yīng)。

●第二信使（secondmessenger）:第一信使與受體作用后在胞內(nèi)最早產(chǎn)生的信號(hào)分子，如cAMP、cGMP、三磷酸肌醇（IP3）和二?；视停―G）等當(dāng)前7頁，總共69頁。信號(hào)分子其共同特點(diǎn)是：①特異性，只能與特定的受體結(jié)合；②高效性，幾個(gè)分子即可發(fā)生明顯的生物學(xué)效應(yīng)，這一特性有賴于細(xì)胞的信號(hào)逐級(jí)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(xì)胞免于疲勞。當(dāng)前8頁，總共69頁。細(xì)胞內(nèi)受體:為胞外親脂性信號(hào)分子所激活,激素激活的基因調(diào)控蛋白（胞內(nèi)受體超家族）細(xì)胞表面受體:為胞外親水性信號(hào)分子所激活,細(xì)胞表面受體分屬三大家族：

離子通道偶聯(lián)的受體（ion-channel-linkedreceptor）G-蛋白偶聯(lián)的受體（G-protein-linkedreceptor）酶偶連的受體（enzyme-linkedreceptor）受體當(dāng)前9頁，總共69頁。受體的功能

介導(dǎo)物質(zhì)跨膜運(yùn)輸(受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)當(dāng)前10頁，總共69頁。信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)及其特性信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的基本組成：①信號(hào)識(shí)別：胞外信號(hào)被細(xì)胞表面特異性受體識(shí)別；②信號(hào)的跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)：產(chǎn)生胞內(nèi)第二信使或活化的信號(hào)蛋白；③信號(hào)放大：信號(hào)傳遞至胞內(nèi)效應(yīng)蛋白，引發(fā)胞內(nèi)信號(hào)放大的級(jí)聯(lián)反應(yīng)，改變代謝活性/基因表達(dá)/細(xì)胞運(yùn)動(dòng)；④信號(hào)終止：通過受體的脫敏或下調(diào)，終止或降低細(xì)胞反應(yīng)。當(dāng)前11頁，總共69頁。信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)及其特性信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的的特性特異性、放大作用、信號(hào)終止或下調(diào)、信號(hào)整合當(dāng)前12頁，總共69頁。第二節(jié)細(xì)胞內(nèi)受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)受體的本質(zhì)是激素激活的基因調(diào)控蛋白

●甾類激素介導(dǎo)的信號(hào)通路:信號(hào)分子通過簡單擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),與其受體結(jié)合形成激素-受體復(fù)合物,穿過核孔進(jìn)入胞核與特定區(qū)段的DNA結(jié)合，調(diào)節(jié)基因表達(dá).

兩步反應(yīng)階段：

初級(jí)反應(yīng)階段：直接活化少數(shù)特殊基因轉(zhuǎn)錄，發(fā)生迅速；次級(jí)反應(yīng)階段：初級(jí)反應(yīng)產(chǎn)物再活化其它基因產(chǎn)生延遲的放大作用。●一氧化氮介導(dǎo)的信號(hào)通路當(dāng)前13頁，總共69頁。NO作用于鄰近細(xì)胞。NO在血管內(nèi)皮細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)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當(dāng)前14頁，總共69頁。NO的作用機(jī)理：乙酰膽堿→血管內(nèi)皮→Ca2+濃度升高→一氧化氮合酶→NO→平滑肌細(xì)胞→鳥苷酸環(huán)化酶→cGMP升高→平滑肌舒張→血管擴(kuò)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(jī)理是在體內(nèi)轉(zhuǎn)化為NO。

當(dāng)前15頁，總共69頁。1998年三位美國科學(xué)家因?qū)O信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的研究而獲得諾貝爾生理和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。RobertF.Furchgott

LouisJ.Ignarro

FeridMurad

當(dāng)前16頁，總共69頁。2.5通過細(xì)胞表面受體介導(dǎo)的

信號(hào)跨膜傳遞

●離子通道偶聯(lián)的受體

●

G-蛋白偶聯(lián)的受體

●酶偶聯(lián)受體當(dāng)前17頁，總共69頁。離子通道偶聯(lián)的受體信號(hào)途徑特點(diǎn)：

受體/離子通道復(fù)合體，

跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)無需中間步驟

主要存在于神經(jīng)細(xì)胞或其他可興奮細(xì)胞間的突觸信號(hào)傳遞

有選擇性：配體的特異性選擇和運(yùn)輸離子的選擇性當(dāng)前18頁，總共69頁。G-蛋白偶聯(lián)的受體(GPLR)

●

G蛋白

●

cAMP信號(hào)通路●磷脂酰肌醇信號(hào)通路●其它G-蛋白偶聯(lián)的受體

當(dāng)前19頁，總共69頁。G蛋白三聚體GTP結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白（trimericGTP-bindingregulatoryprotein）簡稱G蛋白，位于質(zhì)膜胞質(zhì)側(cè)，由α、β、γ三個(gè)亞基組成，α和γ亞基通過共價(jià)結(jié)合的脂肪酸鏈尾結(jié)合在膜上（脂錨定蛋白），G蛋白在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中起著分子開關(guān)的作用，當(dāng)α亞基與GDP結(jié)合時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，與GTP結(jié)合時(shí)處于開啟狀態(tài)，α亞基具有GTP酶活性，能催化所結(jié)合的GTP水解，恢復(fù)無活性的三聚體狀態(tài)。當(dāng)前20頁，總共69頁。G蛋白分子開關(guān)當(dāng)前21頁，總共69頁。G蛋白的激活與失活當(dāng)前22頁，總共69頁。

酶偶聯(lián)受體酶偶聯(lián)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(xì)胞因子受體超家族。這類受體的共同點(diǎn)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(dòng)其下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。

當(dāng)前23頁，總共69頁。酶偶聯(lián)受體●受體酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信號(hào)通路●細(xì)胞表面其它與酶偶聯(lián)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(lián)接的受體組氨酸激酶連接的受體（與細(xì)菌的趨化性有關(guān)）

當(dāng)前24頁，總共69頁。cAMP信號(hào)通路反應(yīng)鏈：激素→G-蛋白偶聯(lián)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(diào)控蛋白→基因轉(zhuǎn)錄

當(dāng)前25頁，總共69頁。cAMP信號(hào)通路組分及其分析

G-蛋白偶聯(lián)受體

G-蛋白活化與調(diào)節(jié)

腺苷酸環(huán)化酶：效應(yīng)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(hào)。細(xì)菌毒素對(duì)G蛋白的修飾作用當(dāng)前26頁，總共69頁。細(xì)菌毒素對(duì)G蛋白的修飾作用例如：霍亂毒素能催化ADP核糖基共價(jià)結(jié)合到Gs的α亞基上，致使α亞基喪失GTP酶的活性，結(jié)果GTP永久結(jié)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(dǎo)致霍亂病患者小腸上皮細(xì)胞內(nèi)Na+和水持續(xù)外流，產(chǎn)生嚴(yán)重腹瀉而脫水。當(dāng)前27頁，總共69頁。弧形霍亂菌當(dāng)前28頁，總共69頁。不同細(xì)胞對(duì)cAMP信號(hào)途徑的反應(yīng)：在肌肉細(xì)胞，1秒鐘內(nèi)可啟動(dòng)糖原降解為葡糖1-磷酸，而抑制糖原合成。在某些分泌細(xì)胞，需要幾個(gè)小時(shí)，激活的PKA進(jìn)入細(xì)胞核，將CRE（cAMPresponseelement）結(jié)合蛋白磷酸化，調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達(dá)。CRE是DNA上的調(diào)節(jié)區(qū)域。當(dāng)前29頁，總共69頁。磷脂酰肌醇信號(hào)通路當(dāng)前30頁，總共69頁。磷脂酰肌醇信號(hào)通路

“雙信使系統(tǒng)”反應(yīng)鏈：胞外信號(hào)分子→G-蛋白偶聯(lián)受體→G-蛋白→

→IP3→胞內(nèi)Ca2+濃度升高→Ca2+結(jié)合蛋白(CaM)→細(xì)胞反應(yīng)磷脂酶C(PLC)→→DG→激活PKC→蛋白磷酸化、活化Na+/H+交換使胞內(nèi)pH信號(hào)的終止

當(dāng)前31頁，總共69頁。二?；视停―G）DG結(jié)合于質(zhì)膜上，可活化與質(zhì)膜結(jié)合的蛋白激酶C（ProteinKinaseC，PKC）。PKC以非活性形式分布于細(xì)胞溶質(zhì)中，當(dāng)細(xì)胞接受刺激，產(chǎn)生IP3，使Ca2+濃度升高，PKC便轉(zhuǎn)位到質(zhì)膜內(nèi)表面，被DG活化，PKC可以使蛋白質(zhì)的絲氨酸/蘇氨酸殘基磷酸化，使不同的細(xì)胞產(chǎn)生不同的反應(yīng)，如細(xì)胞分泌、肌肉收縮、細(xì)胞增殖和分化等。當(dāng)前32頁，總共69頁。IP3信號(hào)：依次去磷酸化為自由肌醇。Ca2+信號(hào)：被鈣泵和Na+-Ca2+交換器抽出細(xì)胞，或被泵回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。DG信號(hào)：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(hào)的終止當(dāng)前33頁，總共69頁。受體酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信號(hào)通路

受體酪氨酸激酶（receptortyrosinekinases，RTKs） 包括6個(gè)亞族，主要功能是調(diào)控細(xì)胞生長分化。 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)：配體→受體→受體二聚化→受體的自磷酸化→ 激活RTK→胞內(nèi)信號(hào)蛋白→啟動(dòng)信號(hào)傳導(dǎo)

RTK-Ras信號(hào)通路： 配體→RTK→adaptor←GRF→Ras→Raf（MAPKKK）→MAPKK→MAPK→進(jìn)入細(xì)胞核→其它激酶或基因調(diào)控蛋白（轉(zhuǎn)錄因子）的磷酸化修鈽。當(dāng)前34頁，總共69頁。Ras蛋白

Ras蛋白是ras基因的表達(dá)產(chǎn)物，Ras蛋白的活化對(duì)細(xì)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(guān)。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。當(dāng)前35頁，總共69頁。受體酪氨酸激酶的二聚化

和自磷酸化當(dāng)前36頁，總共69頁。由細(xì)胞表面整聯(lián)蛋白介導(dǎo)的信號(hào)傳遞●整聯(lián)蛋白與粘著斑●粘著斑的功能：

一是機(jī)械結(jié)構(gòu)功能；

二是信號(hào)傳遞功能：有到胞核和核糖體得兩條信號(hào)途徑當(dāng)前37頁，總共69頁。整聯(lián)蛋白由和兩個(gè)亞基形成的異二聚體糖蛋白，其胞外段具有多種胞外基質(zhì)組分的結(jié)合位點(diǎn)，可與不同的配基結(jié)合。不僅介導(dǎo)細(xì)胞與基質(zhì)之間的粘著，還提供了一種細(xì)胞外環(huán)境調(diào)控細(xì)胞內(nèi)活性的渠道。當(dāng)前38頁，總共69頁。信號(hào)的整合與控制

●細(xì)胞對(duì)信號(hào)的整合：

細(xì)胞信號(hào)系統(tǒng)是多通路、多環(huán)節(jié)、多層次和高度復(fù)雜的可控過程，細(xì)胞反應(yīng)得適當(dāng)性依賴于細(xì)胞對(duì)多種接收信號(hào)的整合能力。細(xì)胞對(duì)信號(hào)反應(yīng)具有收斂（convergence）和發(fā)散（divergence）的特點(diǎn)：信號(hào)的強(qiáng)度或持續(xù)時(shí)間不同從而控制反應(yīng)的性質(zhì)；不同細(xì)胞的同樣受體其下游通路也是不同的；整合信號(hào)匯聚其他信號(hào)通路的輸入從而修正細(xì)胞對(duì)信號(hào)的反應(yīng)。胞內(nèi)信號(hào)系統(tǒng)是多途徑，多環(huán)節(jié)，多層次整合的復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)當(dāng)前39頁，總共69頁。信號(hào)的整合與控制細(xì)胞對(duì)信號(hào)的整合：信號(hào)的解除與終止和信號(hào)的啟動(dòng)對(duì)確保細(xì)胞對(duì)信號(hào)的適度反應(yīng)同等重要。細(xì)胞以不同的受體脫敏方式產(chǎn)生對(duì)信號(hào)的適應(yīng)。靶細(xì)胞對(duì)信號(hào)分子脫敏的5種方式：受體沒收、受體下行調(diào)節(jié)、受體失活、信號(hào)蛋白失活和產(chǎn)生抑制蛋白當(dāng)前40頁，總共69頁。當(dāng)前41頁，總共69頁。當(dāng)前42頁，總共69頁。當(dāng)前43頁，總共69頁。當(dāng)前44頁，總共69頁。2.3分子開關(guān)

（molecularswitches）當(dāng)前45頁，總共69頁。2.3蛋白激酶

（Proteinkinases）

蛋白激酶是一類磷酸轉(zhuǎn)移酶，其作用是將ATP的γ磷酸基轉(zhuǎn)移到底物特定的氨基酸殘基上，使蛋白質(zhì)磷酸化，蛋白激酶在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中主要作用有兩個(gè)方面：其一是通過磷酸化調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的活性，磷酸化和去磷酸化是絕大多數(shù)信號(hào)通路組分可逆激活的共同機(jī)制；其二是通過蛋白質(zhì)的逐級(jí)磷酸化，使信號(hào)逐級(jí)放大，引起細(xì)胞反應(yīng)。當(dāng)前46頁，總共69頁。2.3蛋白激酶

蛋白激酶的種類

激酶磷酸基團(tuán)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／谷氨酸激酶酰基當(dāng)前47頁，總共69頁。（A）細(xì)胞內(nèi)受體蛋白作用模型;（B）幾種胞內(nèi)受體蛋白超家族成員當(dāng)前48頁，總共69頁。當(dāng)前49頁，總共69頁。NO在血管平滑肌舒張中的作用當(dāng)前50頁，總共69頁。乙酰膽堿N受體（290KD）5個(gè)亞基組成（2）調(diào)節(jié)主要為