信號轉(zhuǎn)導(dǎo)(研究生2015)

細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

Cellularsignaltransduction

秦燕生理學(xué)與病理生理學(xué)教研室

多細胞生物體必須具備完善的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)其正常的生理功能。細胞間傳遞信息的物質(zhì)多達幾百種：如遞質(zhì)、激素、細胞因子等。代謝或功能改變第一節(jié)概述1.定義：通常是指細胞通過細胞表面受體（或胞內(nèi)核受體）接受外界信號，通過系統(tǒng)級聯(lián)傳遞機制，將胞外信號轉(zhuǎn)導(dǎo)為胞內(nèi)信號，最終引起細胞生理效應(yīng)或誘導(dǎo)特定基因的表達，引起細胞的應(yīng)答反應(yīng)。一、細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的定義及特征信號轉(zhuǎn)導(dǎo)參與所有的細胞生命活動：

⑴細胞代謝⑵細胞分裂⑶細胞分化⑷細胞功能活動⑸細胞死亡細胞跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)主要涉及：

☆胞外信號的識別與結(jié)合;

化學(xué)信號、物理性刺激信號（溫度、機械力、生物電、電磁波等）

☆信號跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo);

☆胞內(nèi)效應(yīng)

細胞代謝和功能的變化2、跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的共同特征

(1)不同形式的外界信號作用于細胞時，這些外界信號通常并不進入細胞或直接影響細胞內(nèi)過程，而是作用于細胞膜表面的相應(yīng)受體(即膜受體），受體被激活后再引起受體后的其他信號分子的順序激活和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，將外界環(huán)境變化的信息以新的信號形式傳遞到膜內(nèi)，再引發(fā)細胞相應(yīng)的功能改變，包括細胞出現(xiàn)電反應(yīng)或其他功能改變。(2)細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)不僅僅是簡單的信號傳遞，同時還具有信號放大功能。(3)跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)雖然涉及多種刺激信號在多種細胞引發(fā)的多種功能改變，但轉(zhuǎn)導(dǎo)過程都是通過少數(shù)幾種類似的途徑或方式實現(xiàn)的。二、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)化1.不同種類受體或配體的相互作用2.不同類型蛋白激酶的相互作用3.不同轉(zhuǎn)錄因子與DNA元件的相互作用第二節(jié)第一信使和受體一、第一信使：信息途徑的激活不可穿過細胞的可穿過細胞的和細胞耦聯(lián)的屬于分泌分子，由突觸前膜釋放。直接結(jié)合于細胞膜上的受體（一）不可穿過細胞膜的信息分子包括：蛋白質(zhì)、多肽類、生物胺等其他小分子信息傳遞方式：1.簡單直接攝入：通過膜上某些特殊結(jié)構(gòu)被攝入細胞，影響細胞的代謝。如通過鈉泵轉(zhuǎn)運進入細胞的Na+。2.與載體蛋白結(jié)合后進入細胞典型代表：維生素B12、膽固醇膽固醇在血液中結(jié)合特異性載體蛋白（LDL）細胞膜上的受體識別載體蛋白并將其攝入acceptor3.通過受體的跨膜信息傳遞：如神經(jīng)遞質(zhì)、神經(jīng)營養(yǎng)因子這些分子存活期短，或代謝快速，或被結(jié)合的受體內(nèi)吞。通常所說的跨膜機制傳遞多指此類機制?。ǘ┛纱┻^細胞的信息分子

是指可以通過脂質(zhì)雙分子層，自由進入細胞，與胞質(zhì)或胞核內(nèi)的相應(yīng)受體結(jié)合，從而影響基因的活動。如神經(jīng)甾體（三）和細胞偶聯(lián)的信息分子

通常位于細胞外側(cè)，作用于物理位置緊鄰的靶細胞。如整合素、影響突觸生長的神經(jīng)細胞粘附分子等二、受體Receptor（一）定義：細胞在進化過程中形成的蛋白組分，能識別周圍環(huán)境中某種微量化學(xué)物質(zhì)，首先與之結(jié)合，并通過中介的信息轉(zhuǎn)導(dǎo)與放大系統(tǒng)，觸發(fā)隨后的生理反應(yīng)或藥理效應(yīng)。能與受體特異性結(jié)合的物質(zhì)----配體能激活受體的配體----激動藥阻斷受體活性的配體----拮抗藥識別→→→轉(zhuǎn)導(dǎo)→→→效應(yīng)根據(jù)受體本身的結(jié)構(gòu)及其效應(yīng)體系的不同，可以把受體分成兩大類：離子通道偶聯(lián)型受體酶偶聯(lián)型受體G蛋白偶聯(lián)受體（二）.分類：表面受體細胞內(nèi)受體1.離子通道偶聯(lián)型受體

channel-linkedreceptor亦稱配體門控性離子通道。它既是受體又是離子通道。受體=配體結(jié)合部位+離子通道配體與受體結(jié)合后改變離子通道的活性,或開放或關(guān)閉直接受配體的控制。如：N型乙酰膽堿受體、GABAA受體

NMDA受體、甘氨酸受體等化學(xué)信號通道開放或關(guān)閉

組成：由單一肽鏈反復(fù)4次穿透細胞膜形成1個亞單位，分子量約60kD，約由500個氨基酸殘基構(gòu)成。并由4-5個亞單位共同在膜中形成一個親水性的通道，又稱環(huán)狀受體。

N型乙酰膽堿受體----2α、β、γ、δ

5個亞單位組成效應(yīng)：將化學(xué)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柖绊懠毎墓δ?。離子通道型受體陽離子通道：乙酰膽堿受體、谷氨酸受體、五羥色胺受體陰離子通道：甘氨酸受體、γ-氨基丁酸受體受體活化→→離子通道開放→→細胞膜去極化或超極化→→引起興奮或抑制效應(yīng)。2.酶偶聯(lián)型受體Enzyme-linkedreceptor

受體本身具有酶的活性，催化部位在細胞膜的內(nèi)面。

該類受體絕大部分是蛋白酶，往往是酪氨酸激酶，能促使其本身酪氨酸殘基產(chǎn)生自身磷酸化而加強此酶活性，再對細胞內(nèi)其他底物作用，促進其酪氨酸磷酸化，激活胞內(nèi)蛋白激酶，增加DNA\RNA合成，加速蛋白質(zhì)，從而產(chǎn)生細胞生長分化等效應(yīng)。

如：神經(jīng)營養(yǎng)因子受體TrK家族、某些生長因子胰島素的受體3.G蛋白偶聯(lián)受體

G-proteincoupledreceptorsGPCR

由七個α螺旋組成的獨立蛋白質(zhì)分子7次跨膜，6個袢羧基、氨基內(nèi)外放人β1腎上腺素能受體2.7埃結(jié)構(gòu)（Warneetal，Nature，2008）

人β2腎上腺素能受體3.4埃結(jié)構(gòu)（Rasmussenetal，Nature，2007）

G-蛋白耦聯(lián)受體的數(shù)量最多，如α、β腎上腺素、

M-乙酰膽堿、5-羥色胺、多巴胺、阿片類、嘌呤類、前列腺素及多肽激素的受體牛視紫紅質(zhì)2.8埃結(jié)構(gòu)（Palczewskietal，Science，2000）

烏賊視紫紅質(zhì)2.5埃結(jié)構(gòu)（Murakamietal，Nature，2008）

一個受體可以激活多個G蛋白，一個G蛋白可以轉(zhuǎn)導(dǎo)多個信息效應(yīng)機制，調(diào)節(jié)許多細胞功能。4.細胞內(nèi)受體可穿過細胞的第一信使親脂性化學(xué)信號分子胞質(zhì)或核內(nèi)受體結(jié)合激活胞質(zhì)或核內(nèi)的化學(xué)級聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)生新的mRNA

蛋白質(zhì)胞內(nèi)受體通常與抑制性蛋白結(jié)合，信號分子與受體結(jié)合后受體與抑制性蛋白分開，受體不再受抑制，其表面暴露出一段DNA結(jié)合區(qū)域?？芍苯幼饔糜诤薉NA，影響轉(zhuǎn)錄。（三）受體-配體識別結(jié)合的特點：

受體與配體的識別基于分子的熱運動和靜電引力以及大分子的誘導(dǎo)契合機制。1.飽和性：分布在膜上的受體數(shù)量有限2.特異性：受體只有與特定配體結(jié)合3.可逆性：4.失敏現(xiàn)象：受體若長期暴露在配體的環(huán)境中就會出現(xiàn)失敏，即大多數(shù)受體的反應(yīng)性下降。5.受體內(nèi)化：有些受體長期暴露在配體的環(huán)境中，會出現(xiàn)受體-配體復(fù)合物進入胞質(zhì)。第三節(jié)受體作用機理與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)一、G蛋白偶聯(lián)型受體及其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)G蛋白偶聯(lián)受體的信號傳遞過程包括：1.配體與受體結(jié)合2.受體活化G蛋白3.G蛋白激活或抑制細胞中的效應(yīng)分子4.效應(yīng)分子改變細胞內(nèi)信使的含量和分布5.信使作用于相應(yīng)的靶分子，改變細胞代謝或功能（一）G蛋白循環(huán)或活化G蛋白又稱鳥苷酸結(jié)合蛋白，是G蛋白耦聯(lián)型受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的第一個信號分子。βαγ在胞內(nèi)Β和γ亞基緊密結(jié)合成二聚體，可認為是功能上的單體。有20余種，MW36-52kD。具有多個活化位點：與受體結(jié)合的部位；與βγ結(jié)合的部位；GDP/GTP結(jié)合部位；與下游效應(yīng)分子相互作用的部位具有GTP酶的活性βαγβαγGTPGDP失活型激活型具有GTP酶的活性G蛋白分為6個亞族：Gs、Gi/olf、Gq、Gt、Gg和G12。（二）效應(yīng)分子及細胞內(nèi)信使1.效應(yīng)分子：催化生成第二信使的酶、離子通道腺甘酸環(huán)化酶(AC)、磷脂酶C、磷酸酶A2、鳥甘酸環(huán)化酶、磷酸二脂酶ATPcAMP5`-AMP磷酸二脂酶ACH+RcAMP的生成與水解2.胞內(nèi)信使：第二信使較重要的第二信使：cAMP、IP3、DG、Ca2+特點：

多為小分子，且不位于能量代謝途徑的中心；

在細胞中的濃度或分布可以迅速改變；

作為變構(gòu)效應(yīng)劑可作用于相應(yīng)的靶分子，已知的靶分子主要為各種蛋白激酶。（三）細胞內(nèi)信使作用的主要靶分子靶分子：各種蛋白激酶1.蛋白激酶A：cAMP依賴性蛋白激酶（PKA）為四聚體的別構(gòu)酶（C2R2），2個催化亞基（C），2個調(diào)節(jié)亞基（R）。PKA作用機理蛋白激酶A（PKA）通過使Ser/Thr殘基磷酸化起作用

對代謝的調(diào)節(jié)作用：

對基因表達的調(diào)節(jié)作用腎上腺素的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制PKA對基因表達的作用2.蛋白激酶G：cGMP依賴性蛋白激酶（cGPK）以cGMP為變構(gòu)效應(yīng)劑，在腦和平滑肌中含量較為豐富3.蛋白激酶C：PKCPKC對細胞的生長分化及其他多種細胞功能具有關(guān)鍵性的調(diào)節(jié)作用，是一類非常重要的信號分子。細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的多條途徑都可以導(dǎo)致PKC激活。DG/IP3/Ca2+PKC二、單次跨膜受體及其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

單次跨膜受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程主要是蛋白質(zhì)分子的相互作用，并有蛋白酪氨酸激酶的廣泛參與。幾類重要的介導(dǎo)單次跨膜受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的蛋白分子的結(jié)構(gòu)及功能。

1.蛋白激酶：

⑴定義：能夠?qū)ⅵ?磷酸基團從磷酸供體分子上轉(zhuǎn)移至底物蛋白的氨基酸受體上的一大類酶。⑵蛋白激酶的分類：

根據(jù)它們磷酸化底物蛋白中氨基酸殘基的特異性不同☆

絲氨酸／蘇氨酸蛋白激酶：它們可使底物蛋白中的絲氨酸或蘇氨酸殘基(羥基）磷酸化，占蛋白激酶中的大多數(shù)；

☆

酪氨酸蛋白激酶：可使底物蛋白酪氨酸殘基（酚羥基）磷酸化，數(shù)量較少，主要在酶耦聯(lián)受體的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)路徑中發(fā)揮作用。如：PKAPKCCaMMAPK如：PTK(3)MAP激酶：MAPK

接受膜受體轉(zhuǎn)換與傳遞的信號并將其帶入細胞核內(nèi)的一類重要分子。MAPKKKMAPKKMAPK刺激生物反應(yīng)使一些轉(zhuǎn)錄因子發(fā)生磷酸化從而改變胞內(nèi)基因的表達狀態(tài)。使一些酶發(fā)生磷酸化從而活性發(fā)生改變。至少有3種MAPK成員：ERK、JNK、P38(4)蛋白酪氨酸激酶：PTK

作用于蛋白中的酪氨酸殘基使之磷酸化。許多細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的最早期事件即為多種蛋白質(zhì)的酪氨酸磷酸化。根據(jù)蛋白酪氨酸激酶在細胞內(nèi)的位置，分為三類：

蛋白酪氨酸激酶受體：跨膜蛋白

位于胞漿部分的蛋白酪氨酸激酶：他們接受受體傳遞的激活信號，或受其他蛋白質(zhì)的調(diào)節(jié)而發(fā)生活性改變。成為受體和最終效應(yīng)分子之間的中介分子。如：Src家族、Tec家族、JAK家族

核內(nèi)蛋白酪氨酸激酶：如Abl和Wee2.蛋白磷酸酶：⑴定義：具有催化已經(jīng)磷酸化的蛋白分子發(fā)生去磷酸化反應(yīng)的一類酶分子。蛋白磷酸酶與蛋白激酶相對應(yīng)存在，共同構(gòu)成了磷酸化與去磷酸化這一重要的蛋白質(zhì)活性的開關(guān)系統(tǒng)。⑵分類：☆蛋白絲氨酸／蘇氨酸磷酸酶：

☆蛋白酪氨酸磷酸酶：3.介導(dǎo)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子相互作用的結(jié)構(gòu)元件：⑴SH2結(jié)構(gòu)域（SH2domain)

約100個氨基酸組成，介導(dǎo)信號分子與含磷酸酪氨酸蛋白分子的結(jié)合。這種結(jié)合依賴于酪氨酸殘基的磷酸化及其周圍的氨基酸殘基所構(gòu)成的基序。⑵SH3結(jié)構(gòu)域（SH3domain)

約50-100個氨基酸組成，介導(dǎo)信號分子與富含脯氨酸的蛋白分子的結(jié)合。其親和力與脯氨酸及鄰近氨基酸殘基所構(gòu)成的基序序列有關(guān)。⑶PH結(jié)構(gòu)域（