分子生物學-信號轉(zhuǎn)導課件

信號轉(zhuǎn)導單細胞生物

——

直接作出反應多細胞生物

——通過細胞間復雜的信號傳遞系統(tǒng)來傳遞信息，從而調(diào)控機體活動。外界環(huán)境變化時信號細胞反應增殖分化代謝功能應激凋亡

or

or lost

disease重癥肌無力巨人癥霍

亂劇烈吐瀉、脫水、微循環(huán)衰竭、代謝性酸中毒和急性腎功能衰竭信號轉(zhuǎn)導的概念細胞特異識別外來信號分子，并轉(zhuǎn)化為細胞可識別的信號，經(jīng)系列級聯(lián)反應，最終引起特異生物學效應的過程，稱為信號轉(zhuǎn)導(signal

transduction)。信號轉(zhuǎn)導信號轉(zhuǎn)導基本成員細胞信號分子(配體)signal molecule主要指化學信號分子，即化學信使。由細胞分泌的信息傳遞物質(zhì)，包括蛋白質(zhì)、多肽、氨基酸及氨基酸衍生物、甾類、脂肪酸衍生物和生物堿等。當這些外界信號由受體所接受時，又把其稱為配體。ligand指某些能特異同細胞膜或細胞內(nèi)的受體結合，并誘發(fā)細胞產(chǎn)生特定的生理生化反應，并最終產(chǎn)生生物學效應的物質(zhì)。配體種類配體類型合成方式作用細胞特點內(nèi)分泌激素內(nèi)分泌細胞合成靶細胞（遠）距離遠，范圍大，持續(xù)時間長神經(jīng)遞質(zhì)神經(jīng)元突觸前膜終端釋放突觸后膜上受體距離短，時間短。局部化學介質(zhì)靶細胞附近細胞分泌靶細胞（近）距離短，時間短。配體特性特異性復雜性：不同細胞不同效應時間效應：反應快，效應短暫反應慢，效應長久信號轉(zhuǎn)導基本成員細胞信號分子(配體)受體Receptor細胞膜或細胞內(nèi)某些能特異性地與外源性物質(zhì)(配體)結合，并誘發(fā)細胞產(chǎn)生某些特定的生理生化反應，并最終產(chǎn)生生物學效應的物質(zhì)。其化學本質(zhì)主要是糖蛋白、脂蛋白或糖脂蛋白等。Membrane

ReceptorIntracellular

receptor細胞的受體Intracellular

receptor存在于細胞質(zhì)和細胞核內(nèi)，與脂溶性信號分子結合的受體

。membrane

receptor指位于細胞膜上的受體，是鑲嵌在細胞膜類脂雙分子層中的各種特異性的蛋白質(zhì)分子，能與配體特異性結合，并在細胞內(nèi)引起相應的反應。膜受體的結構識別部位：露在脂雙分子層外面能與外界信號識別結合部位。轉(zhuǎn)換部位：把識別部位接受的信號轉(zhuǎn)換給效應部位。效應部位：露在細胞內(nèi)表面的部分，具有酶活性，激活后可產(chǎn)生相應的生物學效應。N型乙酰膽堿受體圖細胞外域跨膜域細胞內(nèi)域受體域催化域識別部位效應部位轉(zhuǎn)換部位跨膜區(qū)單體型受體聚合型受體受體的分子結構二、膜受體的特性1. 特異性及其非絕對性特異性：分子間立體構象互補非絕對性：一種化學信號可以與一種以上受體結合，引起不同生物學效應。腎上腺素：α受體：平滑肌收縮β受體：平滑肌松弛二、膜受體的特性特異性及其非絕對性可飽和性：受體數(shù)目有限二、膜受體的特性特異性及其非絕對性可飽和性具有高親和力：受體和配體結合能力高二、膜受體的特性特異性及其非絕對性可飽和性具有高親和力可逆性：以非共價鍵結合，結合后可解離。二、膜受體的特性特異性及其非絕對性可飽和性具有高親和力可逆性特定的組織定位：受體只存在于靶細胞受體的類型根據(jù)膜受體的結構與功能的不同，分為：離子通道受體酶偶聯(lián)受體G蛋白偶聯(lián)受體G蛋白偶聯(lián)受體(Gprotein-coupled

receptor)－通過第二信使起作用G蛋白偶聯(lián)受體由單一多肽鏈組成，帶有7個跨膜疏水區(qū)域；-NH2端朝向細胞外，-COOH端面向細胞質(zhì)；深綠色部位：配體結合區(qū)橙黃色區(qū)：

G蛋白結合區(qū)紅色區(qū)：磷酸化部位。第一信使、第二信使細胞外細胞膜細胞質(zhì)ATPcAMP第一信使第二信使蛋白激酶A細胞效應G蛋白可以激活不同的酶（效應器），產(chǎn)生不同的第二信使，構成不同的信號通路?？筛鶕?jù)產(chǎn)生的第二信使名稱，對信號通路進行命名。G蛋白偶聯(lián)受體(Gprotein-coupled

receptor)－通過第二信使起作用分為：cAMP信號通路磷脂酰肌醇信號通路配體受體Ｇ蛋白G

protein即鳥苷酸結合蛋白，一般是指任何可與鳥苷酸結合的蛋白質(zhì)的總稱，但通常所說的G蛋白僅僅是信號轉(zhuǎn)導途徑中與受體偶聯(lián)的鳥苷酸結合蛋白。(1)G蛋白由

、

、

3個不同亞基形成的三聚體；(2)G

亞基具有GDP/GTP結合能力，并具有GTP酶活性；(3)G

、G

亞基緊密形成一個功能單位，起調(diào)節(jié)G蛋白活性的作用。

GTPGDPG蛋白的分子組成示意圖G蛋白異三聚體的分子結構G蛋白的作用機制靜息狀態(tài)下，G蛋白以異三聚體形式存在于細胞膜上，

亞基與GDP相結合，并與受體呈分離狀態(tài)；配體與受體結合，使

亞單位與受體結合，G蛋白構象改變，

亞基轉(zhuǎn)而與GTP結合；

亞基與

亞基分離，同時從受體復合體上脫落成為游離的獨立功能亞基，并發(fā)揮生物學功能；

配體與受體解離，

亞基發(fā)揮GTP水解酶活性，GTP水解為GDP，

亞基與靶蛋白分離，與

亞基結合恢復到靜止狀態(tài)。RＲHACγβαGDPαGTPβγ腺苷酸環(huán)化酶ATPACcAMPＧ蛋白類型Gs家族：對效應蛋白起激活作用，α亞單位為αs亞單位，構成的G蛋白則稱為Gs蛋白Gi家族：對效應蛋白起抑制作用，α亞單位為αi亞單位，構成的G蛋白則為Gi蛋白Gp家族：激活磷脂酶C，參與對IP3、DG的調(diào)節(jié)。G蛋白的類型G蛋白類型 分子量 效應蛋白G

s1 52kd 激活腺苷酸環(huán)化酶、Ca2+通道、抑制Na+通道Gs家族 G

s2 45kd 激活腺苷酸環(huán)化酶、Ca2+通道、抑制Na+通道G

olf 45kd 激活腺苷酸環(huán)化酶、Ca2+通道、抑制Na+通道G

i141kd抑制腺苷酸環(huán)化酶G

i240kd抑制Ca2＋通道、激活K＋通道G

i341kd激活磷脂酶C，激活(?)/抑制(?)磷脂酶A2G

o139kd抑制Ca2＋通道Gi家族G

o239kd激活磷脂酶C，激活(?)/抑制(?)磷脂酶A2G

t139kd激活視細胞磷酸二脂酶G

t239kd激活視細胞磷酸二脂酶G

gust40kd激活味覺上皮細胞磷酸二脂酶G

240kd抑制腺苷酸環(huán)化酶Gp家族G

p42-44kd激活磷脂酶C配體受體Ｇ蛋白腺苷酸環(huán)化酶細胞外細胞膜細胞質(zhì)腺苷酸環(huán)化酶的分子結構單一多肽鏈，多次跨膜蛋白。具有兩個大的疏水區(qū)：M1和M2。每一疏水區(qū)都具有6次跨膜

螺旋具有兩個大的胞質(zhì)區(qū)：C1和C2，可結合ATP并表現(xiàn)出酶活性。M1M2腺苷酸環(huán)化酶的活性調(diào)節(jié)AC與Gs

.GTP結合后被激活；AC與Gi

.GTP結合后被抑制；腺苷酸環(huán)化酶具不同亞型，迄今為止已至少發(fā)現(xiàn)了6種亞型，其分布具有組織特異性：I型（腦組織），III型（味覺上皮細胞）。是位于細胞膜上的G蛋白效應蛋白之一，可催化ATP形成cAMP和焦磷酸(ppi)；配體受體Ｇ蛋白腺苷酸環(huán)化酶cAMP（第二信使）cAMP（環(huán)式腺嘌呤單核苷酸）又稱為第二信使在細胞內(nèi)的濃度在外來信號到達時能上下波動，能快速產(chǎn)生和快速消失細胞外信號通過控制cAMP水平而發(fā)揮作用。配體受體Ｇ蛋白腺苷酸環(huán)化酶cAMP（第二信使）PKAcAMP依賴性蛋白激酶A（cAMP－dependentprotein

kinase，PKA）由兩個催化亞基和兩個調(diào)節(jié)亞基組成cAMP依賴性蛋白激酶A（cAMP－dependentprotein

kinase，PKA）由兩個催化亞基和兩個調(diào)節(jié)亞基組成激活后可使靶蛋白磷酸化(特定Ser/Thr殘基磷酸化），從而調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝和基因表達。在不同組織中PKA的底物大不相同，cAMP通過活化或抑制不同的酶系統(tǒng)，使細胞對外界不同的信號產(chǎn)生不同的反應。CAMPCAMP反應元件結合蛋白反應元件結合蛋白CAMPCAMP反應元件反應元件肝細胞對胰高血糖素或腎上腺素的反應CAMP反應元件結合蛋白CAMP反應元件生成葡萄糖時所需要的合成代謝酶類的合成β腎上腺素能受體胰高血糖素受體激活Gs,

增加AC活性cAMPPKA促進心肌鈣轉(zhuǎn)運心肌收縮性增強增加肝臟糖原分解進入核內(nèi)PKA激活靶基因轉(zhuǎn)錄(一)腺苷酸環(huán)化酶途徑(一)腺苷酸環(huán)化酶途徑α2腎上腺素能受體M2

膽堿能受體血管緊張素Ⅱ受體激活與Gi偶聯(lián)AC活性下降cAMP活性下降平滑肌舒張cAMP信號通路小結配體與受體結合受體蛋白分子發(fā)生構象上變化受體與G蛋白αs亞基

結合α亞基與GDP親和力下降，與GTP親和力增加，GTP置換GDPα亞基變構，

α與β、γ

分離，

同時α與受體分離（G蛋白至功能狀態(tài)）活化的G蛋白與AC結合，激活之AC催化ATP分解形成cAMP（第二信c使A）MP活化

cAMP依賴性蛋白激酶A（

PKA）使靶蛋白磷酸化肝細胞糖原分解甲狀腺素分泌肌肉細胞收縮某些通過cAMP介導的激素應答實例組織激素應答肝骨骼肌心肌脂肪腎甲狀腺腎上腺骨卵巢腎上腺素、胰高血糖素糖素腎上腺素腎上腺素腎上腺素、胰高血糖素糖素、促腎上腺皮質(zhì)激素加壓素促甲狀腺素促腎上腺皮質(zhì)素甲狀旁腺素LH糖原的水解、葡萄糖的合成、糖原合成的抑制糖原的水解、糖原合成的抑制加快收縮三酰基甘油的降解提高表皮細胞對水的通透性促進甲狀腺激素的分泌促進糖皮質(zhì)激素的分泌增強鈣的重吸收增強膽固醇激素的分泌動畫演示細胞信號轉(zhuǎn)導途徑3二、磷脂酰肌醇信使體系IP3、DG和Ca2+信使體系組成：

膜受體、G蛋白、磷脂酶C激素與受體結合G蛋白變構活化磷脂酶C-β(PLC-β）二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）二?；视虳G三磷酸肌醇IP3磷脂酶CG蛋白二磷酸磷脂酰肌醇二酰基甘油鈣調(diào)蛋白蛋白激酶C三磷酸肌醇Ca與鈣調(diào)蛋白Ca2+生理功能：作為第三信使；活化Ca2+結合蛋白Ca2+在胞質(zhì)內(nèi)的濃度：基態(tài)濃度:10-7Ｍ．鈣調(diào)蛋白（CaM）：含4個結合Ca2+結構域的多肽鏈。作用模式：

CaM

Ca2+CaM-

Ca靶酶磷脂酶CG蛋白二磷酸磷脂酰肌醇二酰基甘油鈣調(diào)蛋白蛋白激酶C三磷酸肌醇二?；视虳G三磷酸肌醇IP3Ca2+從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放活化鈣調(diào)蛋白（CaM）激活蛋白激酶或磷酸酶活化靶蛋白生物學效應活化PKC底物磷酸化;激活鈉泵等使胞內(nèi)pH

IP3、DG和Ca2+信使體系由鈣觸發(fā)的哺乳動物蛋白的例子蛋白 蛋白的功能蛋白 蛋白的功能肌鈣蛋白C 肌收縮的調(diào)節(jié)劑鈣調(diào)蛋白 蛋白激酶和其他一些酶的調(diào)節(jié)劑鈣視網(wǎng)膜蛋白 鳥苷酸環(huán)化酶的激活劑（需）鈣蛋白酶

蛋白酶PI特異的PLC IP3和DAG的生成劑α-輔基蛋白 肌動蛋白結合蛋白鈣調(diào)磷酸酶B 磷酸酶膜連蛋白 涉及胞吞胞吐凝溶膠蛋白 肌動蛋白切斷蛋白Ca2+逆向轉(zhuǎn)運蛋白

Ca2+與單價離子交換蛋白鈣調(diào)結合蛋白 調(diào)節(jié)肌肉收縮絨毛蛋白 肌動蛋白的組織者Ca2+-ATP酶 Ca2+跨膜運輸泵磷脂酶A2 花生四烯酸的產(chǎn)生磷脂酶CG蛋白二磷酸磷脂酰肌醇二?；视外}調(diào)蛋白蛋白激酶C三磷酸肌醇二?；视虳G活化PKC(蛋白激酶Ｃ）底物磷酸化(細胞分泌，肌肉收縮等）激活鈉泵等使胞內(nèi)pH

）三磷酸肌醇IP3與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的受體結合Ca2+從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放活化鈣調(diào)蛋白（CaM）激活蛋白激酶或磷酸酶活化靶蛋白，生物學效應IP3、DG和Ca2+信使體系磷脂酶CG蛋白二磷酸磷脂酰肌醇二?；视外}調(diào)蛋白蛋白激酶C三磷酸肌醇由蛋白激酶C介導的某些反應組織反應組織反應血小板腎上腺髓質(zhì)肝垂體細胞睪丸分泌血清緊張素分泌腎上腺素糖原水解分泌GH和LH睪丸酮的合成肥大細胞胰腺脂肪組織甲狀腺神經(jīng)元釋放組胺分泌胰島素脂肪合成分泌降鈣素釋放多巴胺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(lián)受體→G-蛋白→→IP3→胞內(nèi)Ca2+濃度升高→Ca2+結合蛋白(CaM)→細胞反應磷脂酶C(PLC)→→DG→激活PKC→蛋白磷酸化或促Na+/H+交換使胞內(nèi)pH

PIP2動畫演示酶偶聯(lián)受體(enzyme-linked

receptor)受體：具有酪氨酸蛋白激酶活性的跨膜糖蛋白單條肽鏈，單一跨膜糖蛋白-NH2(胞外)為配體結合區(qū)，-COOH(胞內(nèi))為催化區(qū)，富含酪氨酸，具酪氨酸激酶活性配體為胰島素、類胰島素生長因子、血小板生長因子、集落刺激因子和表皮生長因子等（2）酶偶聯(lián)受體(enzyme-linkedreceptor)－具有酪氨酸蛋白激酶活性的受體信使體系受體與化學信號結合后，受體本身發(fā)生改變（酪氨酸蛋白激酶活化）；進而使靶蛋白酪氨酸殘基磷酸化；從而細胞發(fā)生一系列改變(如增加DNA及RNA合成，加速蛋白質(zhì)合成，以產(chǎn)生細胞生長分化等效應。）配體與酪氨酸激酶配體結合區(qū)結合位于細胞質(zhì)部分激酶活性區(qū)的酪氨酸殘基發(fā)生自體磷酸化（autophosphorylation），形成SH2（SH2－binding

site）結合位點的空間結構可以與具有SH2結合域的蛋白質(zhì)（其本身是蛋白激酶、磷酸酶或磷酸酯酶）結合并使之激活激活后的蛋白質(zhì)進一步催化細胞內(nèi)的生物化學反應，從而把細胞外的信號傳導到細胞內(nèi)。Ras的重要性ras基因：致癌基因Ras蛋白：?。堑鞍资荏w活化，募集銜接蛋白，活化Ras激活蛋白，活化Ras蛋白?；罨疪as激活磷酸化級聯(lián)反應活化的RasMAPKKKMAPKK

MAPK30%癌癥患者體內(nèi)ras基因發(fā)生了激活突變正向調(diào)節(jié)。生長因子作用后正常細胞的增殖、惡性腫瘤細胞的增殖；T細胞、B細胞或肥大細胞的活化。蛋白酪氨酸激酶抑制劑：阻斷細胞應答。鳥苷酸環(huán)化酶（GC）以一種類似于AC的方式催化GTP形成cGMP和焦磷酸(ppi)；具有膜結合型和胞質(zhì)溶解型兩種類型；cGMP信號轉(zhuǎn)導通路膜結合型cGMPGTP受體域催化域膜結合型GC為單體。包括：N端1/2處的配體結合區(qū)、跨膜區(qū)、C端1/2為環(huán)化酶催化區(qū)；鳥苷酸環(huán)化酶（GC）以一種類似于AC的方式催化GTP形成cGMP和焦磷酸(ppi)；具有膜結合型和胞質(zhì)溶解型兩種類型；膜結合型GC為單體，包括：N端1/2處的配體結合區(qū)、跨膜區(qū)、C端1/2為環(huán)化酶催化區(qū)；胞質(zhì)溶解型GC需要NO激活。三 鳥苷酸環(huán)化酶信號轉(zhuǎn)導途徑此途徑多存在于心血管系統(tǒng)與腦組織內(nèi)ＮＯ心鈉素腦鈉素激活胞漿可溶性ＧＣ 激活膜顆粒性ＧＣGTP cGMP鳥苷酸環(huán)化酶的活性調(diào)節(jié)膜結合型GC在配體與受體結合后被激活，分離后失活；胞質(zhì)溶解型GC與NO結合后被激活，與NO分離后失活。三 鳥苷酸環(huán)化酶信號轉(zhuǎn)導途徑此途徑多存在于心血管系統(tǒng)與腦組織內(nèi)ＮＯ心鈉素腦鈉素激活胞漿可溶性ＧＣ 激活膜顆粒性ＧＣGTP cGMP激活PKG(

cGMP依賴性蛋白激酶)磷酸化靶蛋白引起血管舒張等生物學效應NO作用機制的臨床應用NO：鳥苷酸環(huán)化酶的激活劑硝酸甘油代謝生成NO，刺激心臟平滑肌舒張，增加心臟供血萬艾可（分解cGMP的磷酸二酯酶的抑制劑）：使cGMP維持在較高的水平，陰莖持續(xù)勃起。cAMP和cGMP互為拮抗細胞內(nèi)cAMP增高時，促進細胞分化，抑制細胞分裂；cGMP增高，促使細胞分裂，抑制細胞分化。離子通道受體(ion-channel

receptor)實例：N型乙酰膽堿受體5個同源性很高的亞基構成：2α+1β+1γ+1δ每個亞基:四次跨膜蛋白，分子量約60kd，約由500個氨基酸殘基構成。-COOH端和-NH2端均面向細胞一側乙酰膽堿的結合部位位于α亞基上。五個亞基共同在膜中形成一個親水性的通道。（1）離子通道偶聯(lián)受體介導的信號轉(zhuǎn)導

：配體：N－乙酰膽堿，信號分子與受體結合，改變受體的空間構象，鈉離子通道開放，鈉離子內(nèi)流（1ms）?；瘜W信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?

改變突觸后細胞的興奮性，進一步調(diào)節(jié)細胞的生命活動。離子通道偶聯(lián)受體介導的信號通路細胞應答：改變膜的通透性神經(jīng)末梢骨骼肌細胞心肌細胞分泌細胞神經(jīng)細胞改變膜的通透性骨骼肌收縮心跳降低細胞分泌神經(jīng)沖動的傳遞信號轉(zhuǎn)導途徑:

級聯(lián)反應催化某一步反應的蛋白質(zhì)由上一步反應的產(chǎn)物激活或抑制信號轉(zhuǎn)導途徑級聯(lián)的特征:放大效應信號級聯(lián)反應中的酶催化作用對信號有放大作用去甲腎上腺素刺激下的信號放大1000010000不同信號轉(zhuǎn)導途徑的收斂、發(fā)散和交叉對話converge：來自各種非相關的受體各自結合各自配體所發(fā)出的信號，可以收斂而激活同一效應器蛋白。diverge：來自同一配體發(fā)出的信號可以發(fā)散以激活不同的效應器蛋白，從而導致不同的細胞反應。Crosstalk：信號可以在不同途徑之間往返傳遞。細胞內(nèi)存在一個對外來信號起反應的完整轉(zhuǎn)導系統(tǒng)，該系統(tǒng)的存在，使細胞接受、匯聚、分析并處理各種信號，從而作出最有利于細胞生存與發(fā)展的反應。信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)的意義信號傳導與醫(yī)學的關系細胞信號轉(zhuǎn)導異常與疾病細胞信號轉(zhuǎn)導異常：是指由于信號轉(zhuǎn)導蛋白量或結構的改變，導致信號轉(zhuǎn)導的過強或過弱，并由此引起細胞增殖、分化、凋亡或機能代