第19章 細胞信號轉導的分子機制課件

生物化學與分子生物學第19章細胞信號轉導的分子機制第十九章細胞信號轉導的分子機制TheMolecularMechanismofCellularSignalTransduction第19章細胞信號轉導的分子機制主要內容細胞信號轉導概述細胞內信號轉導分子細胞受體介導的細胞內信號轉導信號轉導的基本規(guī)律和復雜性細胞信號轉導異常與疾病第19章細胞信號轉導的分子機制學習指導重點：第二信使的概念和種類。受體的概念、種類、結構與功能。信息傳遞的主要途徑。難點：信息物質。受體作用的特點。進展：信號轉導機制研究在醫(yī)學發(fā)展中的意義。第19章細胞信號轉導的分子機制生物體內各種細胞在功能上的協調統一是通過細胞間相互識別和相互作用來實現的。一些細胞發(fā)出信號，而另一些細胞則接收信號并將其轉變?yōu)樽陨砉δ茏兓?，這一過程稱為細胞通訊（cellcommunication）。細胞針對外源信息所發(fā)生的細胞內生物化學變化及效應的全過程稱為信號轉導（signaltransduction）。第19章細胞信號轉導的分子機制

年度

重要發(fā)現

諾貝爾獎獲得者1923年胰島素FrederickGrantBantingJohnJamesRichardMacleod1936年神經沖動的化學傳遞HenryHallettDaleOttoLoewi1950年腎上腺皮質激素EdwardCalvinKendallPhilipShowalterHenchTadeusReichstein1970年神經末梢的神經遞質的合成、釋放及滅活SirBernardKatzUlfvonEulerJuliusAxelrod1971年激素作用的第二信使機制EarlWilberSutherland1982年前列腺素及相關的生物活性物質SuneK.Bergstr?mBengtI.SamuelssonJohnR.Vane1986年生長因子StanleyCohenRitaLevi-Montalcini第19章細胞信號轉導的分子機制年度重要發(fā)現諾貝爾獎獲得者1992年蛋白質可逆磷酸化調節(jié)機制EdmondH.FischerEdwinG.Krebs1994年G蛋白及其在信號轉導中的作用AlfredGilman，MartinRodbell1998年一氧化氮是心血管系統的信號分子RobertF.Furchgott，LouisJ.Ignarro，FeridMurad2000年神經系統有關信號轉導ArvidCarlsson，PaulGreengard，EricR.Kandel2001年細胞周期的關鍵調節(jié)分子LelandH.HartwellR.TimothyHuntPaulM.Nurse2003細胞膜離子通道作用機制PeterAgreRoderickMacKinnon2004嗅受體及其作用機制RichardAxel，LindaB.Buck2004泛素介導的蛋白質降解AaronCiechanover，AvramHershko，IrwinRose第19章細胞信號轉導的分子機制第一節(jié)

細胞信號轉導概述

TheGeneralInformationofSignalTransduction第19章細胞信號轉導的分子機制改變細胞內的某些代謝過程，或改變生長速度，或改變細胞遷移或進入細胞凋亡等生物學行為細胞外信號受體細胞內各種分子數量、分布或活性變化細胞信號轉導的基本路線第19章細胞信號轉導的分子機制一、細胞外化學信號有可溶型和膜結合型兩種形式生物體可感受任何物理、化學和生物學刺激信號，但最終通過換能途徑將各類信號轉換為細胞可直接感受的化學信號（chemicalsignaling）?；瘜W信號可以是可溶性的，也可以是膜結合形式的。第19章細胞信號轉導的分子機制化學信號通訊是生物適應環(huán)境不斷變異、進化的結果。單細胞生物與外環(huán)境直接交換信息。多細胞生物中的單個細胞不僅需要適應環(huán)境變化，而且還需要細胞與細胞之間在功能上的協調統一。第19章細胞信號轉導的分子機制多細胞生物細胞間的聯系細胞與細胞的直接聯系：物質直接交換，或者是通過細胞表面分子相互作用實現信息交流。激素調節(jié)：適應遠距離細胞之間的功能協調的信號系統。第19章細胞信號轉導的分子機制（一）可溶型信號分子作為游離分子在細胞間傳遞多細胞生物中，細胞可通過分泌化學物質（如蛋白質或小分子有機化合物）而發(fā)出信號，這些分子作用于靶細胞表面或細胞內的受體，調節(jié)靶細胞的功能，從而實現細胞之間的信息交流?？扇苄托盘柗肿涌筛鶕淙芙馓匦苑譃橹苄曰瘜W信號和水溶性化學信號兩大類第19章細胞信號轉導的分子機制根據體內化學信號分子作用距離，可以將其分為三類：①作用距離最遠的內分泌（endocrine）系統化學信號，稱為激素；②屬于旁分泌（paracrine）系統的細胞因子，主要作用于周圍細胞；有些作用于自身，稱為自分泌（autocrine）。③作用距離最短的是神經元突觸內的神經遞質（neurotransmitter）。第19章細胞信號轉導的分子機制神經分泌內分泌自分泌及旁分泌化學信號的名稱神經遞質激素細胞因子作用距離nmmmm受體位置膜受體膜或胞內受體膜受體舉例乙酰膽堿谷氨酸胰島素生長激素表皮生長因子神經生長因子可溶型信號分子的分類第19章細胞信號轉導的分子機制（二）膜結合型信號分子需要細胞間接觸才能傳遞信號每個細胞的質膜外表面都有眾多的蛋白質、糖蛋白、蛋白聚糖分子。相鄰細胞可通過膜表面分子的特異性識別和相互作用而傳遞信號。當細胞通過膜表面分子發(fā)出信號時，相應的分子即為膜結合型信號分子，亦稱為配體，而在靶細胞表面與之特異性結合的分子（受體），則通過這種分子間的相互作用而接收信號，并將信號傳入靶細胞內。這種細胞通訊方式稱為膜表面分子接觸通訊。第19章細胞信號轉導的分子機制屬于這一類通訊的有：相鄰細胞間黏附因子的相互作用、T淋巴細胞與B淋巴細胞表面分子的相互作用等。第19章細胞信號轉導的分子機制二、細胞經由特異性受體接收細胞外信號受體（receptor）是細胞膜上或細胞內能識別外源化學信號并與之結合的蛋白質分子，個別糖脂也具有受體作用。能夠與受體特異性結合的分子稱為配體（ligand）?？扇苄院湍そY合型信號分子都是常見的配體。第19章細胞信號轉導的分子機制（一）受體有細胞內受體和細胞膜受體受體按照其在細胞內的位置分為：細胞內受體包括位于細胞質或胞核內的受體，其相應配體是脂溶性信號分子，如類固醇激素、甲狀腺素、維甲酸等。

細胞表面受體水溶性信號分子和膜結合型信號分子（如生長因子、細胞因子、水溶性激素分子、粘附分子等）不能進入靶細胞，其受體位于靶細胞的細胞質膜表面。第19章細胞信號轉導的分子機制圖19-1水溶性和脂溶性化學信號的轉導第19章細胞信號轉導的分子機制（二）受體結合配體并轉換信號受體識別并與配體結合，是細胞接收外源信號的第一步反應。受體有兩個方面的作用：一是識別外源信號分子并與之結合；二是轉換配體信號，使之成為細胞內分子可識別的信號，并傳遞至其他分子引起細胞應答。第19章細胞信號轉導的分子機制細胞內受體能夠直接傳遞信號或通過特定的通路傳遞信號有許多細胞內受體是基因表達的調控蛋白，與進入細胞的信號分子結合后，可以直接傳遞信號，即直接調控基因表達。另有一些細胞內受體可以結合細胞內產生的信號分子（如細胞應激反應中產生的細胞內信號分子），直接激活效應分子或通過一定的信號轉導通路激活效應分子。第19章細胞信號轉導的分子機制

膜受體識別細胞外信號分子并轉換信號膜受體識別并結合細胞外信號分子，將細胞外信號轉換成為能夠被細胞內分子識別的信號，通過信號轉導通路將信號傳遞至效應分子，引起細胞的應答。第19章細胞信號轉導的分子機制（三）受體與配體的相互作用具有共同的特點配體-受體結合曲線高度專一性高度親和力可飽和性特定的作用模式可逆性第19章細胞信號轉導的分子機制三、細胞內信號轉導具有多條信號通路并形成網絡調控細胞內存在多種信號轉導分子，這些分子依次相互識別、相互作用，有序地轉換和傳遞信號。由一組分子形成的有序分子變化被稱為信號轉導通路或信號轉導途徑（signaltransductionpathway）。每一條信號轉導通路都是由多種信號轉導分子組成，不同分子間有序地依次進行相互作用，上游分子引起下游分子的數量、分布或活性狀態(tài)變化，從而使信號向下游傳遞。信號轉導分子相互作用的機制構成了信號轉導的基本機制。

第19章細胞信號轉導的分子機制由一種受體分子轉換的信號，可通過一條或多條信號轉導通路進行傳遞。而不同類型受體分子轉換的信號，也可通過相同的信號通路進行傳遞。不同的信號轉導通路之間亦可發(fā)生交叉調控（cross-talking），形成復雜的信號轉導網絡（signaltransductionnetwork）。信號轉導通路和網絡的形成是動態(tài)過程，隨著信號的種類和強度而不斷變化。第19章細胞信號轉導的分子機制轉錄因子染色質相關蛋白RNA加工蛋白RNA轉運蛋白細胞周期蛋白細胞骨架NH2AAAAAm7GTranslation信號轉導網絡信號接收信號轉導

應答反應

細胞信號轉導的基本方式示意圖第19章細胞信號轉導的分子機制第二節(jié)

細胞內信號轉導分子

IntracellularSignalMolecules第19章細胞信號轉導的分子機制細胞外的信號經過受體轉換進入細胞內，通過細胞內一些蛋白質分子和小分子活性物質進行傳遞，這些能夠傳遞信號的分子稱為信號轉導分子（signaltransducer）。依據作用特點，信號轉導分子主要有三大類：小分子第二信使、酶、調節(jié)蛋白。信號轉導分子依次相互作用，從而形成上游分子和下游分子的關系。第19章細胞信號轉導的分子機制受體及信號轉導分子傳遞信號的基本方式包括：①改變下游信號轉導分子的構象②改變下游信號轉導分子的細胞內定位③信號轉導分子復合物的形成或解聚④改變小分子信使的細胞內濃度或分布第19章細胞信號轉導的分子機制一、第二信使結合并激活下游信號轉導分子環(huán)腺苷酸（cAMP）、環(huán)鳥苷酸（cGMP）、甘油二酯（DAG）、三磷酸肌醇（IP3）、磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸（PIP3）、Ca2+等可以作為外源信息在細胞內的信號轉導分子，稱為細胞內小分子信使，或稱為第二信使（secondmessenger）。第19章細胞信號轉導的分子機制（一）小分子信使傳遞信號具有相似的特點①在完整細胞中，其濃度或分布可在細胞外信號的作用下發(fā)生迅速改變②該分子類似物可模擬細胞外信號的作用③阻斷該分子的變化可阻斷細胞對外源信號的反應④作為別構效應劑在細胞內有特定的靶蛋白分子第19章細胞信號轉導的分子機制多數小分子信使的上游信號轉導分子是酶類。這些酶被其自身的上游信號轉導分子激活，從而催化小分子信使的生成，使其濃度在細胞內迅速升高。上游信號轉導分子使第二信使的濃度升高或分布變化第19章細胞信號轉導的分子機制第二信使的濃度變化是傳遞信號的重要機制，其濃度在細胞接收信號后變化非常迅速，可以在數分鐘內被檢測出來。而細胞內存在相應的水解酶，可迅速將它們清除，使信號迅速終止，細胞回到初始狀態(tài)，再接受新的信號。只有當其上游分子（酶）持續(xù)被激活，才能使小分子信使持續(xù)維持在一定的濃度。小分子信使?jié)舛瓤裳杆俳档偷?9章細胞信號轉導的分子機制小分子信使都是蛋白質的別構激活劑，當其結合于下游蛋白分子后，通過改變蛋白質的構象而將其激活，從而使信號進一步傳遞。小分子信使激活下游信號轉導分子第19章細胞信號轉導的分子機制（二）環(huán)核苷酸是重要的細胞內第二信使目前已知的細胞內環(huán)核苷酸類第二信使有cAMP和cGMP兩種。第19章細胞信號轉導的分子機制cAMP和cGMP的結構及其代謝第19章細胞信號轉導的分子機制1.cAMP和cGMP的上游信號轉導分子是相應的核苷酸環(huán)化酶（adenylatecyclase，AC）（guanylatecyclase，GC）第19章細胞信號轉導的分子機制2.磷酸二酯酶催化環(huán)核苷酸水解細胞中存在多種催化環(huán)核苷酸水解的磷酸二酯酶（phosphodiesterase，PDE）。在脂肪細胞中，胰高血糖素在升高cAMP水平的同時會增加PDE活性，促進cAMP的水解，這是調節(jié)cAMP濃度的重要機制。PDE對cAMP和cGMP的水解具有相對特異性。第19章細胞信號轉導的分子機制3．環(huán)核苷酸在細胞內調節(jié)蛋白激酶活性環(huán)核苷酸作為第二信使的作用機制：cAMP和cGMP在細胞可以作用于蛋白質分子，使后者發(fā)生構象變化，從而改變活性。蛋白激酶是一類重要的信號轉導分子，也是許多小分子第二信使直接作用的靶分子。第19章細胞信號轉導的分子機制蛋白激酶A是cAMP的靶分子cAMP作用于cAMP依賴性蛋白激酶（cAMP-dependentproteinkinase，cAPK），即蛋白激酶A（proteinkinaseA，PKA）。PKA活化后，可使多種蛋白質底物的絲氨酸或蘇氨酸殘基發(fā)生磷酸化，改變其活性狀態(tài)，底物分子包括一些糖、脂代謝相關的酶類、離子通道和某些轉錄因子。第19章細胞信號轉導的分子機制cAMP激活PKA影響糖代謝示意圖第19章細胞信號轉導的分子機制蛋白激酶G是cGMP的靶分子cGMP作用于cGMP依賴性蛋白激酶（cGMP-dependentproteinkinase，cGPK），即蛋白激酶G（proteinkinaseG，PKG）。PKG是由相同亞基構成的二聚體。與PKA不同，PKG的調節(jié)結構域和催化結構域存在于同一個亞基內。PKG在心肌及平滑肌收縮調節(jié)方面具有重要作用。第19章細胞信號轉導的分子機制cGMP激活PKG示意圖第19章細胞信號轉導的分子機制4．蛋白激酶不是cAMP和cGMP的唯一靶分子環(huán)核苷酸作為別構效應劑還可以作用于細胞內其他非蛋白激酶類分子。一些離子通道也可以直接受cAMP或cGMP的別構調節(jié)。視桿細胞膜上富含cGMP-門控陽離子通道嗅覺細胞核苷酸-門控鈣通道第19章細胞信號轉導的分子機制（三）脂類也可衍生出胞內第二信使具有第二信使特征的脂類衍生物:二脂酰甘油（diacylglycerol，DAG）花生四烯酸（arachidonicacid，AA）磷脂酸（phosphatidicacid，PA）溶血磷脂酸（lysophosphatidicacid，LPA）4-磷酸磷脂酰肌醇（PI-4-phosphate，PIP）磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(phosphatidylinositol-4,5-diphosphate，PIP2)肌醇-1,4,5-三磷酸（Inositol-1,4,5-triphosphate，IP3）這些脂類衍生物都是由體內磷脂代謝產生的。第19章細胞信號轉導的分子機制磷脂酰肌醇激酶和磷脂酶催化生成第二信使磷脂酰肌醇激酶類，催化磷脂酰肌醇磷酸化。根據肌醇環(huán)的磷酸化羥基位置不同，這類激酶有PI-3K、PI-4K和PI-5K等。磷脂酰肌醇特異性磷脂酶C（PLC）可將磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（PIP2）分解成為DAG和IP3。第19章細胞信號轉導的分子機制磷脂酶和磷脂酰肌醇激酶催化第二信使的生成第19章細胞信號轉導的分子機制2．脂類第二信使作用于相應的靶蛋白分子DAG是脂溶性分子，生成后仍留在質膜上。IP3是水溶性分子，可在細胞內擴散至內質網或肌質網膜上，并與其受體結合。第19章細胞信號轉導的分子機制IP3的靶分子是鈣離子通道IP3為水溶性，生成后從細胞質膜擴散至細胞質中，與內質網或肌質網膜上的IP3受體結合。IP3＋IP3受體鈣離子通道開放，細胞內鈣釋放細胞內鈣離子濃度迅速增加第19章細胞信號轉導的分子機制DAG和鈣離子的靶分子是蛋白激酶C蛋白激酶C（proteinkinaseC，PKC），屬于絲/蘇氨酸蛋白激酶，廣泛參與細胞的各項生理活動。PKC作用的底物包括質膜受體、膜蛋白、多種酶和轉錄因子等，參與多種生理功能的調節(jié)。目前發(fā)現的PKC同工酶有12種以上，不同的同工酶有不同的酶學特性、特異的組織分布和亞細胞定位，對輔助激活劑的依賴性亦不同。第19章細胞信號轉導的分子機制催化結構域Ca2+DAG磷脂酰絲氨酸調節(jié)結構域催化結構域底物Ca2+DAG磷脂酰絲氨酸調節(jié)結構域假底物結合區(qū)DAG活化PKC的作用機制示意圖第19章細胞信號轉導的分子機制（四）鈣離子可以激活信號轉導相關的酶類1．鈣離子在細胞中的分布具有明顯的區(qū)域特征細胞外液游離鈣濃度高（1.12~1.23mmol/L）；細胞內液的鈣離子含量很低，且90%以上儲存于細胞內鈣庫（內質網和線粒體內）；胞液中游離Ca2+的含量極少（基礎濃度只有0.01~0.1mol/L）。第19章細胞信號轉導的分子機制導致胞液游離Ca2+濃度升高的反應有兩種：一是細胞質膜鈣通道開放，引起鈣內流；二是細胞內鈣庫膜上的鈣通道開放，引起鈣釋放。胞液Ca2+可以再經由細胞質膜及鈣庫膜上的鈣泵（Ca2+-ATP酶）返回細胞外或胞內鈣庫，以消耗能量的方式維持細胞質內的低鈣狀態(tài)。第19章細胞信號轉導的分子機制2．鈣離子的下游信號轉導分子是鈣調蛋白鈣調蛋白（calmodulin，CaM）可看作是細胞內Ca2+的受體。乙酰膽堿、兒茶酚胺、加壓素、血管緊張素和胰高血糖素等胞液Ca2+濃度升高CaMCaMCa2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

第19章細胞信號轉導的分子機制CaM發(fā)生構象變化后，作用于Ca2+/CaM-依賴性激酶（CaM-K）。專一功能CaM-K多功能CaM-K肌球蛋白輕鏈激酶:調節(jié)肌肉收縮磷酸化酶激酶:調節(jié)糖原分解延長因子2激酶:調節(jié)蛋白合成Ca2+/CaM-依賴性激酶ICa2+/CaM-依賴性激酶II第19章細胞信號轉導的分子機制3．鈣調蛋白不是鈣離子的唯一靶分子Ca2+還結合PKC、AC和cAMP-PDE等多種信號轉導分子，通過別構效應激活這些分子。第19章細胞信號轉導的分子機制（五）NO等小分子也具有信使功能NO合酶介導NO生成

NO合酶

胍氨酸精氨酸NHH2NNH2+H2N+COO-NHH2NOH2N+COO-NO＋第19章細胞信號轉導的分子機制NO的生理調節(jié)作用主要通過激活鳥苷酸環(huán)化酶、ADP-核糖轉移酶和環(huán)氧化酶完成。NO與可溶性鳥苷酸環(huán)化酶分子中的血紅素鐵結合生成的cGMP引起鳥苷酸環(huán)化酶構象改變.酶活性增高cGMP作為第二信使，產生生理效應GTP第19章細胞信號轉導的分子機制除了NO以外，一氧化碳（carbonmonoxide，CO）、硫化氫（sulfuretedhydrogen，H2S）的第二信使作用近年來也得到證實。第19章細胞信號轉導的分子機制二、許多酶可通過其催化的反應而傳遞信號細胞內的許多信號轉導分子都是酶。作為信號轉導分子的酶主要有兩大類。一是催化小分子信使生成和轉化的酶，如腺苷酸環(huán)化酶、鳥苷酸環(huán)化酶、磷脂酶C、磷脂酶D（PLD）等；二是蛋白激酶，作為信號轉導分子的蛋白激酶主要是蛋白酪氨酸激酶和蛋白絲/蘇氨酸激酶。第19章細胞信號轉導的分子機制（一）蛋白激酶/蛋白磷酸酶是信號通路開關分子蛋白激酶（proteinkinase）與蛋白磷酸酶（proteinphosphatase）催化蛋白質的可逆性磷酸化修飾，對下游分子的活性進行調節(jié)。蛋白質的磷酸化修飾可能提高其活性，也可能降低其活性，取決于構象變化是否有利于反應的進行。各種蛋白激酶和蛋白磷酸酶在細胞內僅僅選擇性作用于有限的底物，它們的催化作用特異性及其在細胞內的分布特異性決定了信號轉導通路的精確性。蛋白質的可逆磷酸化修飾是最重要的信號通路開關第19章細胞信號轉導的分子機制酶的磷酸化與脫磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-磷酸化的酶蛋白第19章細胞信號轉導的分子機制1.蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶和蛋白酪氨酸激酶是主要的蛋白激酶蛋白激酶是催化ATPγ-磷酸基轉移至靶蛋白的特定氨基酸殘基上的一大類酶。已超800種。激酶磷酸基團的受體蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶蛋白酪氨酸激酶蛋白組/賴/精氨酸激酶蛋白半胱氨酸激酶蛋白天冬氨酸/谷氨酸激酶絲氨酸/蘇氨酸羥基酪氨酸的酚羥基咪唑環(huán)，胍基，ε-氨基巰基?；鞍准っ傅姆诸惖?9章細胞信號轉導的分子機制2.蛋白磷酸酶衰減或終止蛋白激酶誘導的效應蛋白質磷酸酶(phosphatidase)使磷酸化的蛋白分子發(fā)生去磷酸化，與蛋白激酶共同構成了蛋白質活性的調控系統。無論蛋白激酶對于其下游分子的作用是正調節(jié)還是負調節(jié)，蛋白磷酸酶都將對蛋白激酶所引起的變化產生衰減或終止效應。第19章細胞信號轉導的分子機制蛋白磷酸酶衰減或終止蛋白激酶誘導的效應PTKPTK無活性活化P自我磷酸化PTPPTPSSP無活性活化SrcfamilyPTK無活性SrcfamilyPTKPTPPPTK活化活化信號抑制信號第19章細胞信號轉導的分子機制根據蛋白磷酸酶所作用的氨基酸殘基而分類：蛋白絲氨酸/蘇氨酸磷酸酶蛋白酪氨酸磷酸酶個別的蛋白磷酸酶具有雙重作用，即可同時作用于酪氨酸和絲/蘇氨酸殘基。第19章細胞信號轉導的分子機制（二）許多信號通路涉及蛋白絲/蘇氨酸激酶的作用

細胞內重要的蛋白絲/蘇氨酸激酶包括受環(huán)核苷酸調控的PKA和PKG受DAG/Ca2+調控的PKC受Ca2+/CaM調控的Ca2+/CaM-PK受PIP3調控的PKB受絲裂原激活的蛋白激酶（mitogenactivatedproteinkinase,MAPK）。第19章細胞信號轉導的分子機制1.MAPK調控細胞的多種重要的生理功能哺乳動物細胞重要的MAPK亞家族：細胞外調節(jié)激酶（extracellularregulatedkinase，ERK）c-JunN-末端激酶/應激激活的蛋白激酶（c-JunN-terminalkinase/stress-activatedproteinkinase，JNK/SAPK）p-38-MAPK第19章細胞信號轉導的分子機制ERK參與細胞增殖與分化的調控，多種生長因子受體、營養(yǎng)相關因子受體等都需要ERK的活化來完成信號轉導過程。JNK家族是細胞對各種應激原誘導的信號進行轉導的關鍵分子，參與細胞對輻射、滲透壓、溫度變化等的應激反應。p38-MAPK亞家族介導炎癥、凋亡等應激反應。第19章細胞信號轉導的分子機制2.MAPK級聯激活是多種信號通路的中心環(huán)節(jié)MAPK上游的兩級信號轉導分子也是蛋白激酶，稱為MAPKK（MAPkinasekinase）和MAPKKK（MAPkinasekinasekinase）。MAPKK和MAPK本身也是通過磷酸化修飾而被激活。細胞受到生長因子或其他因素刺激時，其上游信號轉導分子被依次活化，進而將MAPKKK激活，MAPKKK通過磷酸化修飾而激活MAPKK，后者再修飾激活MAPK，從而形成逐級磷酸化的級聯激活反應。第19章細胞信號轉導的分子機制MAPK的級聯激活MAPKKKMAPKKMAPK

ThrTyrThrTyrPPphosphataseoffonMAPK第19章細胞信號轉導的分子機制MAPK被激活后轉移至細胞核內，使一些轉錄因子發(fā)生磷酸化，改變細胞內基因表達的狀態(tài)。另外，它也可以使一些其它的酶發(fā)生磷酸化使之活性發(fā)生改變。MAPK家族成員的底物大部分是轉錄因子、蛋白激酶等。MAPK調控的生物學效應：參與多種細胞功能的調控，尤其是在細胞增殖、分化及凋亡過程中，是多種信號轉導途徑的共同作用部位。第19章細胞信號轉導的分子機制ERK途徑包括Raf-MEK-MAPK級聯反應ERK亞家族包括ERK1、ERK2和ERK3等。

ERK的級聯激活過程：Raf（MAPKKK）MEK（MAPKK）ERK（MAPK）第19章細胞信號轉導的分子機制JNK/SAPK途徑參與應激(反應)JNK/SAPK的級聯激活過程：MEKK（MAPKKK）JNKK（MAPKK）JNK/SAPK（MAPK）第19章細胞信號轉導的分子機制P38-MAPK亞家族介導炎癥、凋亡等應激（反應）P38-MAPK的級聯激活過程：凋亡信號調節(jié)激酶（apoptosissignalregulatingkinase1，ASK1）（MAPKKK）MKK3/MKK6（MAPKK）P38-MAPK第19章細胞信號轉導的分子機制（三）蛋白酪氨酸激酶轉導細胞增殖與分化信號蛋白質酪氨酸激酶（ProteinTyrosinekinase，PTK）催化蛋白質分子中的酪氨酸殘基磷酸化。酪氨酸磷酸化修飾的蛋白質大部分對細胞增殖具有正向調節(jié)作用，無論是生長因子作用后正常細胞的增殖、惡性腫瘤細胞的增殖，還是T細胞、B細胞或肥大細胞的活化都伴隨著瞬間發(fā)生的多種蛋白質分子的酪氨酸磷酸化。第19章細胞信號轉導的分子機制1.部分膜受體具有PTK功能這些受體被稱為受體型PTK。它們在結構上均為單次跨膜蛋白質，其胞外部分為配體結合區(qū)，中間有跨膜區(qū)，細胞內部分含有PTK的催化結構域。受體型PTK與配體結合后形成二聚體，同時激活其酶活性，使受體胞內部分的酪氨酸殘基磷酸化（自身磷酸化）。磷酸化的受體募集含有SH2結構域的信號分子，從而將信號傳遞至下游分子。第19章細胞信號轉導的分子機制生長因子類受體屬于PTK部分受體型PTK結構示意圖第19章細胞信號轉導的分子機制2.細胞內有多種非受體型的PTK這些PTK本身并不是受體。有些PTK是直接與受體結合，由受體激活而向下游傳遞信號。有些則是存在于胞質或胞核中，由其上游信號轉導分子激活，再向下游傳遞信號。第19章細胞信號轉導的分子機制基因家族名稱舉例細胞內定位主要功能SRC家族Src、Fyn、Lck、Lyn等常與受體結合存在于質膜內側接受受體傳遞的信號發(fā)生磷酸化而激活，通過催化底物的酪氨酸磷酸化向下游傳遞信號ZAP70家族ZAP70、Syk與受體結合存在于質膜內側接受T淋巴細胞的抗原受體或B淋巴細胞的抗原受體的信號TEC家族Btk、Itk、Tec等存在于細胞質位于ZAP70和Src家族下游接受T淋巴細胞的抗原受體或B淋巴細胞的抗原受體的信號JAK家族JAK1、JAK2、JAK3等與一些白細胞介素受體結合存在于質膜內側介導白細胞介素受體活化信號核內PTKAbl、Wee細胞核參與轉錄過程和細胞周期的調節(jié)非受體型PTK的主要作用第19章細胞信號轉導的分子機制三、信號轉導蛋白可通過蛋白質相互作用傳遞信號信號轉導通路中有許多信號轉導分子是沒有酶活性的蛋白質，它們通過分子間的相互作用被激活、或激活下游分子。這些信號轉導分子主要包括G蛋白、銜接蛋白和支架蛋白。第19章細胞信號轉導的分子機制（一）G蛋白的GTP/GDP結合狀態(tài)決定信號的傳遞鳥苷酸結合蛋白（guaninenucleotidebindingprotein，Gprotein）簡稱G蛋白，亦稱GTP結合蛋白。分別結合GTP和GDP時，G蛋白處于不同的構象。結合GTP時處于活化形式，能夠與下游分子結合，并通過別構效應而激活下游分子。G蛋白自身均具有GTP酶活性，可將結合的GTP水解為GDP，回到非活化狀態(tài)，停止激活下游分子。第19章細胞信號轉導的分子機制G蛋白主要有兩大類：三聚體G蛋白：與7次跨膜受體結合，以α亞基（Gα）和β、γ亞基(Gβγ)三聚體的形式存在于細胞質膜內側。低分子量G蛋白（21kD）第19章細胞信號轉導的分子機制三聚體G蛋白介導G蛋白偶聯受體傳遞的信號α亞基（Gα）β、γ亞基(Gβγ)具有多個功能位點α亞基具有GTP酶活性與受體結合并受其活化調節(jié)的部位βγ亞基結合部位GDP/GTP結合部位與下游效應分子相互作用部位主要作用是與α亞基形成復合體并定位于質膜內側；在哺乳細胞，βγ亞基也可直接調節(jié)某些效應蛋白。第19章細胞信號轉導的分子機制G蛋白通過G蛋白偶聯受體（Gprotein-coupledreceptors，GPCRs）與各種下游效應分子，如離子通道、腺苷酸環(huán)化酶、PLC聯系，調節(jié)各種細胞功能。第19章細胞信號轉導的分子機制2.低分子量G蛋白是信號轉導通路中的轉導分子低分子量G蛋白（21kD），它們在多種細胞信號轉導通路中的轉導分子。Ras是第一個被發(fā)現的小G蛋白，因此這類蛋白質被稱為Ras超家族。目前已知的Ras家族成員已超過50種，在細胞內分別參與不同的信號轉導通路。第19章細胞信號轉導的分子機制在細胞中還存在一些調節(jié)因子，專門控制小G蛋白活性：增強其活性的因子：如鳥嘌呤核苷酸交換因子（guaninenucleotideexchangefactor，GEF）和鳥苷酸釋放蛋白（guaninenucleotidereleaseprotein，GNRP）；降低其活性的因子：如鳥嘌呤核苷酸解離抑制因子（guaninenucleotidedissociationinhibitor，GDI）和GTP酶活化蛋白（GAP）等。第19章細胞信號轉導的分子機制（二）銜接蛋白和支架蛋白連接信號通路與網絡信號轉導通路中的一些環(huán)節(jié)是由多種分子聚集形成的信號轉導復合物（signalingcomplex）來完成信號傳遞的。信號轉導復合物的形成是一個動態(tài)過程，針對不同外源信號，可聚集形成不同成分的復合物。信號轉導復合物形成的基礎是蛋白質相互作用。蛋白質相互作用的結構基礎則是各種蛋白質分子中的蛋白質相互作用結構域（proteininteractiondomain）。1.蛋白質相互作用結構域介導信號通路中蛋白質的相互作用第19章細胞信號轉導的分子機制蛋白相互作用結構域有如下特點：①一個信號分子中可含有兩種以上的蛋白質相互作用結構域，因此可同時結合兩種以上的其他信號分子；②同一類蛋白質相互作用結構域可存在于不同的分子中。這些結構域的一級結構不同，因此選擇性結合下游信號分子；③這些結構域沒有催化活性。第19章細胞信號轉導的分子機制信號轉導分子中蛋白相互作用結構域的分布和作用蛋白激酶BtkPHTHSH3SH2催化區(qū)銜接蛋白Grb2SH3SH2SH3轉錄因子statDNA結合區(qū)SH2TA細胞骨架蛋白tensin//SH2PTB第19章細胞信號轉導的分子機制蛋白相互作用結構域縮寫識別模體Srchomology2SH2含磷酸化酪氨酸模體Srchomology3SH3富含脯氨酸模體pleckstrinhomologyPH磷脂衍生物ProteintyrosinebindingPTB含磷酸化酪氨酸模體WWWW富含脯氨酸模體蛋白相互作用結構域及其識別模體第19章細胞信號轉導的分子機制銜接蛋白（adaptorprotein）是信號轉導通路中不同信號轉導分子的接頭，通過連接上游信號轉導分子與下游信號轉導分子而形成轉導復合物。大部分銜接蛋白含有2個或2個以上的蛋白相互作用結構域。2.銜接蛋白連接信號轉導分子第19章細胞信號轉導的分子機制*第19章細胞信號轉導的分子機制3.支架蛋白保證特異和高效的信號轉導支架蛋白（scaffoldingproteins）一般是分子量較大的蛋白質，可同時結合同一信號轉導通路中的多個轉導分子。信號轉導分子組織在支架蛋白上的意義：①保證相關信號轉導分子容于一個隔離而穩(wěn)定的信號轉導通路內，避免與其他不需要的信號轉導通路發(fā)生交叉反應，以維持信號轉導通路的特異性；②增加調控復雜性和多樣性。第19章細胞信號轉導的分子機制第三節(jié)

細胞受體介導的細胞內信號轉導

SignalPathwaysMediatedbyDifferentReceptors

第19章細胞信號轉導的分子機制離子通道受體G-蛋白偶聯受體單跨膜受體細胞內受體細胞膜受體受體第19章細胞信號轉導的分子機制特性離子通道受體

G-蛋白偶聯受體單次跨膜受體配體神經遞質神經遞質、激素、趨化因子、外源刺激（味，光）生長因子細胞因子結構寡聚體形成的孔道單體具有或不具有催化活性的單體跨膜區(qū)段數目4個7個1個功能離子通道激活G蛋白激活蛋白酪氨酸激酶細胞應答去極化與超極化去極化與超極化調節(jié)蛋白質功能和表達水平調節(jié)蛋白質的功能和表達水平，調節(jié)細胞分化和增殖三類膜受體的結構和功能特點第19章細胞信號轉導的分子機制一、細胞內受體多通過分子遷移傳遞信號位于細胞內的受體多為轉錄因子，與相應配體結合后，能與DNA的順式作用元件結合，在轉錄水平調節(jié)基因表達。能與該型受體結合的信號分子有類固醇激素、甲狀腺素、維甲酸和維生素D等。第19章細胞信號轉導的分子機制當激素進入細胞后，如果其受體是位于細胞核內，激素被運輸到核內，與受體形成激素-受體復合物。如果受體是位于胞質中，激素則在胞質中結合受體，導致受體的構象變化，與熱激蛋白分離，并暴露出受體的核內轉移部位及DNA結合部位，激素-受體復合物向核內轉移，穿過核孔，遷移進入細胞核內，并結合于其靶基因鄰近的激素反應元件上。結合于激素反應元件的激素-受體復合物再與位于啟動子區(qū)域的基本轉錄因子及其他的特異轉錄調節(jié)分子作用，從而開放或關閉其靶基因，進而改變細胞的基因表達譜。不同的激素-受體復合物結合于不同的激素反應元件。第19章細胞信號轉導的分子機制核受體結構及作用機制示意圖第19章細胞信號轉導的分子機制激素反應元件舉例激素舉例受體所識別的DNA特征序列腎上腺皮質激素5’AGAACAXXXTGTTCT3’3’TCTTGTXXXACAAGA5’雌激素5’AGGTCAXXXTGACCT3’3’TCCAGTXXXACTGGA5’甲狀腺素5’AGGTCATGACCT3’3’TCCAGTACTGGA5’第19章細胞信號轉導的分子機制二、離子通道受體將化學信號轉變?yōu)殡娦盘栯x子通道型受體是一類自身為離子通道的受體，它們的開放或關閉直接受化學配體的控制，被稱為配體-門控受體通道（ligand-gatedreceptorchannel）。配體主要為神經遞質。第19章細胞信號轉導的分子機制乙酰膽堿受體的結構與其功能第19章細胞信號轉導的分子機制乙酰膽堿受體結構乙酰膽堿結合部位離子通道頂部觀側面觀第19章細胞信號轉導的分子機制乙酰膽堿受體功能模式圖第19章細胞信號轉導的分子機制離子通道受體信號轉導的最終作用是導致了細胞膜電位改變，即通過將化學信號轉變成為電信號而影響細胞功能的。離子通道型受體可以是陽離子通道，如乙酰膽堿、谷氨酸和五羥色胺的受體；也可以是陰離子通道，如甘氨酸和γ-氨基丁酸的受體。第19章細胞信號轉導的分子機制三、G蛋白偶聯受體通過G蛋白和小分子信使介導信號轉導G蛋白偶聯受體（GPCR）得名于這類受體的細胞內部分總是與三聚體G蛋白結合，受體信號轉導的第一步反應都是活化G蛋白。G蛋白偶聯受體（GPCR）在結構上為單體蛋白，氨基端位于細胞膜外表面，羧基端在胞膜內側，其肽鏈反復跨膜七次，因此又稱為七次跨膜受體。第19章細胞信號轉導的分子機制GPCR是七跨膜受體（serpentinereceptor）第19章細胞信號轉導的分子機制（一）G蛋白偶聯受體介導的信號轉導通路具有相同的基本模式

信號轉導途徑的基本模式：配體+受體＋G蛋白效應分子第二信使靶分子生物學效應第19章細胞信號轉導的分子機制G蛋白循環(huán)第19章細胞信號轉導的分子機制活化的G蛋白的α亞基主要作用于生成或水解細胞內第二信使的酶，如AC、PLC等效應分子（effector），改變它們的活性，從而改變細胞內第二信使的濃度?？梢约せ預C的G蛋白的

亞基稱為

s（s代表stimulate）；反之，稱為

i（i代表inhibit）。第19章細胞信號轉導的分子機制G

種類效應分子細胞內信使靶分子asAC活化↑cAMP↑PKA活性↑aiAC活化↓cAMP↓PKA活性↓aqPLC活化↑Ca2+、IP3、DAG↑PKC活化↑atcGMP-PDE活性↑cGMP↓Na+通道關閉哺乳動物細胞中的G

亞基種類及效應第19章細胞信號轉導的分子機制（二）不同G蛋白偶聯受體可通過不同通路傳遞信號第19章細胞信號轉導的分子機制1.cAMP-PKA通路該通路以靶細胞內cAMP濃度改變和PKA激活為主要特征。胰高血糖素、腎上腺素、促腎上腺皮質激素等可激活此通路。PKA活化后，可使多種蛋白質底物的絲/蘇氨酸殘基發(fā)生磷酸化，改變其活性狀態(tài)，底物分子包括一些糖代謝和脂代謝相關的酶類、離子通道和某些轉錄因子。第19章細胞信號轉導的分子機制1.cAMP-PKA通路第19章細胞信號轉導的分子機制底物(酶或蛋白質)名稱受調節(jié)的通路糖原合酶糖原合成磷酸化酶b

激酶糖原分解丙酮酸脫氫酶丙酮酸→乙酰輔酶A激素敏感脂酶甘油三脂分解和脂肪酸氧化酪氨酸羥化酶多巴胺、腎上腺素和去甲腎上腺素合成組蛋白H1

、組蛋白H2BDNA聚集蛋白磷酸酶1抑制因子1蛋白去磷酸化轉錄因子CREB轉錄調控（1）調節(jié)代謝

第19章細胞信號轉導的分子機制（2）調節(jié)基因表達

第19章細胞信號轉導的分子機制（3）調節(jié)細胞極性PKA亦可通過磷酸化作用激活離子通道，調節(jié)細胞膜電位。第19章細胞信號轉導的分子機制2.IP3/DAG-PKC通路促甲狀腺素釋放激素、去甲腎上腺素、抗利尿素與受體結合后所激活的G蛋白可激活PLC。PLC水解膜組分PIP2，生成DAG和IP3。IP3促進細胞鈣庫內的Ca2+迅速釋放，使細胞質內的Ca2+濃度升高。Ca2+與細胞質內的PKC結合并聚集至質膜。質膜上的DAG、磷脂酰絲氨酸與Ca2+共同作用于PKC的調節(jié)結構域，使PKC變構而暴露出活性中心。第19章細胞信號轉導的分子機制激素第19章細胞信號轉導的分子機制PKC對基因的早期活化和晚期活化第19章細胞信號轉導的分子機制3.Ca2+/鈣調蛋白依賴的蛋白激酶通路G蛋白偶聯受體至少可通過三種方式引起細胞內Ca2+濃度升高：某些G蛋白可以直接激活細胞質膜上的鈣通道，通過PKA激活細胞質膜的鈣通道，促進Ca2+流入細胞質；通過IP3促使細胞質鈣庫釋放Ca2+。第19章細胞信號轉導的分子機制胞質中的Ca2+濃度升高后，通過結合鈣調蛋白傳遞信號。Ca2+/CaM復合物的下游信號轉導分子是一些蛋白激酶，它們的共同特點是可被Ca2+/CaM復合物激活，因而統稱為鈣調蛋白依賴性蛋白激酶。鈣調蛋白依賴性激酶屬于蛋白絲/蘇氨酸激酶，如肌球蛋白輕鏈激酶（MLCK）、磷酸化酶激酶（PhK）、鈣調蛋白依賴性激酶（Cal-PK）Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等。這些激酶可激活各種效應蛋白，可在收縮和運動、物質代謝、神經遞質的合成、細胞分泌和分裂等多種生理過程中起作用。第19章細胞信號轉導的分子機制激素第19章細胞信號轉導的分子機制四、酶偶聯受體主要通過蛋白質修飾或相互作用傳遞信號酶偶聯受體指那些自身具有酶活性，或者自身沒有酶活性，但與酶分子結合存在的一類受體。這些受體大多為只有1個跨膜區(qū)段的糖蛋白，亦稱為單跨膜受體。酶偶聯受體主要是生長因子和細胞因子的受體。此類受體介導的信號轉導主要是調節(jié)蛋白質的功能和表達水平、調節(jié)細胞增殖和分化。第19章細胞信號轉導的分子機制英文名中文名舉例receptorstyrosinekinase(RTKs)受體型蛋白酪氨酸激酶表皮生長因子受體、胰島素受體等tyrosinekinase-coupledreceptors(TKCRs)蛋白酪氨酸激酶偶聯受體干擾素受體、白細胞介素受體、T細胞抗原受體等receptorstyrosinephosphatase(RTPs)受體型蛋白酪氨酸磷酸酶CD45receptorsserine/threoninekinase(RSTK)受體型蛋白絲/蘇氨酸激酶轉化生長因子

受體、骨形成蛋白受體等receptorsguanylatecyclase(RGCs)受體型鳥苷酸環(huán)化酶心鈉素受體等具有各種催化活性的受體第19章細胞信號轉導的分子機制①胞外信號分子與受體結合，導致第一個蛋白激酶被激活。這一步反應是“蛋白激酶偶聯受體”名稱的由來。“偶聯”有兩種形式。有的受體自身具有蛋白激酶活性，此步驟是激活受體胞內結構域的蛋白激酶活性。有些受體自身沒有蛋白激酶活性，此步驟是受體通過蛋白質-蛋白質相互作用激活某種蛋白激酶；②通過蛋白質-蛋白質相互作用或蛋白激酶的磷酸化修飾作用激活下游信號轉導分子，從而傳遞信號，最終仍是激活一些特定的蛋白激酶；③蛋白激酶通過磷酸化修飾激活代謝途徑中的關鍵酶、轉錄調控因子等，影響代謝通路、基因表達、細胞運動、細胞增殖等。（一）蛋白激酶偶聯受體介導的信號轉導通路也具有相同的基本模式第19章細胞信號轉導的分子機制MAPK通路JAK-STAT通路Smad通路PI3K通路NF-κB通路（二）幾種常見的蛋白激酶偶聯受體介導的信號轉導通路

第19章細胞信號轉導的分子機制1.MAPK通路以絲裂原激活的蛋白激酶（MAPK）為代表的信號轉導通路稱為MAPK通路，其主要特點是具有MAPK級聯反應。MAPK至少有12種，分屬于ERK家族、p38MAPK家族、JNK家族。第19章細胞信號轉導的分子機制第19章細胞信號轉導的分子機制Ras/MAPK通路表皮生長因子受體（epidermalgrowthfactorreceptor,EGFR）是一個典型的受體型PTK。Ras/MAPK通路是EGFR的主要信號通路之一。第19章細胞信號轉導的分子機制表皮生長因子受體作用機制：第19章細胞信號轉導的分子機制EGFR介導的信號轉導過程第19章細胞信號轉導的分子機制第19章細胞信號轉導的分子機制2.JAK-STAT通路許多細胞因子受體自身沒有激酶結構域，與細胞因子結合后，受體通過蛋白酪氨酸激酶JAK（Januskinase）的作用使受體自身和胞內底物磷酸化。JAK的底物是信號轉導子和轉錄活化子（signaltransducerandactivatoroftranscription，STAT），二者所構成的JAK-STAT通路是細胞因子信息內傳最重要的信號轉導通路。第19章細胞信號轉導的分子機制JAK為非受體型蛋白酪氨酸激酶，與細胞因子受體結合存在。細胞因子通過受體將JAK激活，活化后的JAK使STAT磷酸化。STAT既是信號轉導分子，又是轉錄因子。磷酸化的STAT分子形成二聚體，遷移進入胞核，調控相關基因的表達，改變靶細胞的增殖與分化。細胞內有數種JAK和數種STAT的亞型存在，不同的受體可與不同的JAK和STAT組成信號通路，分別轉導不同細胞因子的信號。第19章細胞信號轉導的分子機制γ干擾素（IFN-γ）是通過JAK1/JAK2-STAT1通路傳遞信號：①IFN-γ結合受體并誘導受體聚合和激活；②受體將JAK1/JAK2激活，JAK1和JAK2為相鄰蛋白，從而相互磷酸化，并將受體磷酸化；③JAK將STAT1磷酸化，使其產生SH2結合位點，磷酸化的STAT分子彼此間通過SH2結合位點和SH2結構域結合而二聚化，并從受體復合物中解離；④磷酸化的STAT同源二聚體轉移到核內，調控基因的轉錄。第19章細胞信號轉導的分子機制JAK-STAT信號轉導通路第19章細胞信號轉導的分子機制3.Smad通路轉化生長因子β（TGF-β）受體可激活多條信號通路，其中以Smad為信號轉導分子的通路稱為Smad通路。與STAT分子一樣，Smad分子既是信號轉導分子，又是轉錄因子。TGF-β受體主要有Ⅰ型和Ⅱ型，激活后都具有絲/蘇氨酸蛋白激酶活性。TGF-β同時結合2個Ⅰ型受體和2個Ⅱ型受體，形成異四聚體，Ⅱ型受體被激活，其激酶活性將Ⅰ型受體磷酸化并活化；Ⅰ型受體將Smad2和Smad3磷酸化；磷酸化的Smad2和Smad3與Smad4形成三聚體轉移至細胞核內，結合于Smad結合元件，調節(jié)基因表達。第19章細胞信號轉導的分子機制TGF

受體介導的信號轉導通路第19章細胞信號轉導的分子機制4.PI3K通路磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K或PI-3K）是一種重要的信號轉導分子。配體與受體結合后，PI3K通過其p85亞單位與活化的受體結合，使其p110亞單位被受體磷酸化而活化。PI3K可催化PIP3的產生。PIP3產生后，通過結合蛋白激酶B（PKB）的PH結構域，將其錨定于質膜而活化。PKB是原癌基因c-akt的產物，故又稱為Akt。PKB可磷酸化多種蛋白，介導代謝調節(jié)、細胞存活等效應。PI3K介導的許多效應都與PKB/Akt有關，因此，這條信號轉導通路又常稱為PI3K-Akt通路或PI3K-PKB通路。第19章細胞信號轉導的分子機制5.NF-

B通路NF-

B是一種幾乎存在于所有細胞的轉錄因子，廣泛參與機體防御反應、組織損傷和應激、細胞分化和凋亡以及腫瘤生長抑制等過程。腫瘤壞死因子受