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第一节 概述,一、细胞通讯二、信号转导系统及其特性,一、细胞通讯,细胞通讯：指一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应反应的过程。细胞通讯主要有三种方式：1 细胞间隙连接 2 膜表面分子接触通讯 3 化学通讯,细胞间隙连接,膜表面分子接触通讯,化学通讯,Fig.不同的细胞间通讯方式,autocrine,Gap junction,内分泌,旁分泌,自分泌,化学突触,接触依赖性通讯,间隙连接,跨膜细胞信号转导的一般步骤,特定的细胞释放信息物质,信息物质经扩散或血循环到达靶细胞,与靶细胞的受体特异性结合,受体对信号进行转换并启动细胞内信使系统,靶细胞产生生物学效应,（二）信号分子与受体,1.信号分子 物理信号（光、热、电流）化学信号（内分泌激素、气味分子、细胞代谢产物、药物毒物）。,2.受体receptor,一种能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子，当与配体结合后，通过信号转导(signal transduction)作用将胞外信号转换为胞内化学或物理的信号，以启动一系列过程，最终表现为生物学效应。,两种类型：细胞内受体、细胞表面受体,细胞表面受体分属三大家族：,两个功能区域：配体结合区（结合特异性）效应区（效应特异性）,三种类型的细胞表面受体,无活性催化结构域,活化的催化结构域,酶,3.第二信使与分子开关,第一信使：细胞外信号分子。第二信使(Second massenger)：第一信使与受体作用后在细胞内最早产生的信号分子。包括cAMP、cGMP、三磷酸肌醇(IP3)、二酰基甘油(DG)等。功能:启动和协助细胞内信号的逐级放大。,Fig.细胞内信号传导过程中两类分子开关蛋白,蛋白激酶,蛋白磷酸酯酶,分子开关(Molecular switches),二、信号转导系统及其特性,（一）信号转导系统的基本组成与信号蛋白（二）细胞内信号蛋白的相互作用（三）信号转导系统的主要特性,细胞信号途径的4个步骤,第一步：受体特异性识别胞外信号第二步：跨膜信号转导第三步：信号放大，产生生物学效应第四步：反馈终止或降低细胞反应,胞外信号分子,受体,胞内信号分子,靶蛋白,新陈代谢酶,基因调控蛋白,细胞支架蛋白,改变新陈代谢,改变基因表达,改变细胞形状或运动,细胞信号途径的组成,组成从细胞表面到细胞核的信号途径的各类信号蛋白组分,支架蛋白,转承蛋白,接头蛋白,分歧蛋白,放大和转导蛋白,潜在基因调控蛋白,细胞内中介小分子,整合蛋白,锚蛋白,修饰蛋白,信使蛋白,核膜,靶蛋白,信号应答元件,基因转录,质膜,转承蛋白信使蛋白接头蛋白放大和转导蛋白传感蛋白分歧蛋白整合蛋白潜在基因调控蛋白,信号转导系统的基本特征,特异性放大作用信号终止或下调细胞对信号的整合作用,第二节 细胞内受体介导的信号转导,一、细胞内核受体及其对基因表达的调节二、NO作为气体信号分子进入靶细胞直接与酶结合,Fig.细胞内受体蛋白超家族,细胞内受体的本质：激素激活的基因调控蛋白。,三部分组成：,中部的DNA或Hsp90结合位点：富含Cys、锌指结构,C-端激素结合位点,N-端转录激活结构域,一、细胞内核受体及其对基因表达的调控,转录激活域,DNA结合域,配体结合域,抑制蛋白,辅激活因子,配体,受体结合元件,靶基因转录,失活受体,活化受体,NO可快速扩散透过细胞膜，作用于邻近细胞。血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞，NO的生成由一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）催化，以L精氨酸为底物，以NADPH作为电子供体，生成NO和L-瓜氨酸。NO没有专门的储存及释放调节机制，靶细胞上NO的多少直接与NO的合成有关。,二、NO信号分子的作用机制,NO的作用机理：乙酰胆碱血管内皮Ca2+浓度升高一氧化氮合酶NO平滑肌细胞鸟苷酸环化酶cGMP血管平滑肌细胞的Ca2+离子浓度下降平滑肌舒张血管扩张、血流通畅。硝酸甘油治疗心绞痛具有百年的历史，其作用机理是在体内转化为NO，可舒张血管，减轻心脏负荷和心肌的需氧量。,Fig.NO在导致血管平滑肌舒张中的作用,血管神经末梢释放乙酰胆碱作用于血管内皮细胞，被激活的血管内皮细胞产生并释放NO，通过扩散进入临近平滑肌细胞，导致血管平滑肌舒张,Guanylate cyclase,Regulation of contractility of arterial smooth muscle by NO and cGMP,1998年RFurchgott等三位美国科学家因对NO信号转导机制的研究而获得诺贝尔生理和医学奖。,Robert F.Furchgott,Louis J.Ignarro,Ferid Murad,第三节 G蛋白耦联受体介导的信号转导,一、G蛋白耦联受体的结构与激活二、G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路 以cAMP为第二信使的信号通路 磷脂酰肌醇双信使信号通路 G蛋白耦联受体介导离子通道的调控,Fig.G蛋白偶联受体结构图,一、G蛋白偶联的受体,G蛋白偶联的受体是指配体-受体复合物与靶蛋白（酶或离子通道）的作用通过与G蛋白的偶联，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内影响细胞的行为。,Fig.细胞外信号结合所诱导的G蛋白的活化,G蛋白耦联型受体：7次跨膜蛋白，胞外结构域识别信号分子，胞内结构域与G蛋白耦联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使。类型：多种神经递质、肽类激素和趋化因子的受体，味觉、视觉和嗅觉感受器。相关信号途径：cAMP途径、磷脂酰肌醇途径。,G蛋白：即：trimeric GTP-binding regulatory protein(三聚体GTP结合调节蛋白）。组成：三个亚基，和亚基属于脂锚定蛋白。作用：分子开关，亚基结合GDP处于关闭状态，结合GTP处于开启状态。亚基具有GTP酶活性，能催化所结合的ATP水解，恢复无活性的三聚体状态，其GTP酶的活性能被GAP增强。,G蛋白,1.cAMP信号通路组成,（1）Rs和Ri（2）Gs和Gi（3）腺苷酸环化酶（4）蛋白激酶（5）环腺苷酸磷酸二酯酶（cAMP phosphodiesterase,PDE）,G-protein linked receptor,（1）Rs和Ri,（2）活化型调节蛋白（Gs）或抑制型调节蛋白（Gi）；,（3）腺苷酸环化酶：跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，催化ATP生成cAMP。,Adenylate cyclase,Fig.Gs的调节作用：Gs偶联受体激活腺苷酸环化酶的模型,(4)蛋白激酶A（Protein Kinase A，PKA）：由两个催化亚基和两个调节亚基组成。cAMP与调节亚基结合，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基，激活蛋白激酶A的活性。,（5）环腺苷酸磷酸二酯酶（cAMP phosphodiesterase,PDE）：降解cAMP生成5-AMP，起终止信号的作用。,Degredation of cAMP,cAMP信号途径可表示为：激素 G蛋白耦联受体G蛋白腺苷酸环化酶cAMP依赖cAMP的蛋白激酶A基因调控蛋白磷酸化基因转录。不同细胞对cAMP信号途径的反应速度不同：在肌肉细胞，1秒钟内可启动糖原降解为葡糖1-磷酸，而抑制糖原合成。在某些分泌细胞，需要几个小时，激活的PKA 进入细胞核，将CRE结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。CRE（cAMP response element）是DNA上的调节区域。,PKA的作用,对代谢的调节作用,通过对效应蛋白的磷酸化作用，实现其调节功能。,Glycogen breakdown in skeletal muscle,蛋白激酶调节糖原的降解,无活性的磷酸化酶激酶,无活性的磷酸化酶,糖原,受cAMP调控的基因中，在其转录调控区有一共同的DNA序列(TGACGTCA)，称为cAMP应答元件(cAMP response element,CRE)。可与cAMP应答元件结合蛋白(cAMP response element bound protein,CREB)相互作用而调节此基因的转录。,(2)对基因表达的调节作用,Fig.cAMP信号通路对基因转录的激活,信号分子与受体结合通过G蛋白活化腺苷酸环化酶，导致细胞内cAMP浓度增高激活蛋白激酶A，被活化的蛋白激酶A（催化亚基）转为进入细胞核，使基因调控蛋白（cAMP应答结合蛋白，CREB）磷酸化，磷酸化的基因调控蛋白与靶基因调控序列结合，增强靶基因的表达。,胞外信号分子与细胞表面G蛋白耦联受体结合，激活质膜上的磷脂酶C（PLC-），使质膜上4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（diacylglycerol,DAG）。IP3开启胞内IP3门控钙离子通道，Ca2+浓度升高，激活钙调蛋白（CaM）等Ca2+依赖蛋白；DAG在Ca2+协助下激活蛋白激酶C（PKC）。,2、磷脂酰肌醇双信使信号通路,Fig.磷脂酰肌醇信号通路图解,磷脂酰肌醇（IP3）信号通路,钙调蛋白（calmodulin，CaM）可结合钙离子将靶蛋白（如：钙调蛋白激酶CaM-Kinase）活化。蛋白激酶C位于细胞质，Ca2+浓度升高时，PKC转位到质膜内表面，被DG活化，PKC属蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶。IP3信号的终止是通过去磷酸化形成IP2、或磷酸化为IP4。DG通过两种途径终止其信使作用：一是被DG激酶磷酸化成为磷脂酸，进入磷脂酰肌醇循环；二是被DG酯酶水解成单酯酰甘油。Ca2+被质膜上的钙泵和Na+-Ca2+交换器抽出细胞，或被内质网膜上的钙泵抽回内质网。,控制Ca2+浓度的手段,PKC的生理功能,调节代谢活化的PKC引起一系列靶蛋白的丝、苏氨酸残基磷酸化。靶蛋白包括：质膜受体、膜蛋白和多种酶。调节基因表达PKC 对基因的活化分为早期反应和晚期反应。,PKC 对基因的早期活化和晚期活化,钙调蛋白(calmodulin,CaM)为钙结合蛋白，由一条肽链组成，有四个Ca2+结合位点。与Ca2+结合后可激活CaM激酶，再磷酸化多种功能蛋白质的丝、苏氨基酸残基。,Ca2+钙调蛋白依赖性蛋白激酶途径,CaM,CaM与靶蛋白结合,受体本身为离子通道，即配体门通道（ligand-gated channel）。主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，其信号分子为神经递质。阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体；阴离子通道，如甘氨酸和氨基丁酸的受体。,3、离子通道型受体,Chemical synapse,Acetylcholine receptor,Three conformation of the acetylcholine receptor,Ion-channel linked receptors in neurotransmission,视觉感受器中的G蛋白,黑暗条件下视杆细胞中cGMP浓度较高，cGMP门控钠离子通道开放，钠离子内流，膜去极化，突触持续向次级神经元释放递质。有光时cGMP浓度下降的负效应起传递光刺激的作用。光信号Rh激活Gt活化cGMP磷酸二酯酶激活胞内cGMP减少Na+离子通道关闭离子浓度下降膜超极化神经递质释放减少视觉反应。视紫红质（rhodopsin,Rh）为7次跨膜蛋白，由视蛋白和视黄醛组成。,Role of cGMP in Photoreception,第四节 酶连受体介导的信号转导,一、受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路二、细胞表面其他酶连受体三、细胞表面整联蛋白介导的信号转导,分为两种情况：本身具有激酶活性，如EGF，PDGF，NGF、FGF等的受体；本身没有酶活性，但可以连接非受体酪氨酸激酶，如细胞因子受体超家族。已知六类：受体酪氨酸激酶、受体丝氨酸/苏氨酸激酶、受体酪氨酸磷脂酶、酪氨酸激酶连接的受体、受体鸟苷酸环化酶、组氨酸激酶连接的受体（与细菌的趋化性有关）。,酶连受体的类型,酶偶联型受体的共同点：单次跨膜蛋白；接受配体后发生二聚化，启动下游信号转导。,1、酪氨酸激酶受体酪氨酸激酶（RPTKs）：为单次跨膜蛋白，配体（如EGF）与受体结合。导致二聚化，二聚体内彼此相互磷酸化胞内段酪氨酸残基。通过磷酸化的酪氨酸残基来吸引各种具有SH2结构域的功能蛋白或者接头蛋白，连接到受体上完成信号传递。,一、受体酪氨酸激酶及RTK-Ras通路,Fig.受体酪氨酸激酶（RTKs）的7个亚族（注：书中列6个）,富含Cys结构域,免疫球蛋白样结构域,Tyr激酶结构域,激酶插入区域,受体酪氨酸激酶,2、信号分子间的识别结构域SH2结构域（Src Homology 2 结构域）：介导信号分子与含磷酸酪氨酸蛋白分子的结合。SH3结构域（Src Homology 3 结构域）：介导信号分子与富含脯氨酸的蛋白分子的结合。PH结构域（Pleckstrin Homology 结构域）：与磷脂类分子PIP2、PIP3、IP3等结合。受体酪氨酸激酶介导的信号途径主要有RAS途径、PI3K途径、磷脂酰肌醇途径等。,RTK结合信号分子，形成二聚体，并发生自磷酸化，活化的RTK激活RAS，RAS引起蛋白激酶的磷酸化级联反应，最终激活有丝分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK），活化的MAPK进入细胞核，可使许多底物蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化，如将Elk-1激活，促进c-fos，c-jun的表达。,3、RAS信号途径,RTK-Ras信号途径可概括如下：配体RTKadaptor(接头蛋白）GEFRasRaf（MAPKKK）MAPKKMAPK进入细胞核转录因子基因表达。Ras释放GDP需要鸟苷酸交换因子（GEF，如Sos）参与；Sos有SH3结构域，但没有SH2结构域，不能直接和受体结合，需要接头蛋白（如Grb2）的连接。Ras的GTP酶活性不强，需要GAP的参与。,Ras-GEF,Raf is a PK that triggers MAP-K pathway,c-fos,c-junCell proliferation,RTK-Ras Pathway,Fig.活化的RTK激活Ras蛋白：接头蛋白连接活化的RTK与Ras激活蛋白（如GRF），导致GDP-GTP交换，活化的Ras蛋白诱发信号通路的“下游事件”。,Fig.活化的PKC和Ras蛋白激活的激酶磷酸化级联放大,激活的Ras蛋白扳动三种蛋白激酶的磷酸化级联反应，增强和放大信号，级联反应的最后，才能磷酸化一些基因调控蛋白，改变基因表达模式；这是终致细胞行为（包括细胞增殖或分化，细胞存活或凋亡）改变的关键；通过PKC激活的靶酶可能是Raf，也可能是其它丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。,二、细胞表面其他与酶偶联的受体,（1）受体丝氨酸/苏氨酸激酶（2）受体酪氨酸磷酸酯酶（3）受体鸟苷酸环化酶（4）酪氨酸蛋白激酶联系的受体,配体是转化生长因子-s。（transforming growth factor-s，TGF-s。）家族成员。包括TGF-1-5。依细胞类型不同，可抑制细胞增殖、刺激胞外基质合成、刺激骨骼的形成、通过趋化性吸引细胞、作为胚胎发育过程中的诱导信号等。,（1）受体丝氨酸/苏氨酸激酶,可以使特异的胞内信号蛋白的磷酸酪氨酸残基去磷酸化，其作用是控制磷酸酪氨酸残基的寿命，使静止细胞具有较低的磷酸酪氨酸残基的水平。与酪氨酸激酶一起协同工作，如参与细胞周期调控。白细胞表面的CD45属这类受体，对具体配体尚不了解。和酪氨酸激酶一样存在胞质酪氨酸磷酯酶。,（2）受体酪氨酸磷酯酶,分布在肾和血管平滑肌细胞表面，配体为心房排钠肽（atrial natriuretic peptide，ANP）或BNP。当血压升高时，心房肌细胞分泌ANP，促进肾细胞排水、排钠，同时导致血管平滑肌细胞松弛，结果使血压下降。信号途径为：配体受体鸟苷酸环化酶cGMP依赖cGMP的蛋白激酶G（PKG）靶蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化而活化。,（3）受体鸟苷酸环化酶,包括各类细胞因子（如干扰素）的受体，在造血细胞和免疫细胞通讯上起作用。受体本身不具有酶活性，但可连接胞内酪氨酸蛋白激酶（如JAK），信号途径为JAKSTAT或RAS途径。JAK（janus kinase）属非受体酪氨酸激酶家族。JAK的底物为STAT，即信号转导子和转录激活子（signal transducer and activator of transcription，STAT）。,（4）细胞因子受体超家族,JAK/STAT Pathway,配体与受体结合导致受体二聚化；二聚化受体激活JAK；JAK将STAT磷酸化；STAT形成二聚体，暴露出入核信号；STAT进入核内，调节基因表达。,导致粘着斑装配的信号通路有两条 粘着斑的功能：机械结构功能；信号传递功能 通过粘着斑由整合蛋白介导的信号传递通路：由细胞表面到细胞核的信号通路由细胞表面到细胞质核糖体的信号通路,三、由细胞表面整联蛋白介导的信号传递,第五节 信号的整合与控制,一、细胞对信号的整合二、细胞对信号的控制,多通路，多环节，多层次，高度复杂的可控过程,细胞信号传递的基本特征与蛋白激酶的网络整合信息,发散与收敛,1 细胞通讯有哪三种方式？2.试述细胞信号传导中细胞表面受体的主要种类和基本特点.3.概述G蛋白偶联受体介导的信号通路的组成，特点及主要功能。4G蛋白偶联受体被激活后，使相应的G蛋白解离成、三个亚基，以进行信号传递(-)6.概述酪氨酸蛋白激酶受体介导的RTK-Ras信号通路的特点和功能。7不属于蛋白酪氨酸激酶类型的受体是：(C)A EGF受体；B PDGF 受体；C TGF受体；D IGF-1受体8 什么是GTP酶活化蛋白(GTPase-acivating protein,GAP),
