《细胞通讯》课件.ppt

细 胞 通 讯 Cell communication,细 胞 信 号 发 放 Cell signaling 细 胞 信 号 转 导 Cell signal transduction,多细胞生物适应环境、调节代谢离不开内外环境与细胞、细胞与细胞之间的细胞通讯（cell communication），这是生物存活、生长、分化，以及多细胞、多组织系统执行正常功能的需要。这种针对内外源信息所发生的细胞应答过程称为信号转导（signal transduction）。,代谢调控概述,物质交换物质流 能量转换能量流 信息流动信息流,代 谢metabolism,合成代谢(Catabolism)代谢 分解代谢(Anabolism),按方向分,代谢的实质：一系列的酶促化学反应,S,A,B,C,D,E,L,Z,L,M,N,O,P,T,Z,T,底物,中间产物,终产物,代谢途径（metabolic pathway）完成某一代谢过程的一组相互衔接的酶促反应的总和。,代谢途径的分类,线状代谢途径：如由乙酰CoA合成胆固醇 分支状代谢途径：有枢纽点存在 环状代谢途径：如TAC、鸟氨酸循环,线状代谢途径,环状代谢途径,分支状代谢途径,Glu,Fat,Amino acid,细胞内复杂的代谢网络,像迷宫一样,nucleeus,代谢途径速度和/或方向的调控,限速酶(limiting velocity enzymes)或关键酶(key enzymes)：决定一条代谢途径速度和/或方向的关键所在；是代谢途径的调控点。,所催化的反应速度最慢（酶活性最低）；位于代谢途径的最前方或分支处；催化单向不可逆反应（或非平衡反应）；常常是变构酶、化学修饰酶、诱导酶或阻遏酶（受多种效应剂的调节）。,限速酶的特点：,细胞水平的代谢调节,最基本、最原始的调控方式；是单细胞生物的主要调控方式；高等生物仍然保留了这种调节方式；除了个代谢途径在细胞内的空间隔离分布外，更多的是通过代谢物浓度改变的调节。,细胞内酶的隔离分布,代谢途径有关酶类常常组成多酶体系，分布于细胞的某一区域。,多酶体系在细胞内的分布,酶隔离分布的意义：避免了各种代谢途径互相干扰。,细胞内代谢物（底物、中间物、产物）浓度的变化 改变限速酶 酶活性改变 相关代谢途径的速度和方向改变,结构,含量,快速调节,迟缓调节,细胞内代谢物浓度的调节,变构调节概念：指某些小分子代谢物可以与酶的非催化部位（活性中心以外）可逆结合（非共价结合），由此引发的酶结构和活性的改变称为变构调节。,关键酶的变构调节(allosteric effector),变构酶：能发生变构调节的酶。变构效应剂：能使酶发生变构的物质。变构效应剂,变构激动剂：,变构抑制剂：,使酶活性,使酶活性,变构酶的调节机制：变构酶结构上：常常是具有四级结构的蛋白质，是偶数亚基的寡聚体。催化亚基（C）：与底物结合 调节亚基（R）：与变构剂结合 可以通过亚基的解聚或聚合来实现酶的结构变化-调节酶活性,激酶（Kinase）：催化底物发生磷酸化修饰的酶类,蛋白激酶（Protein Kinase,PK):使蛋白质发生磷酸化修饰的酶类。,蛋白激酶A（PKA),cAMP是PKA的变构激活剂,变构激活,变构抑制,脂肪酸合成的限速酶,变构调节的生理意义,代谢终产物反馈抑制(feedback inhibition)代谢途径中的关键酶，使代谢物不致生成过多。,变构调节使能量得以有效利用，不致浪费。,变构调节使不同的代谢途径相互协调。,酶结构的化学修饰调节(chemical modification),酶结构的共价修饰调节(covalent modification),酶蛋白分子上的一些基团可在另一种酶的催化下，共价结合或去除某一化学基团，由此引发酶结构及活性改变的快速调节。,化学修饰的概念:,化学修饰的主要方式,磷酸化-去磷酸-最常见,乙酰化-脱乙酰,甲基化-去甲基,腺苷化-脱腺苷,SH 与 S S 互变,酶的磷酸化与脱磷酸化,那些氨基酸含有羟基?,化学修饰的特点：,酶蛋白的共价修饰是可逆的酶促反应，在不同酶的作用下，酶蛋白的活性状态可互相转变。催化互变反应的酶在体内可受调节因素如激素的调控。具有联放大效应（瀑布效应）通过一系列酶促反应将激素信号放大的连锁反应称为级联放大效应（cascade system)磷酸化与脱磷酸是最常见的方式。,同一个酶可以同时受变构调节和化学修饰调节,酶含量的调节,特点：含量决定活性；酶蛋白含量的增加涉及基因表达过程，耗时数小时或数天；缓慢而持久；,酶蛋白合成的诱导（Induction）：诱导剂：某些底物、激素、药物等可在转录水平上使酶合成量增加称为诱导。举例：大鼠饲料中酪蛋白 肝精氨酸酶活性 苯巴比妥安眠药长期服药 耐药 乙醇降解酶诱导酒量?,EPO ALA 合成酶（血红素合成的限速酶）,诱导,甘氨酸,琥珀酰CoA,ALA,Fe2+,血红素,Erythropotien促红细胞生成素,+,酶蛋白合成的阻遏（Repression）阻遏剂：某些物质如代谢产物可在转录水平上使酶合成量减少称为阻遏剂。举例：胆固醇HMGCoA还原酶,阻遏,细 胞 通 讯 Cell communication,单细胞生物与外环境直接交换信息。多细胞生物中的单个细胞不仅需要适应环境变化，而且还需要细胞与细胞之间在功能上的协调统一。信号通讯是生物适应环境不断变异、进化的结果。,细胞通讯的方式,通常根据信息分子是否直接进入另一细胞，分为直接通讯和间接通讯,直接通讯：direct communication 概念：相临的细胞，通过细胞之间的连接通道而直接实现通讯联系。,细胞与细胞的直接联系：是最原始的方式，表现为物质直接交换，或者是通过细胞表面分子相互作用实现信息交流，这种调节方式至今仍然是高等动物细胞分化、个体发育及实现整体功能协调、适应的重要方式之一。,间隙连接示意图,间隙连接（gap Junction)：分布最普遍、最重要，而且具有细胞间通道作用。,细胞中存在间隙连接的证明：最初是发现两个神经细胞之间有电偶联现象：如将微电极插入相邻细胞，发现其电阻值(100)大大低于一般细胞内外电阻值(5001000)这说明细胞间有通道可以允许无机离子自由通过，形成电偶联。,用小分子荧光素注入一个细胞，可以发现它们能转移到相邻细胞，而在细胞外液中看不到，这进一步说明细胞间有直接联系通道。,荧光标记的不同大小的分子注入细胞后，依靠间隙连接进入另一细胞。,小分子荧光素注入实验,用不同分子量的染料证明，这种通道可以让小于115kD的分子通过，即提示通道孔径约为1.5nm。,间隙连接形成的结构基础：gap junction是由质膜上镶嵌的间隙连接蛋白(connexin，Cx)所形成的连接小体（connexons)组成。每个连接小体由6个分子量为27kd的亚基组成。,相临两个质膜的连接小体对接形成通道。连接小体中有亲水孔道，信息分子可由通道从一个细胞进入另一个细胞，而不漏入细胞间隙。,研究热点,间隙连接的模型,间隙连接的功能 1、电偶联传导 连接小体形成的亲水孔道，允许离子通过，形成电偶联，可使一些可兴奋的细胞（如心肌细胞）由于离子迅速穿过间隙连接而偶连起来，保证心肌对刺激作出快速和同步反应。,2、代谢偶连（代谢的协调）连接小体形成的亲水孔道，也允许水溶性小分子代谢物自由通过，这样使得细胞间通过间隙连接可共享某些代谢物（如底物、中间代谢物），以协调代谢。,3、调控细胞增殖 近年来这方面有许多研究报道。正常细胞群体，由于存在间隙连接，可以正常传播与增殖有关的信号，细胞增殖保持同步，保持平衡，按一定基因程序进行；间隙连接的阻断，可能使细胞脱离周围正常细胞的控制，从而获得自立性，表现不受控制的增殖。,间隙连接细胞间通讯（gap junction intercellular comunication,GJIC)，是细胞生长、发育、增殖、分化及凋亡的重要调节机制；间隙连接蛋白（Cx）的表达与恶性肿瘤的发生、发展、浸润和转移有密切关系；,近年来研究发现，多种肿瘤的发生与间隙连接蛋白(connexni，Cx)基因表达和信号转导机制的异常以及间隙连接细胞通讯功能（GJIC）缺陷密切相关。Cx基因的上调和间隙连接通讯功能的恢复表现出肿瘤细胞生长抑制和恶性表型逆转，Cx基因的表达对肿瘤细胞的生长起负调控作用，被认为是非突变型肿瘤抑制基因。,已有报道v-src癌基因转化的NIH3T3细胞丧失接触抑制时，间隙连接下降；许多促癌剂如TPA（佛波醇酯），可以抑制间隙连接的功能，因而间隙连接功能成为检测促癌剂的一个重要指标。,间接通讯：indirect communication 相隔一定距离的细胞之间，靠分泌发放化学信息分子进行相互联系和通讯(化学通讯）。,是细胞间通讯的主要途径。,外环境刺激其他细胞产生的刺激 神经刺激,分泌细胞或神经细胞等,化学信息分子,长距离或短距离传输,靶细胞,特定的效应,化学信息分子,信息分子：是指在细胞内外进行信息传递 的一类化学物质；种类繁多，性质各异，作用复杂；细胞间信息物质第一信使 细胞内信息物质第二信使,按作用部位,化学信息分子按化学本质分：蛋白质和肽类（生长因子、细胞因子等）氨基酸及其衍生物（甘氨酸、肾上腺素）类固醇激素(性激素、类固醇激素）脂酸衍生物（如前列腺素、白三稀）气体信息分子：NO、CO.H2S单胺类（多巴胺等）胆硷类等（乙酰胆碱）,化学信息分子按作用方式和作用距离分:内分泌信号（endocrine):信息分子为激素 传递介质为血液，作用距离最远 旁分泌信号(paracrine):信息分子为局部化学介质因子或称细胞因子如白细胞介素、各种生长因子、细胞分化发育因子等。这些细胞因子分泌后，主要作用于周围细胞；传递介质为细胞间液 自分泌信号(autocrine):信息分子作用于自身如IL-2 突触分泌信号（synaptic)：为作用距离最短的是神经元突触内的神经递质(neurotransmitter)。,化学通讯可分为4类：,内分泌、旁分泌、自分泌,自分泌,内分泌,旁分泌,内分泌激素,又称内分泌信号(endocrine signal),特点：由特殊分化的内分泌细胞分泌；通过血液循环到达靶细胞；大多数作用时间较长。,例如：胰岛素、甲状腺素、肾上腺素等,局部化学介质,又称旁分泌信号(paracrine signal,特点：由体内某些普通细胞分泌；不进入血循环，通过扩散作用到达附近的靶细胞；一般作用时间较短。,例如：生长因子、前列腺素等。,神经递质,又称突触分泌信号(synaptic signal),特点：由神经元细胞分泌；通过突触间隙到达下一个神经细胞；作用时间较短。,例如：乙酰胆碱、去甲肾上腺素等,有些细胞间信息物质能对同种细胞或分泌细胞自身起调节作用，称为自分泌信号(autocrine signal)。,有些细胞间信息物质可在不同的个体间传递信息，如昆虫的性激素。,自分泌信号,GAS MOLECULE,细胞内信息物质,(intracellular signal molecules)第一信号物质经转导刺激细胞内产生的传递细胞调控信号的化学物质。,细胞内信息分子化学本质：,无机离子：如 Ca2+,脂类衍生物：如DAG、Cer,糖类衍生物：如IP3,核苷酸：如cAMP、cGMP,信号蛋白分子：如Ras、Raf,第三信使(third messenger),负责细胞核内外信息传递的物质，又称为核信使。,在细胞内传递信息的小分子物质，如：Ca2+、DAG、IP3、Cer、cAMP、cGMP等。,第二信使(secondary messenger),cAMP cGMP DAG IP3 Ca2+,通常将,这类在细胞内传递信息的小分子化合物称为第二信使（secondary messenger）,cAMP,cGMP,甘油二酯,三磷酸肌醇IP3,Ca+,几种主要第二信使的结构,细胞间信息物质影响细胞功能的途径,化学信息分子的作用特点：不同信息分子的时间效应各异；大多数激素属于长距离通讯：作用缓慢而持久神经递质局部化学介导因子,多属于短距离通讯,水溶性与脂溶性信息分子的作用机制有别,组织特异性和效应特异性 细胞外的信息分子只对能识别它的靶细胞起作用，并产生特定的效应。,受体(receptor),受体概念：是指定位于细胞膜上或细胞内（胞浆或胞核）能特异识别化学信息分子并与之特异结合进而引起生物学效应的物质。化学本质：蛋白质（尤其糖蛋白），个别是糖脂。配体(ligand)：能与受体呈特异结合的生物活性分子。,受体的作用：识别外源信息分子。与受体相对应的信息分子称为配体；将配体的信号进行转换，使之成为 细胞内分子可以识别的信号，并传递至其它分子，引起细胞的应答。,受体的分类：按细胞定位,（一）膜受体：存在于细胞膜上的受体。它们绝大部分为糖蛋白。（二）胞内受体：位于胞浆或细胞核中的受体。它们多为DNA结合蛋白（反式作用因子）。,膜受体分类,1、环状受体 离子通道型受体2、七次跨膜螺旋受体 G蛋白偶联性受体3、单次跨膜螺旋受体酶偶联性受体,1.环状受体 配体依赖性离子通道,神经递质与这类受体结合后，可使离子通道打开或关闭，从而改变膜的通透性。,乙酰胆碱受体,1.环状受体(离子通道型受体)：多为数个亚基组成的寡聚体蛋白；兼具受体和离子通道两种功能。跨膜信号转导无需中间步骤，反应快 受体分子构成离子通道。受体与信号分子结合后变构，导致离子通道开放或关闭，引起迅速短暂的效应。它们的开放或关闭直接受化学配体的控制，又被称为配体-门控受体通道（ligand-gated receptor channel）。配体主要为神经递质。如烟碱型乙酰胆碱受体（nAChR),r-氨基丁酸受体（GABA），谷氨酸受体等。,乙酰胆碱受体结构,乙酰胆碱结合部位,离子通道,顶部观,侧面观,乙酰胆碱受体功能模式图,离子通道受体信号转导的最终作用是导致了细胞膜电位改变，即通过将化学信号转变成为电信号而影响细胞功能的。离子通道型受体可以是阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体；也可以是阴离子通道，如甘氨酸和-氨基丁酸的受体。,2.G 蛋白偶联受体(G-protein coupled receptors,GPCRs)又称七个跨膜螺旋受体/蛇型受体(serpentine receptor),G蛋白是鸟苷酸结合蛋白（guanylate binding protein）的简称。,是一类和GTP或GDP相结合、位于细胞膜胞浆面的外周蛋白，由、三个亚基组成。,G蛋白有两种构象,活化型,非活化型,G蛋白由三个亚基组成：G：有GTP或GDP结合位点、GTP酶活性、ADP核糖基化位点及受体和效应器结合位点等。G与G 结合紧密。,R,H,AC,GDP,GTP,AC,ATP,cAMP,G蛋白的种类及功能,两种G蛋白的作用,G蛋白偶联受体的信息传递途径,酶,第二信使,蛋白激酶,酶或其他功能蛋白磷酸化,生物学效应,2.七次跨膜受体（G蛋白偶联性受体）结构上均为单体蛋白，氨基端位于细胞外表面，羧基端位于胞膜内侧，完整的肽链要反复跨膜7次。由于肽链反复跨膜七次，在膜外侧和膜内侧形成了几个环状结构。其膜内侧的环状结构（第3环）可以与G蛋白相互作用。该受体信号转导途径中的第一步反应都是激活G蛋白，故这类受体亦被称为G蛋白偶联型受体（G-protein coupled receptor，GPCR）,7 次 跨 膜 受 体,G蛋白的共同特征：定位于细胞膜胞浆面的外周蛋白；位于膜受体与效应分子（effector）之间的信 号转导蛋白；具有结合GDP或GTP的能力，有潜在的GTP 酶（GTPase）活性；可激活效应蛋白，实现信息转导功能。,名称：鸟苷酸结合蛋白,G-proteins,G蛋白的结构特征：由.三个亚基组成的异三聚体；MW为100Kd左右 亚基决定G蛋白的特异性；.亚基通常结合在一起起调节作用；,受体结合位点鸟苷酸结合位点潜在的GTP酶活性,亚基,G蛋白亚单位（G-protein subunits）,Three subunits,Ligand binding domainPotent GTPase,G蛋白的作用模式：通过两种构象相互切换介导信号转导 过程；G-GDP无活化型（无活性的三聚体）G-GTP有活化型（有活性的单体）配体与G蛋白偶联型受体结合，使位于膜内侧的G转为与GTP结合的激活态。随后结合的GTP被G蛋白的GTP酶水解，G蛋白又回到于GDP结合的静息状态。,GGTP 激活态（开）GGDP 失活态（关）,G 蛋白的分子开关作用,G蛋白偶联受体的信号传递的基本模式：配体与受体结合；受体变构激活G蛋白；G蛋白激活或抑制膜上的效应分子（EFFECTOR）；效应分子改变细胞内第二信使的含量与分布；细胞内第二信使作用相应的靶分子，使之构象改变，从而改变细胞的代谢和基因表达等功能。,G蛋白循环,GPCR signalling,激素、受体、蛋白的相互作用,G种类 效应分子 细胞内信使 靶分子 s AC cAMP PKA活性 i AC cAMP PKA活性 q PLC Ca+IP3 DG PKC活性 t cGMP-PDE cGMP Na+离子通道关闭,哺乳动物细胞中的Ga亚基种类及效应,小分子G蛋白(small G protein)与G蛋白三聚体（100 Kd）相比要小得多，因而称为小分子量G蛋白 小分子量G蛋白在多种信号转导途径中亦具有开关作用。第一个被发现的小分子量G蛋白是Ras只有21kD（P21蛋白/Ras蛋白）。,“小G”,位于细胞内,只有 G功能（如Ras）,在将信号从细胞膜外传递至细胞核的过程中，Ras蛋白起着非常重要的作用。整个过程开始于生长因子（如EGF或PDFG）等与各自受体的细胞外功能域结合。（见TPK信号转导途径）,3.单次跨膜的具有内在酶活性的受体,受体本身是一种具有跨膜结构的酶蛋白化学实质是糖蛋白，只有一个跨膜螺旋结构整个分子分为3个结构区：胞外配体结合区 中间跨膜区 胞内具有TPK活性结构区属于这种类型的受体有酪氨酸蛋白激酶(TPK)的广泛参与,配体：细胞因子、生长因子、胰岛素等。功能：与细胞分化、增殖、癌变等有关.,结构,胞外区：配体结合区，变异较大跨膜区：22-26个AA构成高度疏水的 螺旋。胞内区：TPK功能区，可结合ATP及下 游信号分子。,单次跨膜螺旋受体,1）酪氨酸蛋白激酶受体（受体型TPK-RTK）催化型受体，自身具有酪氨酸蛋白激酶活性，可自身磷酸化，也可使底物酪氨酸残基磷酸化。2）非酪氨酸蛋白激酶受体 与PTK偶联而激活。,激酶插入序列,EGF受体,IGF-I受体,PDGF受体,FGF受体,富含Cys区段,免疫球蛋白样序列,TPK,膜,表皮生长因子,胰岛素样生长 因子1,血小板衍生生,成纤维细胞生长因子,含TPK结构域的受体,胞内受体,胞内受体实质:多为转录因子或称反式作用因子 信息分子:类固醇激素、甲状腺素、VitD3、维甲酸等）,受体结构：由400-1000个AA 残基组成的单体蛋白质，由四 个区域组成。高度可变区：N 端 转录激活作用DNA结合区：富含半胱氨酸并有锌指结构保守序列激素结合区：C 端 配体结合区 铰链区：,核内受体结构示意图,受体作用的特点,高度特异性 高度亲和力 可饱和性 可逆性 特定的作用模式 具有放大效应,高度的特异性 信号分子与受体的结合类似酶于底物的结合，具有很强的专一性。一种信息分子到达细胞时，只作用于与之相应的受体，如果细胞没有相应受体，就不会对其发生反应。但必须指出：结合的特异性虽强，但是并不绝对排斥交叉结合的存在。在机体内存在着一些不同配体共用一个受体，或一个受体可以与几个配体相结合的现象。,高度的亲和力 受体与信号分子的亲和力很高，一般高于酶与底物、抗原与抗体相互作用的亲和力，从而保证了低浓度的信号分子即可充分起到调控作用。,可逆性结合 受体与配体的结合是可逆的（非共价结合）。因为细胞间通讯是一个随时变化的过程。任何细胞接受细胞外信息，发生功能改变后，都需要迅速恢复功能状态。可逆结合是一个重要措施。,可饱和性（饱和效应）无论膜受体或胞内受体，其数目都是有限的。当受体为配体所占据时，在提高配体的浓度，也不会增加细胞的效应这也体现了细胞对外环境变化的自身保护作用。,具有级联放大效应（Cascade effect)：通过一系列酶促反应使化学信号分子的效应加以放大的现象称为（Cascade effect）细胞对外源信号进行转换和传递时，大都具有将信号加以放大的作用。每个信号分子被激活后，可以激活多个下游(down-stream)信号分子，从而将信号逐级放大。,信息分子的转导途径,通过膜受体介导的信号转导途径 cAMP-蛋白激酶A(PKA)途径 Ca2+信使途径 肌醇磷脂信号途径（双信使系统）cGMP-蛋白激酶途径 酪氨酸蛋白激酶(TPK)途径 通过胞内受体介导的信号转导途径,通过膜受体介导的跨膜信号转导途径：几乎都涉及蛋白激酶（protein kinase,PK）问题；所谓蛋白激酶是指催化蛋白质发生磷酸化修饰的酶。蛋白质 蛋白质P,PK,研究证明：细胞在应答外界刺激时，由各种不同的蛋白激酶（PK）所引发的蛋白质或酶的磷酸化是目前所知的最重要的信号传递方式。1992年，美国华盛顿大学生物化学家Kerbs和Fisher因在蛋白质磷酸化方面的杰出贡献获得Nobel医学生理奖。,现在已经确定整个基因组内有1%编码蛋白激酶，调节着细胞内成千上万种蛋白质的功能。蛋白质的可逆磷酸化是一种重要的生物调节机制。,蛋白激酶种类繁多，目前已经发现800余种。这些PK大都属于重要的信号转导分子。其中对细胞功能影响较大的有：蛋白激酶A(PKA)蛋白激酶B(PKB=Akt)蛋白激酶G(PKG)蛋白激酶C(PKC)钙调蛋白依赖的蛋白激酶（Ca2+/CaM-PK）酪氨酸蛋白激酶（TPK）丝裂原激活的蛋白激酶（MAPK),蛋白激酶C(PKC)酪氨酸蛋白激酶（TPK）丝裂原激活的蛋白激酶（MAPK),与细胞增殖、分化等密切相关,目前对蛋白激酶尚无同一的分类标准；通常根据底物蛋白质被磷酸化的氨基酸残基的种类不同可以分为两大类：丝氨酸苏氨酸型PK酪氨酸型PK,丝裂原激活的蛋白激酶（MAPK）：属于丝氨酸/苏氨酸激酶；是接收膜受体转换与传递的信号并将其带入细胞核内的一类重要分子，在多种受体信号传递途径中均具有关键性作用.；MAPK被激活后，可转移至细胞核内，在核内它可使一些转录因子发生磷酸化，从而改变细胞内基因表达的状态。,MAPK的磷酸化与活化示意图,目前已经知道：MAPK参与多种细胞功能的调控，尤其在细胞增殖、分化和凋亡过程中，似乎是多种信号转导途径的共同作用部位。,几条主要的跨膜信号转导途径,通过膜受体介导的主要胞内信号转导通路,（一）cAMP-蛋白激酶A(PKA)途径 该信号系统是建立最早、最完善的细胞信号传递模型，一直作为指导性模式指导着其它信号系统的研究工作。,研究历程：20世纪50年代，Sutherland从事肝糖原代谢调节研究，致力于肾上腺素促进肝糖原分解机制研究；,可诱导生成一种可透析的耐热分子,1959年鉴定为cAMP,肾上腺素,肝细胞匀浆,+,ATP，Mg+,+,进一步实验证实：,肝匀浆,cAMP,+,同样可激活磷酸化酶促进糖原分解,据此，Sutherland提出肾上腺素的作用是通过cAMP来实现的。,cAMP发现后没几年，证明许多蛋白质及肽类激素都能通过影响其靶细胞中的cAMP浓度。说明激素引起cAMP的生成具有普遍性；基于上述研究，Sutherland及其同事提出了著名的第二信使学说来解释激素的作用机制。即激素（第一信使）膜受体 产生胞内第二信使 特定效应；1971年，美国的 Sutherland因发现cAMP并提出激素作用的第二信使学说荣获1971年度Nobel医学及生理奖。,1.cAMP 的合成与分解,腺苷酸环化酶(adenylate cyclase,AC),磷酸二酯酶(phosphodiesterase,PDE),cAMP,ATP,AMP,磷酸二酯酶(phosphodiesterase,PDE),腺苷酸环化酶(adenylate cyclase,AC),2cAMP的作用机理,PKA的激活R 调节亚基 C 催化亚基,目 录,R,R,（cAMP-dependent protein kinase，PKA）,R：调节亚基C：催化亚基,cAMP,蛋白激酶A,+,R,cAMP(),R,R,R,C,C,C,蛋白质,蛋白质,P,磷酸酶,M,g,+,+,A,T,P,生物效应,PKA,PKA的作用 属于Ser/Thr型蛋白激酶;PKA体内分布广泛，可催化多种蛋白质或酶的磷酸化.（1）对代谢的调节作用 磷酸化代谢途径中多种限速酶，快速调节酶活性;如胰高血糖素调节糖原分解,胰高血糖素通过cAMP-PKA通路介导信号转导,研究表明，受cAMP调控的转录单位的转录调控区都有一个共同的碱基序列：TGACGTCA，称为cAMP反应元件（cAMP reaction element,CRE)能与CRE结合的转录因子称为CRE结合蛋白（CRE binding protein，CREB）；CREB以二聚体的形式结合在特异DNA序列上，但无转录激活作用，CREB的磷酸化是其活化的必要条件。,（2）对基因表达的调节作用 磷酸化核内的转录因子调控基因表达,PKA的催化亚基进入细胞核后使CERB特定Ser（133位丝氨酸）磷酸化修饰，结果改变了CREB转录活化域的构象，活性可增强10-20倍，从而激活基因的转录。,ATP,cAMP,蛋 白 磷 酸 化,结构基因,细胞核,DNA,蛋白质,N,C,DBD,配体,Gs,AC,ATP,cAMP,PKA,P,121，133，,156,CREB,转录活化域,受体,腺 苷 酸 环 化 酶 系 统 的 作 用 机 制,激素,受体+,G-GTP,G-GDP,腺苷酸环化酶,无活性,有活性,ATP,cAMP,蛋白激酶,无活性,有活性,酶或蛋白的磷酸化,调节代谢,调节基因表达,（二）Ca2+信使系统 是继 cAMP 提出后动物细胞发现的另一个胞内信使；长期以来，对Ca2+作为信使作用的确切机制并不十分清楚，60年代末美籍华人张槐耀博士在动物细胞发现了钙调蛋白（Calmodulin,CaM)这一Ca2+的多功能受体蛋白后，才对Ca2+作为第二信使的作用机制有了深刻认识。,细胞内外Ca+分布及形式：通常细胞总钙以游离钙（Ca2+）和结合钙两种形式存在，游离钙的分布与转移是形成Ca+信号的基础。胞内外Ca2+分布不均；胞外Ca2+（5mmol/L）胞内Ca2+（0.1-10mol/L)胞内Ca2+分布也不均匀：内质网 线粒体,胞内Ca+库（占90%）,正是由于Ca2+在细胞内外及不同的亚细胞部位存在Ca2+浓度的差异或跨膜浓度梯度，就给细胞游离Ca2+浓度升高提供机会。,导致胞液游离Ca2+浓度升高的反应有两种：,一是细胞质膜钙通道开放，引起胞外钙跨膜内流；二是细胞内钙库膜上的钙通道开放，引起胞内钙库释放。,CaM的发现及对科学工作者的启示：1964年，美籍华人张槐耀在宾州大学探讨细胞内cAMP浓度的变化及影响因素；ATP cAMP 5-AMP 腺苷+Pi,AC,PDE,5-AMP酶,提纯并鉴定牛脑PDE,困惑,纯酶比粗酶活低？,PDE活性测定的两步法与一步法比较：原理：cAMP 5AMP 腺苷+Pi,PDE,5AMP 酶,蛇毒,两步法：先将cAMP与PDE保温，终止反应后在加蛇毒；一步法：将cAMP、PDE及蛇毒同时保温。结果：对于非提纯的PDE，两种方法测定的活力一样；对于提纯的PDE，一步法比两步法测出的活力高的多；,对此，张作了假设：即粗提液中可能存在PDE的活化因子，在提纯时丢掉了，而蛇毒不仅提供了5-AMP酶，还补偿了这种活化因子。最后终于找到了具有蛋白质性质的PDE活化因子，并与60年代末进行了提纯，于1978年张氏将其称为Calcium-modulated protein,Calmodulin,CaM,CaM的性质与分布：148个氨基酸组成的单链蛋白；每个CaM分子可结合4个Ca+；分布广泛，进化上保守；,Ca+在信号传递中的作用：在已知的第二信使中，Ca+作用最为复杂。它即可独立完成信息传递，还可协调其它第二信使的信息传递作用。,Ca2+信使分子的可能作用途径：Ca2+.CaM 依赖性蛋白激酶途径：即通过CaM起作用，在Ca+信号传递中起主要作用CaM是细胞内Ca+的受体。CaM本身无活性，只有与Ca+结合形成Ca.CaM复合物才能发挥调节作用。Ca.CaM复合物可激活Ca.CaM依赖的蛋白激酶，进而使许多靶酶Ser/Thr残基磷酸化。,通过钙调蛋白（a M）发挥作用,Ca+还可通过CaM活化腺苷酸环化酶(AC)以调节细胞内cAMP水平；Ca+还可直接参与某些酶活性的调节如参与下，激活；,细胞膜,胞外信使,蛋白,Ca+通道,Ca+,CaM,Ca.CaM,Ca.CaM依赖的蛋白激酶,激活,蛋白质或酶磷酸化,DG,PKC,协调cAMP水平,激活,活化腺苷酸环化酶,第一次课到此结束,（三）肌醇磷脂信号系统（双信号系统）,是80年代阐明的一条信号转导通路；是继 cAMP 和 CaM发现以来在细胞信号系统研究历史上的第三个里程碑；该系统的最大特点：胞外第一信使与膜受体结合后，同时产生两个胞内第二信使即IP3和DG，分别启动两个信号转导途径，故称为“双信号系统”。,磷 脂 酰 肌 醇 系 统,双信使系统模式图,IP3在胞外Ca+跨膜内流中的作用,磷脂（PL）的基本结构与种类：PL是细胞膜的重要成分（干重的40%）；主要是甘油磷脂。膜甘油磷脂中有10%为肌醇磷脂（Inositol phospholipid,pI),主要分布于膜内侧，其中占其总量5%的磷脂酰肌醇-4,5二磷酸（PIP2）是产生双信使（IP3和DG）的直接前体。,磷脂酶,磷脂酶A1,磷脂酶A2,磷脂酶,多系多不饱和脂肪酸,安全岛,Y型迷宫实验建造记忆模型,带电,不带电,on/off,Y-型迷宫是研究大鼠(或小鼠)学习记忆功能常用的一种实验装置,磷脂酰肌醇，.二磷酸（2）,甘油二酯 DG,IP3,胞外信号分子,活化的受体,q蛋白,磷脂酶C-（PLC-）,活化的,细胞内+库释放,细胞内蛋白磷酸化,质膜,肌醇磷脂信号转导途径示意图,胞 质,磷脂酶C-（PLC）由 G蛋白偶联性受体 变构激活；磷脂酶C-（PLC)由 受体酪氨酸蛋白激酶 激活；,IP3Ca+信号转导途径：IP3是一种水溶性分子，质膜中产生后可迅速进入胞浆发挥作用；70 年代，人们对胞外Ca+的跨膜内流及胞内Ca+库的释放机制不清楚，IP3 的发现解决了这一问题；现在证实：多种细胞的内质网膜上存在IP3受体，其实质是一种Ca+通道蛋白，因此IP3的作用就是动员内质网Ca+库的释放；,IP3作用：使内质网Ca2+释放到胞浆，Ca2+作为信息传导者激动细胞的生理反应。,外界刺激引起的Ca+的动员是一个极其复杂的过程。一般认为在多种情况下，胞外Ca+的跨膜内流及胞内Ca+库的释放这两种情况同时发生；关于两种Ca+释放的时空关系，一般认为是这样的：IP3 与IP3受体结合受体变构Ca+通道开放内质网Ca+库释放胞浆Ca+内质网Ca+库枯竭时激活质膜Ca+通道胞外Ca+的跨膜内流胞浆Ca+,DGPKC信号转导途径：正常情况下，细胞膜上不存在，它只是细胞受到外界刺激时水解产生的瞬时产物；质膜上产生的是脂溶性分子，存在于质膜上；作为第二信使的功能是由于PKC的发现而阐明的；对PKC的结构及功能的研究是近年来分子生物学最活跃的研究领域之一。,双信使系统模式图,PKC的结构与功能：种类与功能：PKC是一个大家族，是由、等亚基组成的蛋白激酶家族。目前发现有12种同工酶之多。结构上：可分为调节结合域和催化结构域两部分；各种PKC的氨基酸序列中个保守区：C1:富含半胱氨酸，是结合部位；C2:可结合Ca+C3:可结合C4:结合底物并进行磷酸化,各种 PKC 的活化均依赖Ca+和磷脂酰丝氨酸的存在；DG是PKC的内源性特异激活剂，它可显著增加PKC对Ca+的亲和力，而PKC活性依赖于Ca+和磷脂酰丝氨酸，因而DG可以在不增加Ca+（即Ca+的生理浓度之下）的情况下，维持PKC较高活性。,通过蛋白激酶C（PKC）发挥作用,磷脂酰丝氨酸,甘油二酯,钙离子,蛋白激酶C,无活性靶蛋白,有活性靶蛋白,生理效应,PKC的生理功能 对代谢的调节作用:磷酸化代谢途径中的关键酶类及离子通道；对基因表达的调节作用:磷酸化与信号转导有关的蛋白质；磷酸化调控基因表达的转录因子PKC对机体的代谢、基因表达。细胞分化及增殖均起作用。,IP3/Ca+与DG/PKC两条信号途径的相互作用,IP3诱导Ca+的释放，DG激活PKC需Ca+的参与，表明IP3和DG具有密切关系，两者的协同对细胞外信号作出精确反应。,血管紧张素II 受体通过PLC-IP3/DAG-PKC通路介导信号转导,（四）cGMP-蛋白激酶G(PKG)途径,受体，鸟苷酸环化酶(guanylate cyclase,GC)，cGMP,蛋白激酶G(protein kinase G，PKG),组成,cGMP的合成和降解,使有关蛋白或酶类的丝、苏氨酸残基磷酸化,PKG的功能,（五）酪氨酸蛋白激酶（TPK)信号转导途径,酪氨酸蛋白激酶（Tyrosine protein kinase,TPK）:通过使底物蛋白中的酪氨酸残基磷酸化而起作用。,该信号系统建立时间不长，却是细胞信号途径研究中最活跃的领域；在细胞增殖、分化过程中，酪氨酸磷酸化通常具有正向调节作用，因而TPK信号系统与细胞的生长和增殖有关。许多癌基因的产物与此系统的蛋白有同源性，因而受到极大关注。,TPK分类：受体型TPK（RTK）：细胞膜/催化型受体 非受体型TPK：胞浆/非催化型受体,受体型TPK的效应通过两条途径实现：小分子第二信使途径：受体型TPK活化后通过激活AC、PLC-、磷 脂酶A的作用产生小分子第二信使；RTK-Ras-MAPK途径：一系列大分子相互作用引起的级联反应。,细胞外信号EGF PDGF等,具TPK的受体,具TPK的受体,GRB2,SOS,P,rasGTP,细胞浆,cAMP,PKA活化,磷脂酶C,IP3,DAG,钙激酶活化,PKC活化,（raf）,MAPKKK,MAPKK,MAPK,P,P,P,P,PIP2,修饰转录因子和调节因子,反式作用因子,顺式调控元件,P,细胞核,反式作用因子,P,（二聚体）,小分子第二信使途径,RTK-Ras-MAPK途径,受体型TPK（RTK）特点：胰岛素受体、许多生长因子（EGFPDGFVEGF)受 体、某些原癌基因产物等属于此类；位于细胞膜；信号转导的基本环节：配体与受体结合后，导致受体二聚化（dimerization），激活受体本身的酪氨酸蛋白激酶活性，引起受体本身的酪氨酸磷酸化，即发生自身磷酸化（autophosphorylation)。磷酸化的受体产生了可被SH2结构域识别、结合的位点,从而可募集含SH2结构域的下游信号分子如接头蛋白Grb2(growth factor binding protein 2,Grb2),表皮生长因子受体（EGFR）作用机制：是一个典型的受体型PTK。,接头蛋白或称衔接蛋白（adaptor protein),接头蛋白是信号转导通路中不同信号转导分子的接头，连接上、下游信号转导分子。发挥作用的结构基础：蛋白质相互作用结构域。功能：募集和组织信号转导复合物，即引导信号转导分子到达并形成相应的信号转导复合物。大部分接头蛋白的结构中含有2个或2个以上的蛋白相互作用结构域，如SH2 结构域。SH3结构域,SH2结构域（Src Homology 2 Domain）,是Src同源序列2结构域的简称，因与原癌基因src编码的酪氨酸蛋白激酶区同源而得名。由约100个氨基酸残基组成，作用是可识别含磷酸化酪氨酸残基的其它蛋白质并发生不同亲和力的结合。这种结合依赖于酪氨酸残基的磷酸化及其周围的氨基酸残基所构成的基序（motif）。已经发现细胞质中许多与信号传递有关的蛋白质分子均含有这种结构。接头蛋白Grb2即是其中之一。,由约50-100个