(生物学)细胞生物学-信号传递

(生物学)细胞生物学-信号传递

一、细胞通讯（cellcommunication）●概念：细胞通讯是指一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞并产生相应的反应。1\n①信号分子的合成:一般的细胞都能合成信号分子，而内分泌细胞是信号分子的主要来源。②信号分子从信号传导细胞释放到周围环境中:这是一个相当复杂的过程，特别是蛋白类的信号分子，要经过内膜系统的合成、加工、分选和分泌，最后释放到细胞外。③信号分子向靶细胞运输:运输的方式有很多种，但主要是通过血液循环系统运送到靶细胞。④靶细胞对信号分子的识别和检测:主要通过位于细胞质膜或细胞内受体蛋白的选择性的识别和结合。⑤细胞对细胞外信号进行跨膜转导，产生细胞内的信号。⑥细胞内信号作用于效应分子，进行逐步放大的级联反应，引起细胞代谢、生长、基因表达等方面的一系列变化。另外，细胞完成信号应答之后，要进行信号解除，终止细胞应答，主要是通过对信号分子的修饰、水解或结合等方式降低信号分子的水平和浓度以终止反应。细胞通讯的一般过程2\n概念：细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子选择性地相互作用，进而导致胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效应的过程。（二）细胞识别（cellrecognition）3\n分泌化学信号进行通讯接触性依赖的通讯细胞间形成间隙连接实现代谢偶联或电偶联●细胞通讯方式：4\n1.细胞通过分泌化学信号进行细胞间相互通讯细胞分泌一些化学物质（如激素）至细胞外，作为信号分子作用于靶细胞，调节其功能，可分为4类。5\n内分泌（endocrine）：①低浓度；②全身性；③长时效。旁分泌（paracrine）：细胞分泌的信号分子通过扩散作用于邻近的细胞。包括各类细胞因子和气体信号分子。自分泌（autocrine）：信号发放细胞和靶细胞为同类或同一细胞，常见于癌变细胞。化学突触（chemicalsynapse）：神经递质由突触前膜释放，经突触间隙扩散到突触后膜，作用于特定的靶细胞。6\n2.细胞间接触性依赖的通讯细胞间直接接触，它不需要分泌的化学信号分子的释放，代之以通过与质膜结合的信号分子与其相接触的靶细胞质膜上的受体分子相结合，影响其它细胞7\n3.间隙连接实现代谢偶联或电偶联两个相邻的细胞以连接子相联系。连接子中央为直径1.5nm的亲水性孔道。8\n细胞信号分子（signalmolecule）概念:在细胞间或细胞内传递信息的化学分子细胞的信号分子根据其溶解性通常可分为亲脂性和亲水性两类：（1）亲脂性信号分子，主要代表是甾类激素和甲状腺素（2）亲水性信号分子，包括神经递质、生长因子、局部化学递质和大多数激素，不能穿过靶细胞膜，只能经膜上的信号转换机制实现信号传递，所以这类信号分子又称为第一信使。9\n细胞信号分子（signalmolecule）类型：溶解性：亲脂性的信号分子亲水性的信号分子化学结构：短肽、蛋白质、气体分子等产生和作用方式：内分泌激素、神经递质、局部化学介导因子和气体分子特点：①特异性；②高效性；③被灭活性。10\n受体（receptor）概念:受体是一种能够识别和选择性结合某种信号分子，并能引起细胞功能变化的生物大分子。多为糖蛋白，通常是指位于细胞膜表面或细胞内与信号分子结合的蛋白质。类型：细胞内受体（intracellularreceptor）细胞表面受体（cellsurfacereceptor）11\n1.高度的亲和力2.饱和性；3.可逆性4.生理反应5.特异性结合；不是简单的一对一关系。受体与配体相互作用的特点12\n相同的信号分子在不同的靶细胞中引起不同的应答13\n第二信使学说和分子开关第二信使学说（secondmessengertheory）：由Sutherland于70年代提出，并因此而获得诺贝尔奖。第二信使有cAMP、cGMP、三磷酸肌醇、二酰基甘油等。分子开关：①磷酸化和去磷酸化②GTP和GDP的交替结合14\n第二信使(secondmessenger)细胞表面受体接受细胞外信号后转换而来的细胞内信号称为第二信使,而将细胞外的信号称为第一信使。第二信使有cAMP、cGMP、三磷酸肌醇、二酰基甘油等。15\n蛋白激酶是一类磷酸转移酶，其作用是将ATP的γ磷酸基转移到底物特定的氨基酸残基上，使蛋白质磷酸化。蛋白激酶在信号转导中有两个方面的作用：一是通过磷酸化调节蛋白质的活性；二是通过蛋白质的逐级磷酸化，使信号逐级放大，引起细胞反应。蛋白激酶GTP结合蛋白（GTP-bindingregulatoryprotein）16\n细胞接受外界信号，通过一整套特定的机制，将胞外信号转导为胞内信号，最终调节特定基因的表达，引起细胞的应答反应，这种反应系列称为信号通路。信号通路（signalingpathway）二、信号转导系统及其特性17\n细胞内受体介导的信号传导细胞内受体的本质是激素激活的基因调控蛋白18\n甾类激素介导的信号通路初级反应阶段：直接活化少数特殊基因转录的，发生迅速；次级反应：初级反应产物再活化其它基因产生延迟的放大作用反应阶段：19\n蛋白激酶是一类磷酸转移酶，其作用是将ATP的γ磷酸基转移到底物特定的氨基酸残基上，使蛋白质磷酸化.蛋白激酶表8-1蛋白激酶的种类表8-1蛋白激酶的种类表8-1蛋白激酶的种类蛋白激酶在信号转导中有两个方面的作用：一是通过磷酸化调节蛋白质的活性；二是通过蛋白质的逐级磷酸化，使信号逐级放大，引起细胞反应。20\n激酶磷酸基团受体蛋白丝氨酸／苏氨酸激酶丝氨酸／苏氨酸羟基蛋白酪氨酸激酶酪氨酸的酚羟基蛋白组／赖／精氨酸激酶咪唑环，胍基，ε－氨基蛋白半胱氨酸激酶巯基蛋白天冬氨酸／谷氨酸激酶酰基21\n磷酸化修饰的氨基酸22\n蛋白质的磷酸化修饰导致受体蛋白的激活或失活；<2%蛋白质的磷酸化修饰发生在Tyr残基上；大部分的早期信号转导是由酪氨酸蛋白激酶介导的（proteintyrosinekinase,PTKs)；Ser/Thr磷酸化修饰多发生于信号转导级联反应的下游。23\n蛋白激酶将ATP末端的磷酸基团转移到蛋白质侧链的羟基上；磷酸酶催化蛋白质侧链上磷酸基团的水解。蛋白激酶与磷酸酶24\n~30%的蛋白质可以发生磷酸化修饰人类的激酶组包括518蛋白激酶基因其中218个基因与人类疾病的发生发展密切相关约30个基因是肿瘤抑制基因约100个为原癌基因HumanKinome约占人类基因总数的1.7%149kinaseinhibitors进行了临床实验（2010年前）25\n细胞表面受体(surfacereceptor)位于细胞质膜上的称为表面受体.表面受体主要是同大的信号分子或小的亲水性的信号分子作用，传递信息。第二节细胞表面受体介导的信号转导26\n①离子通道型受体（ion-channel-linkedreceptor）；存在于可兴奋细胞②G蛋白耦联型受体（G-protein-linkedreceptor）；③酶耦联的受体（enzyme-linkedreceptor）。膜表面受体主要有三类：27\n一、离子通道型受体具有离子通道作用的细胞质膜受体称为离子通道受体，受体多为数个亚基蛋白,除有配体结合部位外,本身就是离子通道的一部分,并籍此将信号传递至细胞内。28\n离子通道型受体见于可兴奋细胞间的突触信号传导，产生一种电效应29\n特点：受体/离子通道复合体，四次/六次跨膜蛋白跨膜信号转导无需中间步骤主要存在于神经细胞或其他可兴奋细胞间的突触信号传递有选择性：配体的特异性选择和运输离子的选择性30\n二.G-蛋白偶联的受体介导的信号跨膜传递G-蛋白偶联受体:每一种G-蛋白偶联受体都有7个α螺旋的跨膜区，信号分子与受体的细胞外部分结合，并引起受体的细胞内部分激活相邻的G-蛋白。31\nG蛋白：即GTP结合蛋白(GTPbindingprotein)，简称G蛋白。由α、β、γ三个亚基组成，β和γ亚基通过共价结合的脂肪酸链尾结合在膜上。G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用，当α亚基与GDP结合时处于关闭状态，与GTP结合时处于开启状态。32\n■G蛋白的信号转导作用在G蛋白偶联受体的信号转导中G蛋白起重要作用，它能够将受体接受的信号传递给效应物，产生第二信使，进行信号转导33\n某些G蛋白可直接控制离子通道的通透性神经递质乙酰胆碱调节心肌收缩34\nG蛋白偶联受体介导的细胞信号通路根据引起的级联反应的不同，分为：◆cAMP信号通路◆磷脂酰肌醇信号通路35\ncAMP信号通路概念：细胞外信号和相应的受体结合，导致胞内第二信使cAMP的水平变化而引起细胞反应的信号通路。激活型抑制型受体激活型受体(Rs)（接受肾上腺素等）stimulate抑制型受体(Ri)（接受胰高血糖素等）inhibitG-蛋白激活型的G-蛋白（Gs）抑制型G-蛋白(Gi)靶蛋白腺苷酸环化酶（AC）AdenylatecyclasecAMP信号通路的组成成分36\n腺苷酸环化酶：跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，催化ATP生成cAMP。Adenylatecyclase37\n38\n蛋白激酶A（ProteinKinaseA，PKA）：又称依赖于cAMP的蛋白激酶A，全酶分子是由四个亚基组成的四聚体,两个调节亚基，两个催化亚基。全酶没有活性。蛋白激酶A的功能是将ATP上的磷酸基团转移到特定蛋白质的丝氨酸或苏氨酸残基上进行磷酸化,调节靶蛋白的活性。蛋白激酶A与底物磷酸化39\n激活特定的转录调控因子（cAMPresponseelementbindingproteinCREB,andinitiategenetranscription.CREiscAMPresponseelementinDNA.cAMP信号通路对基因转录的激活40\n该途径的信号解除有两种方式:●通过cAMP磷酸二酯酶(cAMPphosphodiesterase,PDE)将cAMP的环破坏,形成5＇-AMP。●通过抑制型的信号作用于Ri,然后通过Gi起作用。cAMP磷酸二酯酶催化cAMP生成5'-AMPcAMP信号的终止41\nG蛋白偶联受体系统的一种,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-β），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）。（二）磷脂酰肌醇途径42\n第二信使的产生1143\nIP3开启胞内IP3门控钙通道，Ca2+浓度升高，激活钙调蛋白。44\n钙调蛋白是真核生物细胞中的胞质溶胶蛋白，由148个氨基酸组成单条多肽,一个钙调蛋白可以结合4个Ca2+,由于刺激使细胞中Ca2+浓度升高时,Ca2+同钙调蛋白结合形成钙-钙调蛋白复合物,就会引起钙调蛋白构型的变化,增强了钙调蛋白与许多效应物结合的亲和力。◆受CaM调节的酶:腺苷酸环化酶鸟苷酸环化酶钙调蛋白激酶Ca2+-ATP酶钙调蛋白（calmodulin，CaM）45\n◆PIP2水解释放出的DAG是水不溶的(非极性的)，一直停留在质膜上。蛋白激酶C的激活◆一旦IP3动员释放了Ca2+,DAG在Ca2+和磷脂酰丝氨酸的存在下使PKC结合到质膜上并使之激活。46\n磷脂酰肌醇信号通路47\n磷脂酰肌醇信号通路效应→IP3→胞内Ca2+浓度升高→Ca2+结合蛋白(CaM)→细胞反应.→DG→激活PKC→蛋白磷酸化.或促Na+/H+交换使胞内pH.内源Ca2+库（内质网中的Ca2+）48\n蛋白激酶C至少可通过两种途径参与基因表达的控制。一种途径是蛋白激酶激活一个磷酸化的级联系统，使MAP蛋白激酶磷酸化，磷酸化的MAP蛋白激酶将基因调节蛋白Elk-1磷酸化，使之激活。激活了Elk-1与一个称为血清反应元件(SRE)的短DNA序列结合，然后与另一个因子(血清反应因子，SRF)共同调节基因表达。另一种途径是蛋白激酶磷酸化并激活抑制蛋白Iκ-B，释放基因调节蛋白NF-κ-B，使之进入细胞核激活特定基因的转录。PKC的激活与基因调控49\n■IP3/DAG/信号的终止●DAG信号的解除两种方式进行降解:一是被DAG激酶磷酸化成为磷脂酸，进入磷脂酰肌醇循环；二是被DAG酯酶水解成单酯酰甘油。●IP3信号的解除IP3信号的终止是通过去磷酸化形成自由的肌醇。●Ca2+被质膜上的钙泵抽出细胞，或被内质网膜上的钙泵抽回内质网。50\n分为两种情况：－受体蛋白既是受体又是酶，一旦与配体结合即具有酶活性并将信号放大，这类受体传导的信号主要与细胞生长、分裂有关。本身具有激酶活性，如EGF，PDGF，CSF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：①受体酪氨酸激酶、②受体丝氨酸/苏氨酸激酶、③受体酪氨酸磷脂酶、④受体鸟苷酸环化酶⑤酪氨酸激酶连接的受体⑥组氨酸激酶连接的受体三、与酶连接的受体（enzymelinkedreceptor）PDGF:platelet-derivedgrowthfactor血小板源性生长因子EGF:epidermalgrowthfactor表皮生长因子CSF:colonystimulatingfactor集落刺激因子51\n1.受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路●结构特点所有的RTKs都是由三个部分组成的●已发现50多种不同的RTKs，主要的几种类型包括:表皮生长因子受体、血小板生长因子受体、胰岛素和胰岛素样生长因子-1受体等。受体酪氨酸激酶52\nRTKactivitystimulatedbycross-phosphorylation.受体酪氨酸激酶在没有同信号分子结合时是以单体存在的，并且没有活性;一旦有信号分子同细胞外结构域结合，两个单体受体分子在膜上形成二聚体，两个受体的细胞内结构域的尾部相互接触，激活它们的蛋白激酶的功能，结果使尾部的酪氨酸残基磷酸化。53\n磷酸化的酪氨酸部位可以结合细胞内的信号蛋白。一类是接头蛋白，其作用是偶联活化的受体和信号分子。一类是信号转导通路中有关的酶，如GTP酶活化蛋白，磷脂酶C,蛋白磷酸酯酶以及一些非受体酪氨酸激酶等。这两类蛋白结构和功能不同但是都具有SH结构域。54\n这种结构域是能够与受体酪氨酸激酶磷酸化残基紧紧结合,形成多蛋白的复合物进行信号转导。SH2大约由100个氨基酸组成。SH2结构域能够与生长因子受体(如PDGF和EGF)自我磷酸化的位点结合。含有SH2结构域的蛋白也常常含有SH3结构域。SH3结构域最初也是在Src中鉴定到的由50个氨基酸组成的组件,后来在其他一些蛋白质中也发现了SH3结构域。SH3能够识别富含脯氨酸和疏水残基的特异序列的蛋白质并与之结合,从而介导蛋白与蛋白相互作用。2、细胞内信号蛋白分子的SH识别结构域SH结构域是“Src同源结构域”(Srchomologydomain)的缩写(Src是一种癌基因产物,最初在鲁斯氏肉瘤Roussarcomavirus中发现)。55\nSH2结构域（SrcHomology2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（SrcHomology3结构域）：介导信号分子与富含脯氨酸的蛋白分子的结合。56\nRas蛋白激活后能够与Raf蛋白结合。Raf蛋白是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，又称为MAPKKK(MAPkinasekinasekinase)。Raf能够磷酸化MEK蛋白激酶(MEK又称为MAPKK)，MEK则磷酸化有丝分裂原活化蛋白激酶MAPK（mitogen-activatedproteinkinase，）激活后的MAPK进入细胞核内使一些转录因子磷酸化，如Fos、Jun、Myc等。磷酸化的转录因子与DNA结合的亲和力大大增加，增强了特异基因的转录。Ras信号转导的解除主要是通过特异磷酸酶将被磷酸化激活的激酶中的磷酸基团除去。57\n粘着斑的功能：(1)通过肌动蛋白纤维形成的网络起机械结构的作用;(2)由整联蛋白介导的信号传导:正常细胞需要互相接触,相互传递生长和分裂的信号。细胞与细胞外基质的相互作用是信号转导的重要途径.(四)由细胞表面整联蛋白介导的信号传递58\n信号终止与受体钝化及蛋白磷酸酶的作用如果细胞持续地接收某种信号刺激就会导致细胞生命活动的失常,包括代谢的紊乱、持续分裂甚至发生癌变。因此,细胞在接收信号之后必须迅速将信号解除,或者使细胞对信号钝化。终止信号的最好方式是直接将信号水解，如乙酰胆碱脂酶既存在于突触也存在于肌细胞的质膜上，它能将乙酰胆碱水解。前面讨论过的cAMP、IP3和DAG的信号解除主要是通过水解或磷酸化而实现的。■信号分子水解59\n■受体钝化当细胞持续暴露于细胞外信号时,某种信号分子的特异受体常常会快速钝化,钝化是通过磷酸化介导的。G-protein-linkedreceptordesensitizationdependsonreceptorphosphorylationbyPKA,PKCorG-protein-linkedreceptorkinases(GRKs)60\n受体的隔离和下行调节一些生长激素就是通过这样的方式被解除信号作用的61\n■磷酸酶在细胞信号解除中的作用磷酸酶在信号解除中具有重要作用。在许多信号转导途径中,蛋白激酶靠磷酸化作用将一些靶蛋白(酶)激活。蛋白质的磷酸化是一种可逆的化学修饰,所以通过蛋白激酶添加的蛋白质上的磷酸基团可通过蛋白磷酸酶的作用被除去。实验表明,激酶与磷酸酶对底物的影响是相反的,当磷酸化激活底物时,可通过脱磷酸将底物失活,反之亦然。62\n细胞信号传递通路间的收敛、发散和crosstalking细胞的信号传递是多通路、多环节、多层次和高度复杂的过程。其最重要的特征之一是构成一个复杂的信号网络系统。63\n信号转导途径的收敛是指不同的信号分子分别作用于不同的受体，但是最后的效应物是相同的.64\n信号的发散具有SH2结构域65\n思考题：什么是细胞通讯？细胞通讯的一般过程及方式。什么是细胞信号分子？其特点有哪些？什么是信号通路，信号如何清除？第二信使有哪些？什么是蛋白激酶？66