第七章-信号转导

第七章信号转导SignalTransduction靶细胞内代谢改变、产生相关效应环境刺激部分细胞感受刺激，产生信号细胞之间传递信号靶细胞内启动一系列化学反应第一节细胞通讯和信号转导概述一、细胞通讯（CellCommunication）——指细胞之间通过内环境进行信息传递的过程。即一些细胞发出信号，而另一些细胞接收信号并将其转变为自身功能变化。——细胞可以感受物理信号和化学信号，但体内细胞所感受的外源信号主要是化学信号。细胞通讯的基本方式——即胞外化学信号在细胞间的传递方式。——按传递距离分类：①细胞间隙连接通讯②细胞膜表面分子接触通讯③化学信号通讯•通过膜结合型信号分子完成•通过可溶型信号分子完成•通过可溶型信号分子完成№1：细胞间隙连接通讯连接子（connexon）是间隙连接的基本单位。•两个相邻细胞的细胞膜上形成由连接子蛋白（connexin）构成称为连接子的通道。•通道直径1.5~2nm，允许相邻细胞直接交换无机离子和1kDa以下小分子代谢物。细胞间隙连接通讯的作用•目前发现肿瘤细胞普遍存在细胞间隙连接通讯缺陷、间隙连接蛋白基因表达异常等现象。•细胞间隙连接通讯（gapjunctionalintercellularcommunication,GJIC）是细胞间一种最普遍的通讯方式，传递生长抑制或增殖信号，在调节细胞生长、分化及凋亡中起重要作用。实验对象：体外培养细胞（正常细胞、突变细胞）目的：间隙连接在代谢偶联中的作用方法：胸苷胸苷激酶三磷酸胸苷DNA突变型细胞中缺乏胸苷激酶突变型细胞正常细胞体外混合培养加入标记的胸苷突变型细胞中也可合成DNATh细胞与B细胞之间的相互作用№2膜表面分子接触通讯间的相互——分泌细胞合成并释放的特定化学信号与靶细胞的受体结合，调节靶细胞代谢。№3化学信号通讯二、信号转导（SignalTransduction）•指细胞针对外源信息所发生的细胞内生物化学变化及效应的全过程。•主要通过信号转导分子完成。•指能够传递信号的蛋白或小分子活性物质。1.信号转导分子传递信号的基本机制（1）改变水平（浓度）：如第二信使cAMP的产生腺苷酸环化酶ATPcAMPRRcAMPＣＣ蛋白激酶A信号转导分子传递信号的基本机制（2）改变结构：变构、化学修饰、复合物形成或解聚。如cAMP激活蛋白激酶A。信号转导分子传递信号的基本机制（3）改变定位（或分布）：如胞质中的Ca2+信号。Ca2+IP3IP3RCaM第二节信号转导的分子基础•胞外信号分子→受体→胞内信号转导分子→生物学效应一、胞外的信号分子按性质分类：1.可溶型信号分子：由细胞分泌产生，作为游离分子在分泌细胞和靶细胞之间传递信号。2.膜结合型信号：定位于细胞膜表面，需要细胞间接触才能传递信号（即相邻细胞通过膜表面分子的特异性识别和相互作用而传递信号）。•根据溶解特性分为脂溶性信号分子、水溶性信号分子和气体信号分子。•通讯方式：内分泌、旁分泌、自分泌和神经分泌•内分泌通讯：激素，血液循环。信号分子的通讯方式（按通讯距离及作用对象）•旁分泌通讯：生长因子、细胞因子、NO等•自分泌通讯：部分细胞因子，肿瘤细胞•神经分泌通讯：神经递质、神经激素可溶性信号分子（1）•水溶性（亲水性）信号分子：不能进入细胞，如：肽类激素、神经递质和生长因子等。•脂溶性（疏水性）信号分子：可以进入细胞，如：类固醇激素、甲状腺激素、前列腺素、维甲酸、VitD等。•气体信号分子：可通过自由扩散进入细胞，如：NO、CO、H2S等。可溶性信号分子（2）内分泌自分泌及旁分泌神经分泌化学信号激素细胞因子神经递质作用距离mmmnm受体位置膜受体或胞内受体膜受体膜受体举例胰岛素、甲状腺激素、生长激素表皮生长因子、神经生长因子、白介素、NO乙酰胆碱、谷氨酸二、受体（receptor）•是一类可通过直接与信号分子（这些信号分子被称配体，ligand）特异性结合而变构激活，触发信号转导，进而引起生物学效应的特殊分子。•作用：①特异性识别、结合配体；②转换配体信号，使之成为细胞内分子可识别的信号。•分类：细胞内受体和细胞膜受体1.细胞内受体细胞内受体：主要结合脂溶性信号分子（1）定位：靶细胞的细胞质或细胞核（2）作用：•绝大多数胞内受体的本质是DNA结合蛋白，属于转录因子（又称核受体），与信号分子结合后作用于的DNA的反应元件（responsiveelement,RE)上，调控基因表达；•另有一些可结合细胞内产生的信号分子，直接或间接激活效应分子。（如NO可与其胞内受体可溶性鸟苷酸环化酶(sGC)的血红素结构域结合，激活sGC,催化其底物GTP转化为第二信使cGMP）2.细胞膜受体（膜受体）（4）分类：①离子通道受体②G蛋白偶联受体③单次跨膜受体膜受体：主要结合水溶性信号分子（1）定位：靶细胞的细胞膜表面。（3）作用：•识别并结合细胞外信号分子，并将其转换成为能够被细胞内分子识别的信号。（2）本质：几乎都是蛋白质，绝大多数为糖蛋白。①离子通道受体•离子通道受体是一类自身为离子通道的受体，是由蛋白质寡聚体形成的孔道，其开放或关闭直接受化学配体的控制，被称为配体-门控受体通道（ligand-gatedreceptorchannel）。•信号（配体）：主要为神经递质。②G蛋白偶联受体•G蛋白偶联受体（Gprotein-coupledreceptor,GPCR）是一种单体蛋白，因其肽链反复跨膜七次，又称为七次跨膜受体。其多肽链的N端在细胞外，含配体结合区；C端在细胞内，通过变构激活G蛋白向下游传递信号。•信号（配体）：有激素（如肾上腺素、去甲肾上腺素、缓激肽、促甲状腺激素、黄体生成素、甲状旁腺激素、类花生酸）、神经递质（如组胺、5-羟色胺、乙酰胆碱）、信息素，及视觉、味觉、嗅觉等。③单次跨膜受体•又称酶偶联受体（enzyme-linkedreceptor）是一种单向一次跨膜蛋白，受体本身具有酶活性或受体与酶直接偶联。当受体与配体结合后，可激发受体本身的酶活性，或激发受体偶联酶的活性使信号继续往下游传递。•信号（配体）：主要是细胞因子和生长因子。单次跨膜受体的分类•根据作用机制可以分为两类：受体本身具有酶活性：信号分子是受体酶的变构剂。如表皮生长因子受体是酪氨酸激酶，转化生长因子β受体是丝/苏氨酸激酶，接角蛋白(contactin)受体是酪氨酸磷酸酶，心钠素受体(位于肾和血管平滑肌细胞膜)是鸟苷酸环化酶。受体本身没有酶活性：信号分子是受体的变构激活剂，而活化受体是其偶联酶的变构剂。如活化的γ干扰素受体是酪氨酸激酶JAK的变构激活剂。受体主要类型单次跨膜受体•受体本身没有酶活性：与配体结合后激活蛋白激酶。•受体本身具有酶活性：既是受体又是酶，与配体结合后自身被激活。受体与配体的相互作用具有共同的特点配体-受体结合曲线1.高度专一性2.高度亲和力3.可饱和性4.可逆性5.特定的作用模式（特定的组织细胞、特定的生理效应等）三、胞内信号转导分子•按其本质主要分为信号转导蛋白、第二信使、酶。（一）信号转导蛋白：•指信号转导通路中没有酶活性的蛋白质，主要通过分子间的相互作用被激活、或激活下游分子。•包括开关蛋白、衔接蛋白、支架蛋白等1.开关蛋白（分子开关）•指通过激活机制或失活机制精确控制细胞内一系列信号传递的级联反应的蛋白质。•例如G蛋白：G蛋白•即鸟苷酸结合蛋白（guaninenucleotide-bindingprotein），亦称GTP结合蛋白。•作用特点：可结合GTP或GDP，使G蛋白处于不同的构象：GTP活化/GDP抑制①结合GTP时活化，通过别构效应激活下游分子；②GTP自身有GTPase活性，可将结合的GTP水解为GDP，转为非活化状态，停止激活下游分子。•种类：人类基因组编码的G蛋白约200种，主要有三聚体G蛋白、小G蛋白等。（1）三聚体G蛋白•又称大G蛋白（trimericGprotein），以αβγ异三聚体的形式存在于细胞膜的胞质侧。•Gα与Gβγ结合松散，Gα亚基具有多个功能位点：①C端：G蛋白偶联受体（GPCR）结合位点②N端：Gβγ结合位点③GTP/GDP结合位点④与下游效应分子相互作用的部位⑤GTPase活性中心•Gβ与Gγ亚基紧密结合形成Gβγ二聚体Gαβγ激活与失活方式•非活化型：Gαβγ-GDP•活化型：Gα-GTP•激活方式：信号分子与GPCR结合→GPCR发生变构，作用于Gαβγ-GDP→Gα释放GDP、结合GTP→Gα-GTP与Gβγ解离→Gα-GTP激活下游信号转导分子。•失活方式：Gα的GTPase活性被激活，水解GTP→Gα-GDP与下游分子解离，重新结合Gβγ→形成无活性的Gαβγ-GDP。（2）小G蛋白•又称单体G蛋白（monomericGprotein），是细胞内的一类低分子量G蛋白，锚定于细胞膜的胞质面。•与三聚体G蛋白不同，小G蛋白的GTPase活性很低，且不直接与受体结合。受体通过一些蛋白因子调节小G蛋白的活性：①鸟苷酸交换因子（GEF）：促进小G蛋白释放GDP、结合GTP而将其激活。②GTPase活化蛋白（GAP）：增强小G蛋白GTPase活性，促使其水解GTP而失活。③鸟苷酸解离抑制因子（GDI）：抑制小G蛋白释放GDP（相当于Gβγ）。2.衔接蛋白（adaptorprotein）•又称连接物、接头蛋白，是信号转导通路中不同信号转导分子之间的特异性接头。•特点：①既无酶活性也无转录活性②分子中含2个或2个以上的蛋白质相互作用结构域（SH2、SH3、PH结构域等）③作为一个结构平台，与上游和下游信号分子通过蛋白质相互作用组装成信号转导复合物。衔接蛋白Grb2•SH2结构域：识别并结合信号转导蛋白的磷酸酪氨酸残基——Grb2通过SH2结构域可识别一些受体酪氨酸激酶（如EGFR、FGFR、HGFR、PDGFR）及一些非受体酪氨酸激酶。•SH3结构域：识别并结合信号转导蛋白中富含脯氨酸的位点——Grb2可通过SH3结构域作用于这些激酶的底物或其所在信号通路的下游组分（如SOS、Shp2、Gab1/2等）。Grb2在EGFR介导的信号转导通路中的作用•一般是分子量较大的蛋白质，可同时结合同一信号转导通路中的多个转导分子。①使相关信号转导分子容于一个隔离而稳定的信号转导通路内，避免与其他不需要的信号转导通路发生交叉反应，保证信号转导通路的高效、特异传递信号，并可限制信号分子的释放与扩散；②增加调控复杂性和多样性。3.支架蛋白（scaffoldprotein）•意义：（1）支架蛋白保持信号特异、高效传递（2）支架蛋白限制信号分子的释放与扩散（3）支架蛋白参与变构调节（allostericregulation）（二）第二信使第一信使通过与膜受体结合，引起细胞内小分子信号物质浓度的改变，从而将胞外信号转换为胞内信号，这些胞内小分子信号物质被称为~作用特点：•在完整细胞中，其浓度或分布可在胞外信号的作用下发生迅速改变；•该分子类似物可模拟胞外信号的作用；•阻断该分子的变化可阻断细胞对外源信号的反应；•作为别构效应剂改变其在胞内特定靶蛋白的活性；•作用后其浓度可迅速降低而使信号终止。第二信使生成方式信号作用cAMP腺苷酸环化酶催化ATP激活蛋白激酶A（PKA）cGMP鸟苷酸环化酶催化GTP激活蛋白激酶G（PKG）Ca2＋内质网、质膜通道开放激活钙调蛋白、蛋白激酶CIP3PLC分解PIP2激活门控Ca2+通道DAGPLC分解PIP2激活蛋白激酶C（PKC）NONO合酶激活鸟苷酸环化酶，松弛平滑肌细胞内重要的第二信使cAMP的生成cAMP的降解腺苷酸环化酶磷酸二酯酶ATPcAMP5’-AMP（三）酶分类：1.催化第二信使生成或降解：如腺苷酸环化酶（AC）、鸟苷酸环化酶（GC）、磷脂酶C（PLC）、磷酸二酯酶（PDE）等；2.蛋白激酶和蛋白磷酸酶：通过磷酸化/去磷酸化修饰对其下游分子的活性进行调节。•蛋白激酶催化底物磷酸化：主要是蛋白酪氨酸激酶和蛋白丝/苏氨酸激酶；•蛋白磷酸酶催化底物去磷酸化：衰减或终止蛋白激酶诱导的效应。RRcAMPcAMP激活蛋白激酶AＣＣ磷酸化