第4章--细胞信号转导原理

第四章细胞信号转导原理细胞信号转导是指细胞通过胞膜/胞内受体接受外界信号，通过系统的级联传递机制，将胞外信号转导为胞内信号，从而引起细胞生理反应或诱导特定基因表达，而使细胞产生应答反应。信号转导是以多种蛋白质为主的信号分子完成的级联反应。实现跨膜信息传递的细胞分子结构统称为细胞信号转导系统或细胞信号通路。第一节概述1.50年代，Sutherland等提出第二信使学说。2.60年代，张槐耀发现的CaM对Ca/CaM转导系统意义。3.70年代，Blobel提出信号假说和蛋白质的控制作用。4.70~80年代，Nishizuka，Streb和Berridge等阐明DG/PKC信号转导系统。5.80年代,Rodbell,Gilman等发现G蛋白在信号转导中的作用。6.Fischer和Kerbs阐明蛋白质磷酸化与去磷酸化的研究贡献。7.Furchgott，Ignarro和Murad证实NO的信使作用。8.Carlsson,Greengard,Kandel等在脑内信号传递中的研究。9.Hubel和Wiesel在视觉信息系统中的研究；Axel和Buck在嗅觉信息系统中的信号转导研究。一、细胞信号转导研究进展在外界环境刺激因子和胞间通讯信号分子作用下，由细胞表面/胞内受体接受后，跨膜转换形成胞内第二信使，以及经过其后的信号途径组分的级联传递、引起细胞生理反应和诱导基因表达的过程。二、细胞信号转导的基本概念（一）细胞信号转导1.细胞信号转导的概念（1）生物大分子的结构信息2.细胞信息和信号的分类（2）物理信号（3）化学信号2）细胞内通讯的信号分子1）细胞间通讯的信号分子神经递质、激素、生长因子、细胞因子、气体分子G蛋白、效应酶、第二信使、蛋白激酶、蛋白磷酸酶生物大分子蛋白质、多糖、核酸等的结构信息电、声、光、磁场、辐射等影响生物生长发育的物理信号（1）细胞化学信号分子的特征3.细胞化学信号分子与信号转导途径的特征（2）信号转导的特征信号分子一般质量小，可溶性好，易于扩散，产生迅速，能快速灭活。2）信号传递途径是一个网络系统1）信号传递途径的级联放大作用信号传递途径的级联放大作用信号传递途径是一个网络系统（二）受体与信号转导细胞信号转导是外界信号经过与胞膜/胞内受体作用，通过系统的级联传递机制，引起细胞产生应答反应。信号转导的级联反应是通过细胞外信号分子与受体结合后，产生不同的受体后作用机制，实现细胞间的信息传递和信号转导。细胞外的信号分子1.配体与受体（1）配体概念类型作用方式内源性配体外源性配体通过膜受体通过胞内受体能与配体特异性结合并产生特定生物学效应的细胞蛋白质（2）受体概念类型按不同的分类依据可有不同的类型1）按药理学效应分类2）按解剖学定位分类3）按受体跨膜信息转导机制分类目前常用的分类：随着受体药理学的发展，大量新的受体激动剂和拮抗剂的发现与作用机制的深入研究，使各类受体及其亚型的研究得到迅速发展：AChR可分为M和N两型，它们又进一步分为M1、M2、M3和N1、N2等亚型；NAR可分为β和α两型，它们又进一步分为α1、α2和β1、β2等亚型。1）按药理学效应分类以受体药理学的效应特性，即受体激动剂为主的方法：乙酰胆碱受体(AChR)，肾上腺素受体(NAR)，多巴胺受体(DAR)，阿片受体(OPR)等。②核受体：2）按解剖学定位分类①膜受体：是镶嵌在胞膜脂质双层结构中的蛋白质。核受体Ⅰ：类固醇受体（包括雌性激素、睾丸酮、糖皮质激素和盐皮质激素等受体）它们本都存在胞浆内。核受体Ⅱ：甲状腺素受体、维生素D3受体和维甲酸受体等。它们在核内，且都已结合在DNA的顺式作用元件上。②含离子通道受体：3）按受体跨膜信息转导机制分类①G蛋白偶联受体：③酶活性受体：受体与G蛋白偶联，该类受体有7个跨膜螺旋结构。受体由若干亚单位组成的离子通道。受体有一个跨膜螺旋结构，其本身具有酶活性。2.受体与信号转导含离子通道受体G蛋白偶联受体酶活性受体3.受体调节受体调节是机体受到各种生理和病理因素影响，为适应经常变化的环境而出现受体可塑性或可变性变化的过程，它是生物调节的一个重要方面，是实现内环境稳定的一种重要调控机制。（1）调节时程受体调节在数分钟或几十分钟内发生变化，使受体的功能也发生变化。长期调节：短期调节：受体调节在数小时或几十小时发生变化，其功能也发生变化，多见于长时间使用激动剂或拮抗剂后。（2）受体数量与反应性的调节受体与不断变化的内源性或外源性配体及脂膜微环境发生相互作用，并发生自适应性改变，从而出现受体的数量和反应性处于不断变化之中，即受体的可塑性变化。受体与配体的特异结合是一个很复杂的过程，在受体与配体相互作用引起生物效应的同时，受体对配体的亲和力或受体的数量往往也会发生某些改变，即对受体的数量和反应性均可发生某些影响，即表现为受体可塑性调节的复杂性。1）受体数量与反应性的调节类型一种受体因自身配体的变化而发生相应调节变化。②异种调节：某一受体系统被激活，导致另一完全不同的受体发生调节性变化。①同种调节：2）受体数目及结合容量改变上调：调节使受体数量增多或结合容量增加下调：调节使受体数量减少或结合容量减小3）受体反应性的改变长期使用某一种激动剂期间或以后，组织或细胞受体对该配体的敏感性和反应性降低的现象，也叫脱敏或耐受。由于受体激动剂水平降低或拮抗剂的应用，或因其它神经递质或激素的释放，引起受体与配体结合的敏感性和反应性增强，也叫超敏。失敏：增敏：4）受体亲和力的改变当某一受体与配体结合后，会诱导邻近的同类受体结合部位构象发生变化，并使该受体对配体的亲和力降低。当某一受体与配体结合后，会诱导邻近的同类受体结合部位构象发生变化，并使该受体对配体的亲和力升高。负协同性：正协同性：受体与配体的亲和力可随结合部位的占领而发生变化。（三）G蛋白与信号转导G蛋白偶联受体介导的信号转导是通过膜受体、G蛋白、G蛋白效应器、第二信使、蛋白激酶等一系列存在于细胞膜、胞浆及核中的信号分子实现的。1、G蛋白（GTPbindingproteins）的类型G蛋白是一类实现受体与效应器间信息转导的膜蛋白家族。异源三聚体G蛋白小分子G蛋白：Ras与信号转导相关的G蛋白：通常所指的G蛋白即为异源三聚体G蛋白，是实现受体与效应酶间信息转导的膜蛋白家族。G蛋白信息转导功能的激活与失活受控于GDP-GTP-GDP转化开关。与受体偶联的G蛋白是由三个亚单位(α、β、γ)组成的三聚体，所有α亚单位上都有与GDP特异结合的位点和GTP酶活性，此结合位点上GDP-GTP-GDP的循环变化，控制着G蛋白的活性与跨膜信息转导。G蛋白亚型包含6个亚族：①Gs:与接受兴奋性配体的受体(如β-NAR、胰高血糖素受体、ACTH受体)偶联，激活腺苷酸环化酶(AC)。②Gi/Go:与接受抑制性配体的受体(如α2-NAR、M-AChR、生长抑素受体)偶联，抑制AC。③Gq:与M1-AChR、α1-肾上腺素受体、5-HT受体等偶联，激活磷脂酶C(PLC)。④Gt:Gt1与视紫质受体偶联，Gt2与锥细胞视蛋白偶联，它们均激活水解cGMP的磷酸二激酶(PDE)。⑤Gg⑥G122、G蛋白的生物学意义跨膜信号转导的枢纽：信号转导的放大效应：启闭信号转导通路：一个受体激活多个G蛋白，产生更多的第二信使。联系上游胞外信号与下游效应酶和胞内信号GDP-GTP-GDP的循环3、G蛋白偶联受体及其介导的信号转导系统1）G蛋白偶联受体（GPCR）家族特点G蛋白偶联受体在结构上都有7个跨膜区段，在功能上均需有G蛋白对信号进行转导；受体与配体结合后，通过与受体偶联的相应G蛋白，调节膜上的相应效应酶，影响一种或数种第二信使物质的产生与代谢，并通过级联反应，导致效应细胞的功能改变。2）G蛋白偶联受体的分子结构3）G蛋白受体介导的跨膜信号转导过程外界信号膜受体G蛋白一种或几种效应酶第二信使物质蛋白分子的级联反应引起相应的功能变化①Gs、Gi对AC和cAMP系统的调节②Gq对PLC与IP3/DAG和Ca2+系统的调节③磷脂酶PLA2和花生四烯酸(AA)衍生物④多种离子通道的调节4、G蛋白参与的调节功能Gs和Gi通过AC调节效应细胞内cAMP水平Gαs-GTP激活ACGαi-GTP抑制AC视紫红质Gt通过调节cGMP磷酸二脂酶(PDE)活性来调节视网膜光感传导G蛋白cGMP磷酸二酯酶cGMP门控离子通道Na+光照cGMP5‘-GMPαβγGq通过对磷脂酶C(PLC)活性的调节激活IP3、DAG信号转导系统G蛋白可通过直接和间接两种方式对离子通道进行调节Ca通道G蛋白K通道（四）第二信使与信息转导第二信使学说是在20世纪50年代，由美国科学家Sutherland等在研究肾上腺素的代谢机制是发现所提出。１．第二信使学说2.第二信使的作用细胞外的信息分子（第一信使）特异地与细胞表面的受体结合，刺激细胞产生胞内调节信息分子（第二信使），并将信息传递到细胞特异的反应系统，进而产生生理或病理性应答反应，这一过程称为跨膜信息转导（transmembranesignaling）；具有传导/传递功能的分子均称为信使物质，包括第一信使和第二信使。环磷酸腺苷(cAMP)、环磷酸鸟苷(cGMP)三磷酸肌醇（IP3）、二酰甘油(DG)Ca2+；一氧化氮（NO）；一氧化碳（CO）花生四烯酸（AA）;磷脂酶(PA)，神经酰胺3.第二信使物质（五）蛋白激酶蛋白激酶的激活是细胞外信号调节靶细胞蛋白质磷酸化的最主要机制，多数第一信使通过增加胞内第二信使水平，激活蛋白激酶，使其底物蛋白发生磷酸化，经一系列级联反应后产生特定的生物学效应。蛋白质磷酸化是生物调节最基本和最重要的公共通路。丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶（serine/threonineproteinkinase，Ser/ThrPK）根据催化磷酸化底物蛋白的机制不同，蛋白激酶分为两类：酪氨酸蛋白激酶（tyrosineproteinkinase，TPK）丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶（serine/threonineproteinkinase，Ser/ThrPK）cAMP依赖的蛋白激酶（PKA）cGMP依赖的蛋白激酶（PKG）Raf蛋白激酶磷脂酰肌醇依赖的蛋白激酶1（PDK1）Ca2+/Ca2+M依赖的蛋白激酶（Ca2+/Ca2+M-PK）Ca2+/磷脂依赖的蛋白激酶（Ca2+/PL-PK）DNA依赖的蛋白激酶（DNA-PK）丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶AKT酪氨酸蛋白激酶（tyrosineproteinkinase，TPK）受体酪氨酸蛋白激酶（RTPK）非受体酪氨酸蛋白激酶（non-RTPK）核内酪氨酸蛋白激酶（六）蛋白质磷酸化与脱磷酸化蛋白质蛋白质磷酸化蛋白激酶蛋白磷酸酶Ser/ThrPKTPK酪氨酸型Ser/Thr型双重底物型第二节第二信使介导的细胞信号转导体系一、环核苷酸信号转导系统（一）AC-cAMP-PKA信号转导系统1.AC-cAMP-PKA信号转导系统的组成cAMP上游信号分子cAMP下游信号分子G蛋白偶联受体G蛋白(Gs/Gi)AC蛋白激酶A（PKA）蛋白磷酸酶2.AC-cAMP-PKA信号转导途径LS/Li+RS/iGS/iACGαs-GTP（+）Gαi-GTP（-）cAMPPKA生物学效应底物蛋白蛋白磷酸化-+级联反应G蛋白的激活与失活机制3.突触传递与AC-cAMP-PKA信号转导系统神经元兴奋时释放的神经递质作为第一信使，作用于膜受体，通过激活AC，产生第二信使cAMP，进而激活PKA，通过底物蛋白的磷酸化，改变离子的通透性，影响神经元兴奋性，参与神经元突触传递的过程。二、膜磷脂代谢产物介导的信号转导系统膜磷脂（PIP2、PC）代谢产物（脂质第二信使）磷脂酶第二信使磷脂酶磷脂酶C（PLC）磷脂酶D（PLD）三磷酸肌醇（IP3）二酰甘油（DG）磷脂酶A（PLA2）鞘磷脂酶磷脂酸（PA）花生四烯酸（AA）溶血磷脂酸（PLA）（一）PLC-肌醇磷脂信号转导系统1.PLC-肌醇磷脂信号转导系统的组成Ach、NA、TSH、VP、AngII、BK、TXA2IP3G蛋白偶联受体G蛋白(Gq)PIPLCβPIP2DG+2