分子生物学-信号转导

细胞信息转导（signaltransduction）蒋小英[e-mail]生物化学与分子生物学系西安交通大学医学部基础医学院单细胞生物——直接作出反应多细胞生物——通过细胞间复杂的信号传递系统来传递信息，从而调控机体活动。外界环境变化时细胞信息传递方式①通过相邻细胞的直接接触②通过细胞分泌各种化学物质来调节其他细胞的代谢和功能具有调节细胞生命活动的化学物质称为信息物质。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跨膜信号转导的一般步骤内容第一节信息物质第二节受体第三节信息的传递途径第四节信息传递途径的交互联系第五节信息传递与疾病第一节信息物质一、细胞间信息物质二、细胞内信息物质一、细胞间信息物质凡由细胞分泌的、调节靶细胞生命活动的化学物质统称为细胞间信息物质。又称为第一信使。细胞间信息物质的化学本质*蛋白质和肽类（如生长因子、细胞因子、胰岛素等）*氨基酸及其衍生物（如甘氨酸、甲状腺素、肾上腺素等）*类固醇激素（如糖皮质激素、性激素等）*脂酸衍生物（如前列腺素）*气体（如一氧化氮、一氧化碳）等细胞间信息物质的化学本质根据分泌方式分为四大类：1、神经递质：又称突触分泌信号，由神经元突触前膜释放，如乙酰胆碱，作用时间短。2、激素：又称内分泌信号，如胰岛素、肾上腺素等。特点：通过血液循环到达靶细胞，作用时间长。3、局部化学介质：又称旁分泌信号，如炎症介质特点：通过扩散作用到达靶细胞，作用时间短4、气体信号：NO由NOS氧化精氨酸胍基生成CO由血红素加单氧酶氧化血红素产生GASMOLECULE二、细胞内信息物质在细胞内传递细胞调控信号的化学物质，称为细胞内信息物质。通常将其中的小分子物质如Ca2+、DAG、IP3、Cer、cAMP、cGMP称为第二信使(secondarymessenger)。cAMP的生成ACcGMP的生成GC磷脂酰肌醇4,5-二磷酸(PIP2)三磷酸肌醇(IP3)二脂酰甘油(DAG)磷脂酰肌醇特异的磷脂酶C(PI-PLC)+IP3和DAG的生成第三信使指负责细胞核内外信息传递的物质，是一类可与靶基因特异序列结合的核蛋白，如立早基因编码蛋白。c-fosc-junAP1第二节受体受体(receptor)：细胞膜上或胞内能特异识别生物活性分子并与之结合，把信号传递到细胞内部，进而引起生物学效应的特殊蛋白质。个别是糖脂。配体(ligand)：能与受体呈特异性结合的生物活性分子，包括细胞间信息物质、药物、维生素、毒物等。受体的分类：（一）膜受体（二）胞内受体（一）膜受体1、环状受体：配体依赖性离子通道2、G蛋白偶联受体：七个跨膜受体3、单个跨膜α螺旋受体4、具有GC活性的受体乙酰胆碱受体1.环状受体——配体依赖性离子通道1、环状受体-配体依赖性离子通道Acetylcholine乙酰胆碱ExtracellularCytoplasmicCOOH--NH2i1i2i3e1e2e3TM1TM2TM3TM4TM5TM6TM7DRY2、G蛋白偶联受体（400-600个氨基酸残基组成的多肽）G-protein-coupledreceptors-S-S-与配体结合G蛋白作用部位G蛋白偶联受体：1000多种七个α螺旋受体蛇型受体特点：由一条肽链组成的糖蛋白，N端在胞外侧，C端在胞内，中段形成七个跨膜螺旋结构。有三个胞外环和三个胞内环，胞浆面第三个环能与G蛋白偶联。G蛋白一类和GTP或GDP相结合、位于细胞膜细胞浆面的外周蛋白，由三个亚基α、β、γ组成。非活化型：α、β、γ三聚体结合GDP活化型：α与β、γ解聚结合GTP已发现多种G蛋白，常见的有激动型Gs，抑制型Gi和磷脂酶C型Gp。两种构象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。RＲHACγαβGDPGTPβγACATPcAMPGLEffectorG-proteinsSignalGi/oGsGpG12/13inhibitionofcAMPproductioninhibitionofCa2+channelsactivationofGIRKK+channelsG-proteinsubtypesincreasedsynthesisofcAMPactivationofCa2+andK+channelsactivationofPLCleadingtoactivationofPKC(DAG)intracellularCa2+release(IP3)mediatessignallingbetweenGPCRsandRhoA(GTPase)functionunderinvestigationG蛋白的种类及功能Ｇss激活腺苷酸环化酶Ｇii抑制腺苷酸环化酶Ｇpp激活磷脂酰肌醇的特异磷脂酶ＣＧo*o大脑中主要的Ｇ蛋白,可调节离子通道ＧT**Ｔ激活视觉Ｇ蛋白的类型亚基功能Ｇss激活腺苷酸环化酶Ｇii抑制腺苷酸环化酶Ｇpp激活磷脂酰肌醇的特异磷脂酶ＣＧo*o大脑中主要的Ｇ蛋白,可调节离子通道ＧT**Ｔ激活视觉Ｇ蛋白的类型亚基功能*o表示另一种(other)＊＊T：传导素(transductin)Gα种类效应分子细胞内信使靶分子αsAC活化cAMPPKAαiAC抑制cAMPPKAαp磷脂酶c活化Ca2+,IP3,DAGPKCαtcGMP磷酸二酯酶活化cGMPNa+通道关闭G蛋白的α亚基的效应分子及其功能两种G蛋白的作用两种G蛋白的作用G蛋白偶联受体的信息传递途径联受体的信息传递途径激素受体Ｇ蛋白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3、单个跨膜α螺旋受体•酪氨酸蛋白激酶受体型EGFIGF-1PDGFFGF•非酪氨酸蛋白激酶受体型GHIFNγEPOIL-2、6具有酪氨酸蛋白激酶的受体具有丝/苏氨酸蛋白激酶的受体转化生长因子β受体（TGFβ）Ⅰ型Ⅱ型酪氨酸蛋白激酶受体型自身磷酸化(autophosphorylation)当配体与单跨膜螺旋受体结合后，催化型受体大多数发生二聚化，二聚体的酪氨酸蛋白激酶被激活，彼此使对方的某些酪氨酸残基磷酸化，这一过程称为自身磷酸化。该型受体与细胞的增殖、分化、分裂及癌变有关。酪氨酸蛋白激酶受体型IGF-1非酪氨酸蛋白激酶受体型IFNγ受体TPK受体的下游分子常含有SH2结构域(Scrhomology2domain)与原癌基因scr编码的2结构域同源的结构域。此结构域能与酪氨酸残基磷酸化的多肽链结合。SH3结构域能与富含脯氨酸的肽段结合。PH结构域(pleckstrinhomologydomain)能识别具有磷酸化的丝氨酸和苏氨酸的短肽，并与之结合；能与G蛋白的βγ复合物结合；还能与带电的磷脂结合。具有丝/苏氨酸蛋白激酶的受体转化生长因子β受体TβR-Ⅱ能自身磷酸化和磷酸化Ⅰ型受体4、具有鸟苷酸环化酶（GC）活性的受体膜受体由同源的三聚体或四聚体组成配体心钠素（ANP）鸟苷蛋白部位心血管细胞小肠精子视网膜杆状细胞可溶性受体α、β二聚体，具有GC结合域和血红素结合域配体NOCO部位脑肺肝肾具有鸟苷酸环化酶活性的受体胞外胞内膜受体可溶性受体PKHGCGC鸟苷酸环化酶（GC）（二）胞内受体(intracellularreceptor)位于细胞浆和细胞核中的受体，全部为DNA结合蛋白。胞内受体通常为反式作用因子，当与相应配体结合后，能与DNA的顺式作用元件结合，调节基因转录。能与胞内受体结合的信息物质有类固醇激素、甲状腺素、维生素D3和维甲酸等。（二）胞内受体胞内受体包含四个区•高度可变区•DNA结合区•激素结合区•铰链区高度可变区位于N端，具有转录激活功能DNA结合区位于中部，含有锌指结构激素结合区位于C端，结合配体或热休克蛋白，含有核定位信号，使受体二聚化，激活转录铰链区含有核定位信号胞内受体二、受体作用的特点1、高度专一性2、高度亲和力3、可饱和性4、可逆性5、特定作用模式第三节信息的传递途径一、膜受体介导的信息传递1.cAMP-蛋白激酶A途径：2.Ca2+-依赖性蛋白激酶途径3.cGMP-蛋白激酶途径4.酪氨酸蛋白激酶（TPK）途径5.核因子-κB途径6.TGFβ途径二、胞内受体介导的信息传递1.cAMP-蛋白激酶A途径1.G蛋白的调节2.cAMP的生成与降解3.cAMP的作用机制4.PKA的作用激素（H）HRG蛋白腺苷酸环化酶（AC）cAMP受体（R）蛋白激酶A（PKA）酶或功能蛋白磷酸化生物学效应cAMP-蛋白激酶A途径与第二信使cAMP有关的激素激活腺苷酸环化酶（促cAMP生成）的激素抑制腺苷酸环化酶（抑cAMP生成）的激素促肾上腺皮质素（ACTH）乙酰胆碱抗利尿激素(ADH)血管紧张素Ⅱβ肾上腺素α肾上腺素降钙素类鸦片卵泡刺激素（FSH）生长激素释放抑制因子黄体生成激素（LH）甲状旁腺素（PTH）促甲状腺素（TSH）胰高血糖素1.G蛋白的调节2.cAMP的合成与分解ATP腺苷酸环化酶Mg2+PPicAMP磷酸二酯酶H2OMg2+5'-AMPNOCH2OOHONNNNH2POOHcAMPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOHATPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOHAMP磷酸二酯酶(phosphodiesterase,PDE)腺苷酸环化酶(adenylatecyclase,AC)C2R2+4cAMPR2-4cAMP+C2无活性PKA有活性PKA3.cAMP的作用机制:4.PKA的作用Ser/Thr残基磷酸化•对代谢的调节作用•对基因表达的调节作用cAMP应答元件（cAMPresponseelement,CRE）cAMP应答元件结合蛋白（cAMPresponseelementbindingprotein,CREB)•对功能蛋白的调节作用β肾上腺素能受体胰高血糖素受体激活Gs增加AC活性cAMPPKA促进心肌钙转运心肌收缩性增强增加肝脏糖原分解进入核内PKA激活靶基因转录肾上腺素+受体肾上腺素-受体复合物PKAcAMP磷酸化酶b激酶磷酸化酶a糖原合成酶ATP磷酸化酶b磷蛋白磷酸酶糖原合成糖原分解血糖肾上腺素对糖代谢的调节G蛋白AC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(cAMPresponseelement,CRE)。可与cAMP应答元件结合蛋白(cAMPresponseelementboundprotein,CREB)相互作用而调节此基因的转录。对基因表达的调节作用DNACRECREBPKAＰTranscriptionmRNACREBPKAＰPKA对底物蛋白的磷酸化作用组蛋白失去对转录转录，促进的阻遏作用蛋白质的合成核蛋白体蛋白加速翻译促进蛋白质的合成细胞膜蛋白膜蛋白构象及改变膜对水及离子功能改变通道的通透性微管蛋白构象和功能改变影响细胞分泌心肌肌原蛋白易与Ca2+结合加强心肌收缩底物蛋白磷酸化的后果生理意义组蛋白失去对转录转录，促进的阻遏作用蛋白质的合成核蛋白体蛋白加速翻译促进蛋白质的合成细胞膜蛋白膜蛋白构象及改变膜对水及离子功能改变通道的通透性微管蛋白构象和功能改变影响细胞分泌心肌肌原蛋白易与Ca2+结合加强心肌收缩底物蛋白磷酸化的后果生理意义2、Ca2+-依赖性蛋白激酶途径在收缩、运动、分泌和分裂等复杂的生命活动中，需要Ca2+参与，胞浆内Ca2+浓度在0.01-1μmol/L比细胞外Ca2+浓度（约2.5mmol/L）低得多。HHRG蛋白(Gp)PI-PLC膜上PIP2水解RDAG蛋白激酶C(PKC)生物学效应IP3胞内Ca2+升高CaMCa2+-依赖性蛋白激酶途径通过磷脂酰肌醇信息传递的激素激素作用及部位促甲状腺素释放激素（TRH）促垂体前叶释放激素(TSH)促性腺激素释放激素（GnRH）促垂体前叶释放LH及FSH血管加压素（AVP）协助促垂体前叶释放ACTH促甲状腺素(