科联考-生物化学-细胞信号转导的分子机制.ppt

第十九章 细胞信号转导的分子机制,Cellular Signal Transduction,细胞通讯（cell communication） 是体内一部分细胞发出信号，另一部分细胞（target cell）接收信号并将其转变为细胞功能变化的过程。 信号转导（signal transduction） 细胞针对外源信息所发生的细胞内生物化学变化及效 应的全过程称为信号转导。,第一节 细胞信号转导概述,细胞应 答反应,细胞外信号,受体,细胞内多种分子变化,细胞信号转导的基本路线,化学信号 物理信号,细胞内 细胞膜,浓度 活性 位置,代谢途径 基因复制 基因转录 细胞分裂,信号接收装置,信号转导装置,靶蛋白,信号分子,效应,一、细胞外化学信号有可溶性和膜结合型两种形式,生物体可感受任何物理的、化学的和生物学的刺激信号。 但最终通过换能途径将各类信号转换为细胞可直接感受的 化学信号（chemical signaling）。,（一）化学信号通讯存在从简单到复杂的进化过程,化学信号通讯是生物适应环境不断变异、进化的结果。,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。,（二）可溶性分子信号作用距离不等,多细胞生物与邻近细胞或相对较远距离的细胞之间的信息 交流主要是由细胞分泌的可溶性化学物质 完成的。,属于旁分泌系统，主要作用于周围细胞；有些作用于自身，称为自分泌。,作用距离最远的内分泌系统化学信号,神经元突触内 的神经递质 作用距离最短,内分泌信号,旁分泌 信号,神经递质,远,近,（paracrine）,（autocrine）,（endocrine）,（neurotransmitter）, 内分泌信号 (endocrine),又称内分泌激素,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,按化学组成分为,含氮激素:肾上腺素、甲状腺素、促甲状腺激素、 胰高血糖素、胰岛素、生长激素等,类固醇激素：性激素、皮质醇、醛固酮等,按激素受体的性质分为：,胞内受体激素: 甲状腺素、类固醇激素 胞膜受体激素: 除甲状腺素外其他的含氮激素, 旁分泌信号 (paracrine),又称局部化学介质,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： 细胞因子(生长因子、白介素） 前列腺素等,某些信息物质能对同种细胞或分泌细胞自身起 调节作用。 例如：肿瘤细胞的生长因子,自分泌信号(autocrine), 神经递质(neurotransmitter),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,（三）细胞表面分子也是重要的细胞外信号,细胞通过细胞膜表面的蛋白质、糖蛋白、蛋白聚糖与相邻细胞的膜表面分子特异性地识别和相互作用，达到功能上的相互协调。这种细胞通讯方式称为膜表面分子接触通讯。,细胞间直接通讯,属于这一类通讯的有： 相邻细胞间粘附因子的 相互作用； T淋巴细胞与B淋巴细胞 表面分子的相互作用等。,二、细胞经由特异性受体接收细胞外信号,受体（receptor）是细胞膜上或细胞内能识别外源化学信号并与之结合的成分，其化学本质是蛋白质，个别糖脂 。 受体的作用： 1.识别外源信号分子； 2.转换配体信号，使之成为细胞内 分子可识别的信号，并传递至其 他分子引起细胞应答。,（一）化学信号通过受体在细胞内转换和传递,受体与信号分子结合的特性,高度专一性 高度亲和力 可逆性 可饱和性 特定的作用模式,（二）受体既可以位于细胞膜也可以位于细胞内,细胞表面受体 存在于细胞质膜上的受体，接收的是不能进入细胞的水溶性化学信号和位于邻近细胞表面分子的信号。 细胞内受体 位于细胞浆和细胞核中的受体，接收的是可以直接通过脂双层胞膜进入细胞的脂溶性化学信号。,网络系统的构成,三、信号分子结构、含量和分布变化是信 号转导网络工作的基础,膜受体介导的信号向细胞内（尤其是细胞核）的转导过 程需要多种分子参与，形成复杂的信号转导网络系统,信号转导通路与信号转导网络,信号转导通路（signal transduction pathway） 由细胞中各种信号转导分子相互识别、相互作用将信号进行转换和传递构成。 信号转导网络（signal transduction network）系统 由不同的信号转导通路之间发生交叉调控形成。,NH2,AAAAA,m7G,Translation,信号转导网络,细胞信号转导的基本方式示意图,细胞转导信号的基本方式,改变细胞内各种信号转导分子的构象,改变信号转导分子在细胞内的定位,促进各种信号转导分子复合物的形成或解聚,改变小分子信使的细胞内浓度或分布,第二节,细胞内信号转导分子 Intracellular Signal Molecules,细胞内信号转导分子,在细胞内传递细胞调控信号的化学物质称为细胞内信号转导分子。,网络系统的构成,一、第二信使的浓度和分布变化是重要的信号转导方式,细胞内小分子第二信使： 在细胞内传递信息的小分子物质。,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,在完整细胞中，该分子的浓度或分布在细胞外信号的作用下发生迅速改变； 该分子类似物可模拟细胞外信号的作用； 阻断该分子的变化可阻断细胞对外源信号的反应。 作为别位效应剂在细胞内有特定的靶蛋白分子。,细胞内小分子第二信使的特点,浓度的变化是主要变化，催化它们生成和水解的酶都会受到膜受体信号转导通路中的信号转导分子的调节,(一）环核苷酸是重要的细胞内第二信使 cAMP和cGMP,cAMP,cAMP,ATP,AMP,磷酸二酯酶,腺苷酸环化酶,GTP,磷酸二酯酶,鸟苷酸环化酶,1核苷酸环化酶催化cAMP和cGMP生成,2细胞中存在多种催化环核苷酸水解的 磷酸二酯酶（PDE),磷酸二酯酶（phosphodiesterase）水解cAMP和cGMP,磷酸二酯酶对环化核苷酸的水解具有相对特异性,PDE2,cGMP和cAMP,PDE3和PDE4,cAMP,cAMP特异性PDE,水解,水解,3环核苷酸在细胞内的作用,调节蛋白激酶活性 - 蛋白激酶是一类重要的信号转导分子 - 也是许多小分子第二信使直接作用的靶分子 cAMP作用于cAMP依赖性蛋白激酶蛋白激酶A cGMP作用于cGMP依赖性蛋白激酶蛋白激酶G cAMP和cGMP的作用机理 - 变构剂，使蛋白质分子构象变化，从而改变活性 蛋白激酶不是cAMP和cGMP的唯一靶分子,蛋白激酶A是cAMP的靶分子,蛋白激酶A（protein kinase A，PKA） cAMP依赖性蛋白激酶，属于丝、苏氨酸蛋白激酶类 cAMP-dependent protein kinase PKA活化后 可使多种蛋白质底物的丝氨酸或苏氨酸残基发生磷 酸化，改变其活性状态 底物分子包括一些糖、脂代谢相关的酶类、离子通 道和某些转录因子 。,cAMP的作用机理,PKA的结构 调节亚基R: 每个调节亚基上有两个cAMP结合位点； 催化亚基C: 具有催化底物蛋白质某些特定丝/苏氨酸残基磷酸化的功能。,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,分子cAMP与调节亚基结合,调节亚基变构与催化亚基分离,催化亚基呈现P活性,蛋白激酶G是cGMP的靶分子,蛋白激酶G（protein kinase G，PKG） cGMP依赖性蛋白激酶 cGMP-dependent protein kinase 分布 PKG在脑组织和平滑肌中含量丰富 在心肌和平滑肌收缩调节方面具有重要作用,cGMP激活PKG示意图,抑制模体,催化部位,抑制模体,催化部位,抑制模体,抑制模体,催化部位,催化部位,cGMP,4,cGMP,cGMP,cGMP,cGMP,无活性的PKG,有活性的PKG,PKG由相同亚基构成的二聚体，调节结构域和催化结构域存在于同一亚基,4蛋白激酶不是cAMP和cGMP的唯一靶分子,一些离子通道也可以直接受cAMP或cGMP的别构调节。 视杆细胞膜上 富含cGMP-门控阳离子通道 嗅觉细胞 核苷酸-门控钙通道,（二）脂类也可作为胞内第二信使,具有第二信使特征的脂类衍生物:,二脂酰甘油（DAG） 肌醇-1,4,5-三磷酸（IP3） 磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(PIP2) 花生四烯酸（AA） 磷脂酸（PA） 溶血磷脂酸（LPA） 4-磷酸磷脂酰肌醇（PIP）,这些脂类衍生物都是由体内磷脂代谢产生的。,1.催化脂类第二信使生成的酶有两类,磷脂酶（phospholipase，PL， A、B、C、D）,催化磷脂水解,最重要的是磷脂酶C（phospholipase C，PLC）,催化磷脂酰肌醇（PI）磷酸化,代表性的有PI-3K、PI-4K、PI-5K,磷脂酰肌醇激酶类（phosphatidylinositol kinases, PIKs）,R1,R2,磷脂酶和磷脂酰肌醇激酶催化脂类第二信使的生成,磷脂酰肌醇3-磷酸,磷脂酰肌醇3，4-二磷酸,磷脂酰肌醇3，4，5-三磷酸,肌醇1-磷酸,肌醇1，4-二磷酸,PI-4K,PI-5K,磷脂酰肌醇4-磷酸,磷脂酰肌醇4，5-二磷酸,PI-PLC,磷脂酰肌醇,3-磷酸酶,3-磷酸酶,3-磷酸酶,PI-3K,PI-3K,PI-3K,PI-5K,PI-4K,PLC,PLC,2脂类第二信使作用于相应的靶蛋白分子,IP3的靶分子是钙离子通道: IP3为水溶性分子，生成后从细胞质膜扩散至细胞质中，与内质网或肌质网膜上的IP3受体结合。,IP3 IP3受体,钙离子通道开放，细胞内钙库的Ca2+释放,细胞内钙离子浓度迅速增加,DAG为脂溶性分子，生成后留在质膜上，与钙离子 在磷脂酰丝氨酸存在下共同激活蛋白激酶C。,DAG和钙离子的靶分子是蛋白激酶C,蛋白激酶C（protein kinase C，PKC ）： 属于丝/苏氨酸蛋白激酶，广泛参与细胞的各项生理活动。,PKC作用的底物包括质膜受体、膜蛋白、多种酶和转录因子等，参与多种生理功能的调节。,（三）钙离子可以激活信号转导有关的酶类,1钙离子在细胞中的分布具有明显的区域特征,细胞外液游离钙浓度高约 1.5mmol/L； 胞液中游离Ca2+的含量很低（基 础浓度只有0.01- 1mol/L）； 细胞内液的钙离子远远低于细胞 外液钙离子浓度，且90%以上储 存于细胞内钙库（肌质网、内质 网和线粒体内）。,细胞液 0.01-1mol/L 10%,钙库 10mmol/L 90%,细胞外液 1.5mmol/L,导致胞液游离Ca2+浓度升高的方式有两种,细胞液 0.01-1mol/L,钙库 10mmol/L,细胞外液 1.5mmol/L,内流,释放,一是细胞质膜钙通道开放，引起细胞外钙内流；,二是细胞内钙库膜上的钙通道开放，引起钙释放。,胞液Ca2+返回细胞外或钙库需要Ca2+ATP酶,钙泵,2钙离子的信号功能主要是通过钙调蛋白实现,钙调蛋白（calmodulin，CaM）：可看作 是细胞内Ca2+的受体。,乙酰胆碱、儿茶酚胺、加压素、血管紧张素和胰高血糖素等,胞液Ca2+浓度升高,CaM,CaM,Ca2+,Ca2+,Ca2+,Ca2+,CaM结合Ca2+后发生构象变化，作用于Ca 2+/CaM-依赖性激酶（CaM-K）,（四）NO的信使功能与cGMP相关,NO合酶介导NO生成:,NO合酶,瓜氨酸,精氨酸,NO,NO的生理调节作用主要通过激活鸟苷酸环化酶完成,NO与可溶性鸟苷酸环化酶分子中的血红素铁结合,生成cGMP,引起鸟苷酸环化酶构象改变.酶活性增高,cGMP作为第二信使，产生生理效应,GTP,二、蛋白质作为细胞内信号转导分子,信号转导分子大部分是蛋白质,酶分子 包括 调节蛋白 转录因子,构成信号转导通路上的各种开关和接头,（一）蛋白激酶/蛋白磷酸酶是信号通路开关分子,蛋白激酶与蛋白磷酸酶催化蛋白质的可逆性磷酸化修饰。 蛋白质的磷酸化与去磷酸化是控制信号转导分子活性的最 主要方式。 磷酸化修饰可能提高酶分子的活性，也可能降低其活性， 取决于酶的构象变化是否有利于酶的作用。,1. 蛋白质的可逆磷酸化修饰是最重要的信号通路开关,2.蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶和蛋白酪氨酸激酶是主要的蛋白激酶,蛋白激酶是催化ATP -磷酸基转移至靶蛋白的特定 氨基酸残基上的一大类酶。,PKA、PKG ( 受环核苷酸调控） PKC （ 受DAG/ Ca2+调控） Ca2+/CaM-PK （受Ca2+/CaM调控） PKB （受PIP3 调控） CDK ( 细胞周期蛋白依赖蛋白激酶 ） MAPK ( 有丝分裂原激活的蛋白激酶 ),3.MAPK级联激活是多种信号通路的中心,丝裂原激活的蛋白激酶（MAPK） 属于蛋白丝/苏氨酸激酶类，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，在许多细胞增殖相关信号通路中具有关键性作用。,MAPKKK,MAPKK,Thr,Tyr,P,P,phosphatase,off,on,MAPK,Tyr,MAPK,Thr,静止状态,激活,激活过程表现为逐级磷酸化,生长因子或其他因素的刺激,MAPK作用机制及调控的生物学效应,细胞核,转录因子磷酸化,改变基因表达状态,其它的酶磷酸化,酶活性改变,MAPK家族成员的底物大部分是转录因子、蛋白激酶等,参与多种细胞功能的调控，尤其在细胞增殖、分化及凋亡过程中，是多种信号转导途径的共同作用部位,被激活的MAPK,4.蛋白酪氨酸激酶转导细胞增殖与分化信号,正常细胞的增殖 恶性肿瘤细胞的增殖 T细胞、B细胞或肥大细胞的活化,蛋白质分子的酪氨酸磷酸化,蛋白质酪氨酸激酶（ Protein Tyrosine kinase , PTK） 催化蛋白质分子中的酪氨酸残基磷酸化。,酪氨酸磷酸化大部分对细胞增殖具有正向调节作用。,受体型PTK（位于细胞膜上）： 如胰岛素受体、生长因子受体及原癌基因（erb-B、 kit、 fins等）编码的受体。 非受体型PTK（位于细胞质内）： 如底物酶JAK和原癌基因（src、yes、ber-abl等）编码的PTK。主要作用是作为受体和效应分子之间的信号转导分子 。,蛋白酪氨酸激酶分类,非受体型PTK的主要作用,5.蛋白磷酸酶衰减蛋白激酶信号,蛋白质磷酸（酯）酶：催化磷酸化的蛋白分子发生去磷酸 化，与蛋白激酶共同构成了蛋白质活性的开关系统。 无论蛋白激酶对于其下游分子的作用是正调节还是负调节，蛋白 磷酸酶都将对蛋白激酶所引起的变化产生衰减信号。,蛋白丝氨酸/苏氨酸磷酸酶 蛋白酪氨酸磷酸酶 个别的蛋白磷酸酶具有双重作用,蛋白磷酸酶根据它所作用的氨基酸残基分类,（二）G蛋白的GTP/GDP结合状态决定 信号通路的开关,鸟苷酸结合蛋白：（guanine nucleotide binding protein， G protein）简称G蛋白，亦称GTP结合蛋白。 是一类重要的信号转导分子，在各种细胞信号转导途径中转导信号给不同的效应蛋白。,G蛋白的共同特点： a. 结合的核苷酸为GTP时处于活化形式，作用 于下游分子使相应信号途径开放； b. 当结合的GTP水解为GDP时则回到非活化状 态，使信号途径关闭。,G蛋白主要有两大类：,异源三聚体G蛋白：与7次跨膜受体结合，以 亚基三聚体的形式存在于细胞质膜内侧。 低分子量G蛋白（21kD）：分子量21kD，在多种 细胞信号转导途径中具有开关作用。Ras是第一 个被发现的低分子量G蛋白。又称Ras样GTP酶。,1.介导七跨膜受体信号转导的异源三聚体G蛋白,亚基 （G） 、亚基 (G),具有多个 功能位点 亚基具有GTP酶活性,与受体结合并受其活化调节的部位 亚基结合部位 GDP/GTP结合部位 与下游效应分子相互作用部位,a. 在细胞内形成紧密结合的二聚体 b. 主要作用是与亚基形成复合体 并定位于质膜内侧；,G蛋白通常是直接接受G蛋白偶联受体（GPCRs）(7次跨膜 受体)信号的分子，并开放各种下游效应分子，调节各 细胞功能。 离子通道 下游效应分子 腺苷酸环化酶 PLC,2.重要的信号转导分子 低分子质量G蛋白,低分子量G蛋白（21kD），均由一个GTP酶结构域构成, 故又称 Ras样GTP酶。 结合了GTP时即成为活化形式，可作用于下游分子使之活化； 当GTP水解成为GDP时（自身为GTP酶），则回复到非活化状态。 它们在多种细胞信号转导途径中亦具有开关作用。 Ras 是第一个被发现的小G蛋白，因此这类蛋白质被称为Ras家族。,在细胞中还存在一些调节因子，专门控制小G蛋白活性：,增强其活性的因子：如鸟嘌呤核苷酸交换因子（GEF）和鸟苷酸释放蛋白（GNRP）； 降低其活性的因子：如鸟嘌呤核苷酸解离抑制因子（GDI）和GTP酶活化蛋白（GAP）等。,GTP,GDP,Ras,Ras,SOS,GTP酶活化蛋白 （GAP）,on,off,（三）蛋白相互作用结构域介导信号通路中 蛋白质的相互作用,信号转导分子在活细胞内接收和转导信号的过程是由多种分子聚集形成的信号转导复合物完成的。,信号转导复合物作用：, 保证了信号转导的特异性和精确性； 增加了调控的层次，从而增加了维持机体稳态 平衡的机会。,信号转导复合物（signaling complex）,蛋白质相互作用结构域是形成复合物的基础,信号转导通路的形成要求信号转导分子之间可特异性地相互识别和结合，即蛋白质-蛋白质相互作用是由信号转导分子中的特殊结构域介导的。这些结构域称为蛋白相互作用结构域（protein interaction domain）。,信号转导分子中的蛋白相互作用结构域的分布和作用,蛋白激酶,Btk,PH,TH,SH3,SH2,催化区,衔接蛋白,Grb2,SH3,SH2,SH3,转录因子,stat,DNA 结合区,SH2,TA,细胞骨架蛋白,tensin,/,SH2,PTB,一个信号分子可以含有两种以上的结构域，可同时与两种以上的信号分子结合； 同一类结构域可存在于多种不同分子中。这些结构域的一级结构不同，对所结合的信号分子具有选择性，这是信号分子相互作用特异性的基础； 这些结构域本身均为非催化结构域。,蛋白相互作用结构域及其识别模体,（四）衔接蛋白和支架蛋白连接信号通路与网络,衔接蛋白：是信号转导通路中不同信号转导分子的 接头，连接上游信号转导分子与下游信号转导分子。,结构： 大部分衔接蛋白结构由2个或2个以上的蛋白相互作用结构域，除此以外几乎不含有其他的序列。 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。,支架蛋白：一般是分子质量较大的蛋白质，可同时 结合很多位于同一信号转导通路中的转导分子。,信号转导分子结合在支架蛋白上的意义： 保证相关信号转导分子在一个隔离而稳定的信号转导通 路内，避免与其他通路发生交叉，以维持信号转导通路 的特异性； 支架蛋白可以增强或抑制结合的信号转导分子的活性； 增加调控复杂性和多样性。,