细胞的跨膜信号转导.ppt

细胞的跨膜信号转导,信号转导：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,信号转导（signal transduction）,“信号” 主要：化学信号（激素、神经递质、细胞因子） 其他：机械、光、电信号,细胞间的信号传递： 接触性依赖的通讯：细胞粘附、识别 化学通讯： 内分泌(endocrine) 旁分泌(paracrine) 自分泌(autocrine) 化学突触(chemical synapse) 间隙连接：如电突触、闰盘 外泌体(exosomes)：,跨膜信号转导的基本过程,三个阶段： 胞外信号的识别 胞内信号转换和放大 胞内效应产生,受体：是一类存在于靶细胞膜上或胞内可识别并结合外源信号分子（配体），进而引起靶细胞内产生相应的生物效应的分子。其化学本质是蛋白质，个别为糖脂 。 胞内受体：少数疏水性信号分子穿过质膜进入胞内（如：类固醇激素、甲状腺激素、维生素D等） 膜受体：大部分亲水性的刺激信号作用于膜表面受体 配体：能与受体特异性结合的信号分子 脂溶性分子：可直接穿膜进入靶细胞 水溶性分子：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，所以又称为第一信使(primary messenger)。,构成信号转导系统的要素,第二信使(second messenger)：受体被激活后在细胞内产生的、能介导信号转导通路的活性物质。,构成信号转导系统的要素,重要的有： 环核苷酸：环腺苷酸（cAMP）、环鸟苷酸（cGMP） 脂类衍生物：二酰甘油（DG）、1, 4, 5-三磷酸肌醇（IP3） 无机物：Ca2+等 作用：传导、放大胞外信号，激活蛋白激酶或离子通道,1957年，E. Sutherland在研究肾上腺素促进肝糖原分解的机制时发现，激素的作用依赖于细胞产生一种小分子化合物环腺苷酸（cyclic AMP，cAMP），从而提出了第二信使学说。,第二信使,第一信使,Sutherland, 获 1971年诺贝尔生理和医学奖,第二信使学说,略,腺苷酸环化酶：跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，催化ATP 生成cAMP。,cAMP的产生,cAMP、 cGMP 、 DAG、 IP3、 Ca2+,第二信使的效应模式： 可逆磷酸化,12,蛋白激酶A （PKA）,cAMP-Dependent Protein Kinase,转录因子磷酸化,PKA的功能,P,P,失活,激活,快效应：底物磷酸化,慢效应：调控基因表达,膜受体介导： 离子通道受体 （环状受体） G蛋白偶联受体 （七跨膜-螺旋型受体） 酶偶联受体 （单跨膜-螺旋型受体） 胞内受体介导 （胞内转录因子型受体）,跨膜信号转导的主要途径,离子通道型受体属于化学门控通道，其接受的化学信号绝大多数是神经递质，故也称递质门控通道(transmitter-gated ion channel) ； 受体由均一或非均一的亚基构成寡聚体，且围成一跨膜离子通道，激活后可引起离子的跨膜流动，触发生理反应,1.离子通道受体介导的信号转导,通过产生跨膜电变化传递信号 路径简单、速度快 作用较局限,特 点,（比较G蛋白偶联通路）,ACh 与终板膜膜上通道型受体（N型ACh受体） 特异性结合 ACh受体通道构型改变（离子通道打开） Na+内流（和K+外流） 终板膜去极化（终板电位） 周围肌膜兴奋和肌细胞收缩,神经-骨骼肌接头2型ACh受体,范 例,2. G蛋白偶联受体介导的信号转导,信号途径：配体+受体G蛋白效应器分子第二信使靶分子生物学效应,G蛋白偶联受体：由一条包含7次跨膜螺旋的肽链构成，胞外结构域识别信号分子，胞内结构域与G蛋白偶联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使，将胞外信号转为胞内信号。,2. G蛋白偶联受体介导的信号转导,G蛋白偶联受体 G蛋白（鸟苷酸结合蛋白） G 蛋白效应器 第二信使,（一）参与转导的信号分子,1. G蛋白偶联受体：与配体结合后，通过构象变化结合并激活G蛋白。 通过G蛋白发挥作用称为G蛋白偶联受体； 不具备通道结构，无酶活性； 种类繁多，每种受体都由一条包含7次跨膜螺旋的肽链构成也称7次跨膜受体。,（一）参与转导的信号分子,“7次跨膜受体”： 膜外侧N-末端识别、结合配体 膜内侧C-末端激活膜内G蛋白,2.G蛋白：即鸟苷酸结合蛋白，它是一类和GTP或GDP相结合、位于细胞膜胞浆面的外周蛋白。 由、和三个亚单位形成的异源三聚体； 和亚基通过共价结合的脂肪酸链尾固定在膜上 耦联膜受体与下游效应器（酶或离子通道）的蛋白。,（一）参与转导的信号分子,亚基具有三个功能位点： GTP结合位点; 鸟苷三磷酸水解酶(GTPase)活性位点; 效应酶结合位点。,2.G蛋白：分子开关作用。 亚基结合GDP处于关闭状态，结合GTP处于开启状态： 作用：与激活的受体相遇而被激活，再由激活型-GTP和亚单位进一步激活下游效应器，从而改变细胞内第二信使的浓度。,（一）参与转导的信号分子,GTP酶,“分子开关”,失活型G蛋白,激活型G蛋白,蛋白循环,哺乳动物细胞中的G亚基种类及效应,G蛋白的种类很多，每一类还有许多亚型 不同的G蛋白可激活不同的酶，产生不同的信使分子,3G 蛋白效应器（G protein effector）,（一）参与转导的信号分子, 腺苷酸环化酶（adenylate cyclase, AC），作用是催化细胞内的ATP生成第二信使cAMP; 磷脂酶C（phospholipas C, PLC），可催化细胞膜上的磷脂酰肌醇生成第二信使DG和IP3； 磷酸二酯酶（phosphodiesterase, PDE），可以水解胞内的第二信使cGMP； 磷脂酶A2（phospholipase A2）,(1)主要是指催化生成（或分解）第二信使的酶,(2)离子通道:G蛋白也可直接调控离子通道的活动,4第二信使（second messenger）,（一）参与转导的信号分子,第二信使： cAMP(环磷腺苷) DG（二脂酰甘油）和IP3（三磷酸肌醇） cGMP（环磷鸟苷） Ca2+ 作用：激活蛋白激酶或离子通道,腺苷酸环化酶(AC)和第二信使:cAMP,ATP,cAMPPPi,催化结构域,催化结构域,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,G蛋白耦联受体,总结：G蛋白偶联受体介导的信号转导过程,第二信使,蛋白激酶 或通道,GDP,GTP,细胞 功能 改变,（二）主要的G蛋白偶联受体信号转导途径,受体-G蛋白-AC（腺苷酸环化酶）途径 受体-G蛋白-PLC（磷脂酶C）途径,cAMP途径,1. 受体-G蛋白-AC（腺苷酸环化酶）途径,（在不同的细胞中，PKA磷酸化的底物不同，因而其功能也不同）,细胞外信息分子,受 体,G 蛋 白,A C,第二信使（cAMP）,蛋白激酶（PKA）,酶或功能性蛋白质,生 物 学 效 应,例如：,运动,交感神经兴奋,释放去甲肾上腺素,心肌细胞膜上1肾上腺素能受体,Gs蛋白,AC,cAMP,PKA,功能蛋白磷酸化,心率，心肌收缩力,1953年，Hokin等发现外界刺激可加速膜脂代谢，如乙酰胆碱在促进胰腺分泌淀粉酶的同时也加快膜脂的周转。32P标记研究表明，外界刺激引起膜中磷脂酰肌醇（PI）变化。 1975年，Michell等用3H标记肌醇磷酸与细胞温育，加入激动剂，测定被标记的PI及其代谢产物，发现PI减少了而其代谢物增加，从而证明刺激促进质膜中PI水解。其后几年陆续发现PI水解产物肌醇三磷酸（IP3）可刺激内质网释放Ca2+；蛋白激酶C（PKC）受Ca2+和PI水解另一产物二酰基甘油（DG）的激活。后来又发现许多膜脂代谢产物，如磷脂酰肌醇磷酸、溶血磷脂酸、神经酰胺等都是重要的胞内信使。,2.受体-G蛋白-PLC（磷脂酶C）途径：自学,2.受体-G蛋白-PLC（磷脂酶C）途径：自学,磷脂酶C催化PIP2水解生成DAG和IP3 “双信使系统” 激活蛋白激酶C（PKC）或通过内质网释放钙起作用,（三） G蛋白偶联受体的信号转导特点,效应出现较慢（多级酶催化） 反应较灵敏（生物放大效应） 作用较广泛 配体较多 受体分布广泛 效应器酶、第二信使的多样性 第二信使在胞浆扩散 效应器较多,cAMP -蛋白激酶A信号的级联放大,酶偶联受体既有受体作用又有酶作用的膜蛋白质。 一种跨膜蛋白，但每个受体分子只有1次穿膜,也称为单次跨膜受体。,3.酶偶联受体介导的信号转导,较重要的有: 酪氨酸激酶受体（TKR） 酪氨酸激酶结合型受体 鸟苷酸环化酶受体,1. 酪氨酸激酶受体(tyrosine-kinase receptor, TKR),配体：大部分生长因子和一部分肽类激素（如胰岛素、干扰素、白细胞介素、生长激素、催乳素等）。,生长因子、胰岛素,与受体酪氨酸激酶结合,细胞内生物效应,膜外N端：识别、结合第一信使 膜内C端：具有酪氨酸激酶活性,2.鸟苷酸环化酶受体（guanylyl cyclase receptor）,配体：心房钠尿肽（ANP，心钠素、心房利尿因子） 、脑钠尿肽（BNP）、NO受体等。,位于平滑肌胞质中的NO的鸟苷酸环化酶受体,1998年R.Furchgott等三位美国科学家因对NO信号转导机制的研究而获诺贝尔生理学或医学奖。,硝酸甘油治疗心绞痛： 硝酸甘油NO结合可溶性鸟苷酸环化酶（GC）三磷酸鸟苷（GTP）转变成cGMP激活PKG舒张血管，增加血流量.,略,4.细胞内受体介导的信号转导,作用特点：作用时间较缓慢，也存在非基因调控的快速效应机制,配体：类固醇激素、甲状腺素、维甲酸类、维生素D,作用机制：基因表达学说,胞内转录因子型受体结构示意图,转录激活域,核转位及DNA结合域,激素结合域,COOH,事实上，细胞中的信号转导途径比我们想象的复杂得多,三种膜受体的特点,小结,