细胞的跨膜信号转导

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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（,IP,3,）,无机物：,Ca,2+,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,Mg,2+,或,Mn,2+,的存在下，催化,ATP,生成,cAMP,。,cAMP,的产生,cAMP,、,cGMP,、,DAG,、,IP,3,、,Ca,2+,PKA,PKG,CaM,Ca,2+,/CaM-PK,Ca,2+,PKC,底物,(,酶,),磷酸,化,调节,底物,(,酶,),的活性。,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,糖原合酶,糖原磷酸化酶,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。,G,蛋白,1,2,3,4,5,6,7,配体包括,肾上腺素,、组胺、,5-,羟色胺等生物胺，血管紧张素、促甲状腺激素等多肽和蛋白类激素、,乙酰胆碱,、嗅觉物质、视紫红质等,100,多种。,2. G,蛋白偶联受体介导的信号转导,（一）参与转导的信号分子,（二）主要的,G,蛋白偶联受体信号转导途径,（三）,G,蛋白偶联受体的信号转导特点,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,GDP-,GTP-,+,（失活型）,（激活型）,GTP,酶,“,分子开关”,失活型,G,蛋白,激活型,G,蛋白,蛋白循环,G,种类,效应分子,细胞内信使,靶分子,a,s,AC,活化,cAMP,PKA,活性,a,i,AC,活化,cAMP,PKA,活性,a,q,PLC,活化,Ca,2+,、,IP,3,、,DAG,PKC,活化,a,t,cGMP-PDE,活性,cGMP,Na,+,通道关闭,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,3,G,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,A,2,（,phospholipase A,2,）,(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,IP,3,（三磷酸肌醇）,cGMP,（环磷鸟苷）,Ca,2+,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,cAMP,PPi,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,效应器酶,G,蛋白,第一信使,第二信使,蛋白激酶,或通道,GDP,GTP,GTP,G,蛋白,细胞,功能,改变,GDP,（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：,运动时，心率 ，心肌收缩力,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,G,s,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,PIP,2,水解生成,DAG,和,IP,3,“,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,2,DG-PKC,途径,1,IP,3,-Ca,2+,途径,（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。,配体,鸟苷酸环化酶,(GC),GTP,cGMP,细胞内生物效应,依赖,cGMP,的蛋白激酶,G,鸟苷酸环化酶受体,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。,Robert F. Furchgott,Louis J. Ignarro,Ferid Murad,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,类固醇激素进入细胞膜,与胞浆受体结合,H-R,复合物,H-R,复合物进入核内,复合物结合,DNA,特定位点,调控基因表达、蛋白合成,细胞内生物效应,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,NH,2,COOH,事实上，细胞中的信号转导途径比我们想象的复杂得多,特性,离子通,道受体,G-,蛋白偶联受体,单次跨膜受体,内源性配体,神经递质,神经递质、激素、趋化因子、外源刺激（味，光）,生长因子,细胞因子,结构,寡聚体形成的孔道,单体,具有或不具有催化活性的单体,跨膜区段数目,4,个,7,个,1,个,功能,离子通道,激活,G,蛋白,激活蛋白酪氨酸激酶,细胞,应答,去极化与超极化,去极化与超极化，,调节蛋白质功能和表达水平,调节蛋白质的功能和表达水平，调节细胞分化和增殖,三种膜受体的特点,小结,