1、第0章 預備知識PART 細胞信號傳導1細胞信號傳導 現(xiàn)代科學認為,世界是由物質(zhì)、能量、信息三大要素構(gòu)成。 生物細胞具有極其復雜的生命活動,是一個開放系統(tǒng),必須與外界進行物質(zhì)、能量和信息的交換。 信息交流一般要通過其物質(zhì)折射出了形式信號折射出了出來,甚至轉(zhuǎn)化或編碼為某種符號加以傳輸。2一、概述細胞信號的主要種類1.生物大分子的結(jié)構(gòu)信息 蛋白質(zhì)、核酸、多糖的序列和三維結(jié)構(gòu)中包含的信息2.物理信號 主要是電信號3.化學信號 生物體內(nèi)最主要的信號。廣義狹義3（一）細胞信號傳導的一般過程1、啟動 配體與受體結(jié)合，啟動膜內(nèi)側(cè)級聯(lián)反應，將信號傳給第二信使分子。2、放大和整合 多種信使分子通過不同通路激活一

2、系列蛋白激酶傳導信息，實現(xiàn)信號的放大與整合。3、效應 信號分子或轉(zhuǎn)錄因子進入細胞核，與基因相互作用，調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成或細胞分泌、運動、形態(tài)變化和凋亡。4、終止 通過負反饋途徑，活化抑制因子或滅活因子，終止信號的啟動作用。第二信使蛋白激酶酶蛋白DNAmRNA轉(zhuǎn)錄因子細胞生理功能的調(diào)節(jié)4激酶(kinase)：使底物蛋白質(zhì)氨基酸殘基（Ser, Thr, Tyr）磷酸化,從而使其活化磷酸酶(phosphatase)：底物去磷酸化蛋白酶：使蛋白質(zhì)肽鍵斷裂,蛋白質(zhì)水解為短肽或氨基酸酯酶：使底物酯鍵斷裂5（二）細胞信號傳導方式內(nèi)分泌信號 由內(nèi)分泌細胞分泌化學信號分子到血液中,通過血液循環(huán)運送到體內(nèi)各個部位,作

3、用于靶細胞。旁分泌信號 信號細胞分泌局部化學介質(zhì)到細胞外液中,作用于環(huán)境中鄰近的靶細胞。旁分泌的信號分子擴散不太遠,只能影響周圍近鄰細胞,很快被近鄰細胞所獲取和破壞。自分泌信號 細胞對其自身分泌的物質(zhì)起反響。細胞間接觸性依賴通訊 無化學信號分子的釋放,而是通過與質(zhì)膜結(jié)合的信號分子與其相接觸的靶細胞質(zhì)膜上的受體分子結(jié)合,通過化學突觸傳遞神經(jīng)信號6（三）信號類型細胞間的化學信號根據(jù)其溶解性一般可分為親脂性和親水性兩類： 1.親脂性信號分子（第一信使） 親脂性小分子的主要代表是甾類激素和甲狀腺素,它們相對不溶于水,在血液轉(zhuǎn)運中與特殊的載體蛋白結(jié)合。這類分子從血液中載體蛋白釋放出來,很容易穿過靶細胞的

4、質(zhì)膜進入細胞,與細胞質(zhì)或細胞核中的受體結(jié)合形成激素（配體）-受體復合物,調(diào)節(jié)基因表達,并影響特殊組織的的生長與分化。 72.親水性化學信號分子與第二信使 包括神經(jīng)遞質(zhì)、蛋白激素、生長因子等。他們作為第一信使,只能通過與靶細胞外表受體結(jié)合,再經(jīng)信號轉(zhuǎn)換機制,在細胞內(nèi)產(chǎn)生第二信使（或激活蛋白激酶或蛋白磷酸酶活性）,最后產(chǎn)生一定的生理效應,第二信使的降解使其信號作用終止。因此,第一信使與受體作用后,在胞內(nèi)最早產(chǎn)生的信號分子稱為第二信使。 第二信使有：環(huán)化腺苷酸（cAMP）、環(huán)化鳥苷酸（cGMP）、三磷酸肌醇（IP3）、二?；视停―G）等。例如,腎上腺素不能直接使胞內(nèi)的糖原分解,而是首先作用于細胞外

5、表受體,通過產(chǎn)生cAMP后,再經(jīng)過一定的反響分解糖原。83.氣體性信號分子 NO是迄今在體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的唯一的氣體性信號分子,具脂溶性,可快速擴散透過細胞膜,到達靶細胞發(fā)揮作用。血管內(nèi)皮細胞和神經(jīng)細胞是NO的生成細胞, NO的生成需要一氧化氮合酶（NOS）,合成后能快速進入細胞直接激活效應酶,參與體內(nèi)眾多的生理、病理過程。 NOS的活性依賴于胞內(nèi)Ca2+濃度,因此任何使細胞內(nèi)Ca2+濃度增加的因素都可能增強NOS的活性,并通過NO調(diào)節(jié)細胞內(nèi)代謝。9NO以氣體形式從血管內(nèi)皮細胞擴散到其周圍細胞,并穿過質(zhì)膜作用于靶細胞。10（四）信號分子具有的特異性(1)每種信號分子都有特定的靶細胞,這種特異性是由信號

6、分子與靶細胞中的受體共同決定的,例如垂體促甲狀腺激素只能作用于甲狀腺細胞。(2)信號分子本身既不具有酶的活性也不能直接激活基因表達,它通過激活靶細胞中的受體來發(fā)揮作用。(3)許多信號分子是以非常低的濃度,并以非常高的親和力與其互補的受體相結(jié)合。 在發(fā)育成熟的動物中,大多數(shù)的細胞特化,以便完成一種主要的功能。它們通過胞內(nèi)或細胞質(zhì)膜分布的特定受體,保證細胞僅對那些啟動或調(diào)節(jié)細胞特有功能的信號分子做出反響。11受體與配體（receptor and ligand）概念受體 識別自己特異的信號物質(zhì)配體 將信號轉(zhuǎn)變?yōu)榘麅?nèi)的反響信號轉(zhuǎn)導（signal transduction）配體 一些信號物質(zhì),除了與受體

7、結(jié)合外, 本身無其他功能。本身不參加代謝產(chǎn)生有用產(chǎn)物,不直接誘導任何細胞活性,更無酶的活性。12二、細胞中信號分子的受體 受體是細胞或亞細胞組分中的一種天然分子,可以識別并特異性地與有生物活性的化學信號物質(zhì)（配體）結(jié)合。通過信號轉(zhuǎn)導作用將包外信號轉(zhuǎn)換為胞內(nèi)化學或物理的信號,從而激活或啟動一系列生物化學反響,最后導致該信號物質(zhì)特定的生物學效應。（一）受體類型 受體可分為細胞內(nèi)受體和細胞外表受體,二者通過不同的機制介導不同的信號傳遞通路。13（二）受體的功能受體具有兩個功能： 一是識別自己特異的信號物質(zhì)配體（表現(xiàn)在于兩者的結(jié)合）。 二是將識別和接受的信號準確無誤地放大,并傳遞到細胞內(nèi)部,啟動一系列

8、胞內(nèi)生化反響,最后導致特定的細胞反響。 因此要使胞間信號轉(zhuǎn)換為胞內(nèi)信號, 受體的兩個功能缺一不可。14細胞信號分子或者與細胞外表受體結(jié)合或者與細胞內(nèi)受體結(jié)合細胞外表受體 親水性信號分子小的親脂性 信號分子 載體蛋白 胞內(nèi)受體細胞內(nèi)受體細胞外表受體可穿過細胞膜進入細胞,與細胞質(zhì)或細胞核中受體結(jié)合形成激素-受體復合物調(diào)節(jié)基因表達。作為第一信使,只能通過與靶細胞外表受體結(jié)合,再經(jīng)信號轉(zhuǎn)換機制,在細胞內(nèi)產(chǎn)生第二信使,產(chǎn)生一定的生理效應。15三、信號傳遞（一）信號傳遞類型1.通過細胞內(nèi)受體介導的信號傳遞 與胞內(nèi)受體結(jié)合的信號分子首先要穿過細胞膜進入胞內(nèi),所以他們通常是小的疏水分子,主要種類有甾類激素、甲

9、狀腺激素、維甲酸、維生素D,它們在化學結(jié)構(gòu)上和功能上都有很大差異,然而它們都以相似的機制發(fā)揮作用,即直接穿過靶細胞膜并結(jié)合到胞內(nèi)受體蛋白上,形成配體受體復合物,將受體激活,然后直接調(diào)控特定基因的轉(zhuǎn)錄。 16 初級反響激素 激素受體活化受體激活初級反響基因 誘導合成 幾種蛋白質(zhì) 次級反響次級反響蛋白質(zhì) 初級合成蛋白質(zhì)關(guān)閉初級反響基因 次級反響蛋白質(zhì) 啟動次級反響基因 果蠅細胞中蛻皮激素誘導基因活化的初級反響與次級反響模型172.通過細胞外表受體介導的信號跨膜傳遞 親水性化學信號分子,包括神經(jīng)遞質(zhì)、激素蛋白、生長因子一般不能直接進入細胞,而是通過與靶細胞外表特定受體蛋白結(jié)合,對細胞產(chǎn)生影響。這些細

10、胞外表受體蛋白,作為信號的轉(zhuǎn)導因子,能以高親和力與信號配體結(jié)合,并將這種胞外作用轉(zhuǎn)化成一種或多種胞內(nèi)信號。根據(jù)信號轉(zhuǎn)導機制和受體蛋白的性質(zhì),通過細胞外表受體介導的信號跨膜傳遞主要分三種類型： 18離子通道偶聯(lián)受體G-蛋白偶聯(lián)受體與酶偶聯(lián)受體三種類型的細胞外表受體 是由多亞基組成的受體-離子通道復合體,本身既有信號結(jié)合位點,又是離子通道,其跨膜信號轉(zhuǎn)導無需中間步驟。 是指配體-受體復合物與靶蛋白（酶或離子通道）的作用要通過G蛋白的偶聯(lián),在細胞內(nèi)產(chǎn)生第二信使,從而將胞外信號跨膜傳遞到胞內(nèi)影響細胞的行為。 通常與酶連接的細胞外表受體又稱催化性受體,都為跨膜蛋白。當胞外配體與受體結(jié)合即激活受體胞內(nèi)段的

11、酶活性。19 離子通道偶聯(lián)的受體 是由多亞基組成的受體-離子通道復合體,本身既有信號結(jié)合位點,又是離子通道,其跨膜信號轉(zhuǎn)導無需中間步驟。主要存在于神經(jīng)細胞或其他可興奮細胞間的突觸信號傳遞。當少量神經(jīng)遞質(zhì)與受體結(jié)合時,改變通道蛋白的構(gòu)象,瞬間導致離子通道的開啟或關(guān)閉,改變質(zhì)膜的離子通透性,最終使突觸后細胞興奮性發(fā)生變化。分別有乙酰膽堿門Na+和Ca2+通道,以及-氨基丁酸門Cl-通道。20 G蛋白偶聯(lián)受體介導的細胞信號傳導 1971年,Rodbell發(fā)現(xiàn)胰高血糖素激活大鼠cAMP需要GTP存在,提出受體與效應器之間應存在一個轉(zhuǎn)換器。1977年,Ross和Gilman證實此轉(zhuǎn)換器為G蛋白。1980

12、年,Gilman和他的同事純化了Gs蛋白。此后十多年,G蛋白及其偶聯(lián)受體以及其介導的信號轉(zhuǎn)導通路迅速開展。Rodbell和Gilman獲得1994年諾貝爾醫(yī)學和生理學獎。21The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1994“for their discoveries of G-proteins and the role of these proteins in signal transduction in cells22 G蛋白偶聯(lián)的受體是指配體-受體復合物與靶蛋白（酶或離子通道）的作用要通過G蛋白的偶聯(lián),在細胞內(nèi)產(chǎn)生第二信使,從而將胞外信號跨膜傳遞

13、到胞內(nèi)影響細胞的行為。 G蛋白是異三聚體GTP結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白的簡稱,由、三個亞基組成。其中亞基具有GTPase活性。 G蛋白是一個有很多成員的蛋白家族,各種G蛋白差異主要在亞基上。至2001年,已確定23種G,5種G和10種G ,可以有上千種組合。23 G蛋白偶聯(lián)的受體是細胞外表有單條多肽鏈7次跨膜形成的受體,N端在胞外,C端在胞內(nèi),受體的氨基酸序列含有7個疏水殘基肽段,形成7次跨膜螺旋。2425G蛋白介導的跨膜信號轉(zhuǎn)導模型26 G蛋白偶聯(lián)的受體,根據(jù)產(chǎn)生的第二信使的不同,又可分為環(huán)化腺苷酸(cAMP)信號通路和磷脂酰肌醇信號通路。27環(huán)化腺苷酸(cAMP)信號通路 這一信號通路的首要效應酶是腺

14、苷酸環(huán)化酶,通過腺苷酸環(huán)化酶調(diào)節(jié)胞內(nèi)cAMP的水平,進而激活靶酶（蛋白激酶A)并開啟基因表達。 該信號途徑涉及的反響鏈可表示為： 激素 G蛋白偶聯(lián)受體 G蛋白 腺苷酸環(huán)化酶 cAMP cAMP依賴的蛋白激酶A 基因調(diào)控蛋白 基因轉(zhuǎn)錄。 28 Gs調(diào)節(jié)作用圖解腺苷酸環(huán)化酶受體蛋白激素2930磷脂酰肌醇信號通路 通過G蛋白偶聯(lián)的受體介導的另一條信號通路。 這一通路的首要效應酶是磷脂酶C(PLC),通過激活質(zhì)膜上的PLC,使二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)水解成三磷酸肌醇(IP3)和二?；视?DG)兩個第二信使。使胞外信號轉(zhuǎn)換為胞內(nèi)信號。IP3發(fā)動細胞內(nèi)源鈣到細胞溶質(zhì),使胞內(nèi)Ca2+濃度升高；DG激活

15、蛋白激酶C(PKC),活化的PKC進一步使底物蛋白磷酸化,并可活化Na+/H+交換引起細胞內(nèi)pH升高。該信號通路的最大特點是胞外信號被膜受體接受后,同時產(chǎn)生兩個胞內(nèi)信使,分別啟動兩個信號傳遞途徑即IP3-Ca2+和DG-PKC途徑,實現(xiàn)細胞對外界信號的應答。該信號系統(tǒng)也稱為雙信使系統(tǒng)。31 IP3是一種水溶性分子,其主要作用是將儲存在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的Ca2+轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì)基質(zhì)中,使胞質(zhì)中游離Ca2+濃度提高。信號的終止是通過去磷酸化形成自由的肌醇。 二?；视?DG)作為第二信使可活化與質(zhì)膜結(jié)合的蛋白激酶C(PKC)。 PKC是鈣和磷脂酰絲氨酸依賴性酶,具有廣泛的作用底物,參與眾多生理過程,既涉及許多

16、細胞“短期生理效應如細胞分泌、肌肉收縮等,又涉及細胞增殖、分化等“長期生理效應。 DG可被DG激酶磷酸化為磷脂酸或被DG酯酶水解成酯酰甘油兩種途徑而終止其信使作用。32激素與受體結(jié)合活化G蛋白,G蛋白活化磷脂酶C,磷脂酶C使4,5-二磷酸磷脂酰肌醇斷裂成1,4,5三磷酸肌醇和二?；视? IP3通過細胞溶質(zhì)擴散,結(jié)合并翻開內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上Ca2+通道,引起Ca2+從鈣庫中釋放到細胞溶質(zhì)中,通過鈣調(diào)節(jié)蛋白引起細胞反響；DG與Ca2+活化PKC,PKC磷酸化蛋白引起細胞反響。胞外信號分子激活的磷脂酶C激活的蛋白激酶C 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)二?；视停―G)磷脂酰肌醇信號通路圖解4,5-二磷酸磷脂酰肌醇33 與酶連接的受

17、體 通常與酶連接的細胞外表受體又稱催化性受體,都為跨膜蛋白。當胞外配體與受體結(jié)合即激活受體胞內(nèi)段的酶活性。此受體至少包括：酪氨酸激酶受體、絲氨酸/蘇氨酸激酶受體、酪氨酸磷酸酯酶受體、鳥苷酸環(huán)化酶受體和酪氨酸蛋白激酶聯(lián)系的受體5類。 34 其中,酪氨酸激酶(RTKs)受體是細胞外表一大類重要受體家族,受體酪氨酸激酶的多肽鏈只跨膜一次,胞外區(qū)是結(jié)合配體結(jié)構(gòu)域,胞內(nèi)區(qū)肽段是受體酪氨酸蛋白激酶催化部位,配體（如外表生長因子,EGF）的結(jié)合使單個受體的胞外局部構(gòu)象發(fā)生變化而聚合成二聚體,導致受體胞內(nèi)區(qū)域互相靠近,并互相磷酸化受體胞內(nèi)區(qū)域的酪氨酸殘基。這條信號通路的特點是不需要信號偶聯(lián)蛋白,而是通過受體本身的酪氨酸蛋白激酶的激活來完成信號跨膜轉(zhuǎn)導,