-信号转导课件

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细胞信号转导（cellsignaltransduction)

1主要内容受体信号转导系统及其特性细胞内受体介导的信号转导G蛋白耦联受体介导的信号转导--以cAMP为第二信使的信号通路--磷脂酰肌醇双信使信号通路--G蛋白耦连受体介导离子通道的调控酶联受体介导的信号转导--受体酪氨酸激酶E及PTK-Ras蛋白信号通路--细胞表面其它酶联受体--细胞表面整联蛋白介导的信号转导信号的整合与控制

2细胞通讯（cellcommunication）指一个细胞发出的信息经过介质（又称配体）传递到另一个细胞并与靶细胞相应的受体相互作用，然后经细胞信号转导产生胞内一系列生理生化反应，最终表现为细胞整体生物学效应的过程。可见细胞信号转导是细胞间实现通讯的关键过程，它对于多细胞生物间功能的协调、控制细胞的生长和分裂，组织发生与形态建成是必需的。

3配体信号分子（signalmolecule）：1种细胞释放一种物质传给靶细胞发挥作用，这种物质称为信号分子，它是细胞的信息载体。化学信号可分为：亲脂性信号分子--甾体激素（steroidhormone）、甲状腺素，可直接穿膜进入靶细胞，与胞内受体结合形成激素受体复合物，调节基因表达；亲水性信号分子--神经递质、局部介质，大多数肽类激素等，不能穿过靶细胞膜，只能通过与膜受体结合，经膜上信号转换机制实现信息传递，这类信号分子又称第一信使气体信号分子：NO物理信号：光，声

4受体受体(receptor):是一种能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子，多为糖蛋白，少数为糖脂。一般至少包括2个功能区，配体结合区域和效应区，与配体结合后经信号转导，可将生物活性分子产生的效应传至效应器，引发相应的生物学效应。根据靶细胞上受体存在部位，可分为；细胞内受体（核受体)：为胞外亲脂性信号分子所激活；细胞表面受体：为胞外亲水性信号分子所激活；细胞表面受体分属三大家族：离子通道偶联受体，G-蛋白偶联受体，酶联受体受体功能：识别和结合功能；传递信息功能。

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61.细胞内受体介导的信号通路1.1细胞内核受体及其对基因表达的调节细胞内受体超家族本质是依赖激素激活的基因调控蛋白。结构特点:一般都含3个功能结构域：位于C端的结构域为激素结合位点；中部是DNA或Hsp90的结合位点；N端是转录激活结构域。

7核受体的结构配体结合区(ligandbindingdomain,LBD)DNA结合区(DNAbindingdomain,DBD)两锌指结构转录激活区(transcriptionalactivationdomain,TAD)NH3+转录调节DNA结合配体结合HSP结合COO-HBDTADDBDLBDA/BCDEFAF1AF2

81.2核受体家族（nuclearreceptorsuperfamily）1.2.1甾体激素受体家族（steroidhormonereceptor，SRorSHR）糖皮质激素受体(glucocorticoidreceptor,GR，)盐皮质激素受体(mineralocorticoidreceptor,MR)雌激素受体(estrogenreceptor,ER，)孕激素受体(progesteronereceptorPRA，B)雄激素受体(androgenreceptor,ARA,B)

91.2.2非甾体激素受体：甲状腺激素受体(thyroidhormonereceptor,TR，)1,25(OH)2维生素D3受体(vitamineD3receptor,VDR)维甲酸受体(retinoidacidreceptor,RAR，，)配体为全反式维甲酸维甲类X受体(retinoidXreceptor,RXR)，，配体为9-顺式维甲酸RXR可与多种非甾体激素的核受体形成异二聚体，调节基因表达。

101.2.3其他核受体过氧化物酶体增殖因子激活受体(peroxisomeproliferator–activatedreceptor,PPAR),,肝X受体(liverXreceptor,LXR),法尼醇X受体(farnesoidXrecptor,FXR)孕甾烷X受体(pregnaneXreceptor,PXR/SXR)组成型雄甾烷受体(constitutiveandrostanereceptor,CAR)

11它们的配体为多种脂质代谢产物（如脂肪酸、胆汁酸、氧类固醇等）和外源性化合物和药物。这类核受体与其配体结合后能调节参与脂质代谢和药物代谢酶系的表达，并参与脂质和糖代谢的调控。是代谢综合征（胰岛素抵抗、高血压、高血脂和糖耐量降低）治疗潜在的靶点。PPARs的激动剂贝丁酸类降脂药(fibrate)和噻唑烷二酮降糖药（thiazolidinedione,TZD）均已被临床证实有改善代谢综合征的作用。

121.2.4孤儿核受体(orphanreceptor)SF-1,LRH-1,DAX-1，SHP,TLX,PNR，NGFI-B,,,ROR,,,ERR,,,RVR,,，GCNF，TR-2,4,HNF-4,COUP-TF,,.

131.3核受体与基因表达胞内受体与抑制性蛋白（如Hsp90）结合，受体处于失活状态，当与配体（激素）结合后，导致受体构象改变，使抑制蛋白解离，受体DNA结合位点暴露（受体被激活），调节基因表达。类固醇激素，视黄酸，VD，甲状腺素的受体细胞在细胞核内，这类信号分子与特异性核受体形成激素-受体复合物后，与基因特殊调节区又称激素反应元件（HRE)结合，影响基因转录。甾体激素诱导的基因活化分为两个阶段：初级反应，发生迅速，直接活化少数特殊基因转录；次级阶段：初级反应产物再活化其他基因产生延迟的放大作用。

141.3气体信号分子NO靶细胞内具有鸟甘酸环化酶（G-cyclase,GC)活性的受体的激活是NO发挥作用的主要机制：1.进入平滑肌使GC活性升高；2.GC催化GTP,使cGMP合成增加；3.cGMP作为新的信号分子介导蛋白质的磷酸化，进一步引发血管平滑肌舒张等生理效应。用硝酸甘油可治疗心绞痛患者是由于其在体内转化为NO,可舒张血管，从而减轻心脏负荷和心肌的需氧量。大脑海马某些区域在收到重复刺激后可产生一种持续增强的突触效应，称长时程增强（long-termpotentiation，LTP），是学习和记忆的分子基础，NO是LTP的逆行信使，使突触前神经元释放神经递质作用于突触后膜及突触后神经元，将信息反馈到突触前膜。

15细胞表面受体介导的信号途径的步骤：细胞通过特异性识别胞外信号分子胞外信号（第一信使）通过适当的分子开关机制实现跨膜信号转导，产生细胞内第二信使或活化的蛋白信号通过胞内级联反应实现信号放大作用，并最终导致细胞活性改变由于信号分子失活，细胞反应终止或下调。受体通过细胞内受体蛋白的相互作用组成不同的信号通路而传播信号，细胞内信号蛋白的相互作用是靠蛋白质模式结构域所特异性介导的。

162.G蛋白偶联受体介导的信号转导2.1G蛋白偶联受体的结构与激活G蛋白偶联受体是指配体-受体复合物与靶细胞（效应酶或通道蛋白）的作用要通过与G蛋白的偶联，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内影响细胞的行为。G蛋白偶联受体(G－protein－coupledrecep-tors，GPCRs)是与G蛋白相连接的最大膜受体家族，能够被不同的配体所激活，如激素、多肽等。GPCRs与配体结合后能激活细胞内的G蛋白，通过不同的信号转导通路产生不同的生物学效应。研究GPCRs信号通路主要聚焦于负调节因子，即G蛋白偶联受体激酶(G－protein－coupledreceptorskinases，GRKs)。

17GRKs主要通过2个途径在信号转导中发挥作用，一个是依赖G蛋白的经典途径如GRK2和GRK3，另一个是不依赖G蛋白的途径如GRK5和GRK6。同时，GRK2和GRK3能够减弱GRK5和GRK6介导的ERK信号转导,这说明GRKs的亚家族能够在同一水平产生竞争作用，这不仅有助于在受体脱敏和信号转导之间维持平衡，而且能够协调胞外刺激诱发的不同信号途径。在没有激活剂存在的情况下，GPCRs能够自动地异构化成激活的结构，这显示GRKs可能也参与GPCR基础活动的调节。

18G蛋白是一个超级家族(GTP-bindingproteinssuperfamily)，包括膜受体偶联的异源三聚体G蛋白(HeterotrimericGTPbindingprotein)和小G蛋白。异源三聚体G蛋白，分子量大(100kD左右)，是受鸟嘌呤核苷酸调控的超级家族的信号传导分子；小G蛋白，分子量小(20-30kD)，为单体，可能与传导无直接联系。目前已把G蛋白的结构、氨基酸序列及其进化相似性与功能等结合起来作为分类依据。已分离鉴定的G蛋白有4个主要类型，至少有21种不同的α亚基，5种β亚基和8种γ亚基。

19G蛋白结构由单条多肽7次跨膜形成的受体，也称7次跨膜受体7TM胞外结构域识别结合信号分子，胞内结构域与G蛋白偶联。膜内外侧均有3个连接袢，氨基端的外侧链在胞外，羧基端的内侧链在胞内。氨基酸组成差异比较大，与识别配体和信号转导有关G蛋白结合区位于胞浆侧，与受体偶联的G蛋白由α、β、γ等3个亚单位组成，其中α决定G蛋白的专一性，它具有GTPase活性，是分子开关蛋白。

20配体与受体结合，受体激活特异的G蛋白，催化α亚基结合的鸟苷二磷酸(GDP)转变为鸟苷三磷酸(GTP)，从而α亚基构象改变，降低α亚基和βγ亚基的亲和力，使三聚体分离为Gα(GTP)和Gβγ。解离的Gα(GTP)处于活化的开启态，和Gβγ通过直接调控下游各自的效应器将信号传到细胞核中；当Gα亚基与GDP结合时，处于失活的关闭态，再结合Gβγ，抑制信号传导。

212.2G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路以cAMP为第二信使的信号通路；以IP3和DAG为双信使的磷脂酰肌醇信号通路；G蛋白偶联离子通道的信号通路

22受体GsGi腺苷酸环化酶cAMPPKA靶蛋白磷酸化磷酸化CREB靶基因转录CRE信号分子与受体结合通过G蛋白活化腺甘酸环化酶AC，导致细胞内cAMP浓度升高，激活蛋白激酶A(PKA），被激活的蛋白激酶A(催化亚单位）转位进入细胞核，使基因调控蛋白（cAMP应答元件结合蛋白，CREB)磷酸化，磷酸化的基因调控蛋白与靶基因调控序列结合，增强靶基因的表达。α受体，M受体2.2.1以cAMP为第二信使的信号通路

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24环腺苷酸磷酸二酯酶(cAMPphosphodiesterase，PDE)可降解cAMP生成5’-AMP，起终止信号的作用

25蛋白激酶A由两个催化亚基C和两个调节亚基R组成，在没有cAMP时，以钝化复合体形式存在。cAMP与调节亚基结合，改变调节亚基构象，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基，从而被激活。每个R亚基上具有2个cAMP结合位点。活化的蛋白激酶A催化亚基可使细胞内某些蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，于是改变这些蛋白的活性，进一步影响到相关基因的表达。通过激素引发的某些抑制物的解离导致酶的迅速活化石各种信号通路的普遍特征。

26腺苷酸环化酶相对分子量为150KD的糖蛋白，跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP

27信号分子与不同类型的G蛋白偶联型受体结合后所产生的正负调控作用通路组分途径一（正调控）途径二（负调控）受体类型激活型受体（RS)抑制型受体（Ri)G蛋白类型激活型G蛋白（GS)抑制型G蛋白（Gi)腺苷酸环化酶活性激活抑制cAMP水平升高降低PKA活性升高降低例子肾上腺素β受体肾上腺素α受体激活型激素与相应激活型受体结合，偶联激活型G蛋白，激活腺苷酸环化酶活性，提高靶细胞cAMP水平。

28霍乱病人严重腹泻，原因是霍乱毒素催化GSα亚基ADP-核糖基化，使α亚基丧失GTP酶的活性并处于持续活化状态，导致细胞大量Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。百日咳毒素催化Giα亚基ADP-核糖基化，结果防止与Giα结合的GDP的释放，使Giα亚基被“锁定”在非活化状态，失活导致气管上皮细胞内cAMP水平升高，促使液体、电解质，粘液分泌降低。

292.2.2磷脂酰肌醇双信使信号通路胞外信号分子与7次跨膜受体结合活化G蛋白（Gq),Gq活化磷脂酶C(PLC),PLC使PIP2水解成1,4,5-三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG）两个第二信使。IP3通过细胞质基质扩散，结合并打开内质网膜上IP3敏感的Ca+通道，Ca+进入细胞质与钙调蛋白结合激活相关激酶；而DAG与Ca+协同作用激活PKC，PKC是Ca+和磷脂酰丝氨酸依赖性激酶，使靶蛋白的丝、苏氨酸残基磷酸化。

30α2受体M受体α1受体AngII受体GiGqPLCβPIP2IP3DAGCa2＋释放PKC靶基因转录靶蛋白磷酸化PLC信号转导途径使不同的细胞产生不同的反应，如细胞分泌、肌肉收缩、细胞增殖和分化等

31IP3是水溶性小分子物质，可在胞质中快速扩散。可打开内质网膜上IP3-Ca+通道，将储存在内质网中的Ca+转移到细胞质基质中，使胞质中游离Ca+浓度升高；将本身游离在细胞质基质中的PKC转位到细胞质膜上。

32钙调蛋白（CaM）是一种钙结合蛋白，是真核细胞普遍存在的Ca+应答蛋白，有4个结构域，可结合4个Ca+，CaM本身无活性，只有与Ca+结合形成Ca+-CaM复合体后才能活化多种靶酶。内质网膜上有两类Ca+通道：IP3受体即IP3-门控Ca+通道；Ryamodine受体（RyRs）：主要存在于可兴奋细胞（如骨骼肌细胞），咖啡因的主要作用之一就是降低RyRs对Ca+的敏感性，因而增加这些离子通道通过钙诱导的钙释放（CICR)机制开通的可能性，使细胞更易兴奋。

33磷脂酰肌醇信号通路的终止IP3：通过去磷酸化形成IP2或磷酸化形成IP4Ca+:被质膜上的钙泵和Na+-Ca+交换泵出细胞，或被内质网膜上的钙泵泵回内质网储存DAG：一种是被DAG激酶磷酸化形成磷脂酸，进入磷脂酰肌醇循环；一种是被DAG脂酶水解成单脂酰甘油

342.2.3G蛋白偶联受体介导的离子通道离子通道偶联受体本身既有信号结合位点，又是离子通道，其跨膜信号转导不需中间步骤，又称配体门离子通道或递质门离子通道。化学信号（配体）通过与受体选择性结合改变受体通道蛋白的构象，调控通道开关，激活的通道对离子的运输也有特异性，从而改变质膜通透性，将胞外化学信号转为电信号。eg：神经冲动（电信号）导致电压门控Ca+通道开启，Ca+内流导致神经递质小泡分泌，突触前膜释放的神经递质结合开启突触后细胞质膜上的递质门离子通道，结果导致突触后细胞质膜粒子流改变，从而将化学信号转换为电信号。

35配体门控离子通道类型神经递质配体门控离子通道（亚单位）效应GABAGABAA(α1-6,β1-4,γ1-4,δ,σ)Cl-电导↑甘氨酸GlyR(α,β)Cl-电导↑谷氨酸/门冬氨酸NMDA(NR1,NR2A-D)AMPA(Glu1-4)KA(Glu5-7,KA1-2)Na+K+Ca2+电导↑Na+K+电导↑Na+K+电导↑乙酰胆碱nAChR(α2-9,β2-4,神经型)AChR(α,β,γ,δ，肌肉型)Na+K+Ca2+电导↑Na+K+Ca2+电导↑5-羟色胺5-HT3Na+K+电导↑ATP和ADPP2xCa2+Na+K+电导↑FMRFamideFaNaChNa+电导↑

36G蛋白偶联的光受体的活化诱发cGMP-门控阳离子通道的关闭人类视网膜含两类光受体:视锥细胞光受体和视杆细胞光受体，视紫红质是视杆细胞Gt蛋白偶联的光受体。高水平的cGMP保持cGMP-门控非选择性阳离子通道的开放，吸收光后产生激活的视蛋白O*;激活的视蛋白与无活性的Gt-GDP结合并介导GDP被GTP置换；Gt三聚体蛋白解离形成游离的Gtα，通过与cGMP磷酸二酯酶（PDE)抑制性r亚基结合导致PDE活化；r亚基与催化性α、β亚基分离；由于抑制解除，cGMP转换成GMP；cGMP水平降低导致GMP-门控阳离子通道关闭，膜瞬间超极化。

37气味分子与G蛋白偶联受体结合，可激活腺苷酸环化酶，产生cAMP,开启cAMP门控阳离子通道，引起Na+内流，膜去极化，产生神经冲动，最终形成嗅觉和味觉。

382.3.酶联受体介导的信号转导通常与酶相连的细胞表面受体又称催化性受体，已知的都是跨膜蛋白，通常即是受体又是酶，当胞外信号(配体）与受体结合即激活受体胞内段的酶活性。可分为：受体酪氨酸激酶(receptortyrosinekinase,RTK)与酪氨酸蛋白激酶（PTK)连接的受体受体酪氨酸磷脂酶受体丝氨酸/苏氨酸激酶(proteinserine/threoninekinasereceptor,RSTK)受体鸟苷酸环化酶组氨酸激酶连接的受体（与细菌的趋化性有关）

392.3.1受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路受体酪氨酸激酶（receptortyrosinekinase,RTK)：又称酪氨酸蛋白激酶受体，可与配体结合并把靶蛋白的酪氨酸残基磷酸化，其对应的配体为可溶性或膜结合的多肽和蛋白类激素，包括胰岛素和多种生长因子。RTK主要功能是控制细胞生长和分化而不是调控细胞的中间代谢。

40RTKs为单次跨膜蛋白，包括6个亚族，有一个细胞外结构域（含配体结合位点）、一个疏水的跨膜α螺旋和一个胞质结构域（包括一个具蛋白酪氨酸激酶活性的催化位点)组成。启动信号转导的过程：配体与受体结合受体二聚化受体的自磷酸化激活RTKs胞内信号蛋白启动信号转导RTK-Ras信号通路：配体RTKs接头蛋白GEF(鸟苷酸交换因子）RasRaf（MAPKKK)MAPKKMAPK进入细胞核其他激酶或基因调控蛋白（转录因子）的磷酸化修饰。

41活化受体TPK(酪氨酸蛋白激酶)结合生长因子后，受体TPK二聚化导致自身磷酸化Grb2SH3SOS吸引到细胞膜Ras-GDP活化Raf(MAPK、K、K)激活MEK(MAPKK)胞浆蛋白磷酸化进入核促进靶基因转录EGF、PDGF等生长因子Ras-GTP(有活性)经Ras蛋白活化丝裂原蛋白激酶受体酪氨酸蛋白激酶途径受体上磷酸化的酪氨酸又与位于胞膜上的生长因子受体结合蛋白2（Grb2）的SH2结构域相结合，而Grb2的SH3结构域则同时与鸟苷酸交换因子SOS结合，后者使小分子鸟苷酸结合蛋白Ras的GDP解离而结合GTP，从而激活Ras

423.3.2细胞表面其他酶联受体1.受体丝/苏氨酸激酶（TGF-β）信号通路：一旦受体被配体结合而活化，则受体的激酶活性就能在细胞质内直接磷酸化并激活特殊类型的转录因子（Smad),进入核内调节基因表达。2.受体酪氨酸磷酸酯酶：是一次跨膜蛋白受体，可使特异的胞内信号蛋白的磷酸酪氨酸残基去磷酸化，其作用是控制磷酸酪氨酸残基寿命，使静止细胞具较低的磷酸酪氨酸残基水平。

433.受体鸟苷酸环化酶：是一次跨膜蛋白受体，可催化GTP生成cGMP.该受体分布于肾、血管平滑肌表面，配体为心房排钠肽（ANP)。当血压升高时，分泌ANP，促使肾细胞排水，排钠，同时血管平滑肌松弛，使血压降低。4.酪氨酸蛋白激酶联系的受体：本身无活性，它的活性依赖于非受体酪氨酸激酶。当受体与配体结合后，通过与之联系的非受体酪氨酸激酶的活化，磷酸化各种靶蛋白的酪氨酸残基，实现信号转导。

443.3.3细胞表面整联蛋白介导的信号转导整联蛋白（ingegrin）：细胞表面的跨膜蛋白，由α、β两个亚基组成二聚体，胞外段具有多个信号结合位点。整联蛋白与胞外配体的相互作用可缠身多种信号，如Ca+释放进入基质，肌醇第二信使的合成，胞内酪氨酸残基的磷酸化等。

45细胞对信号反应表现为发散性和收敛性：收敛体现于各通路激活一个共同的效应器，发散体现于来自相同配体的信号，激活各自不同的效应器，导致多样性细胞的应答。细胞信号传递特征：具收敛或发散的特点细胞的信号转导既具有专一性又有作用机制的相似性；信号的放大作用和信号所启动的作用的终止并存；细胞以不同的方式产生对信号的适应，对刺激的反应逐渐降低；降低受体数量，钝化受体；受体被激活，但下游蛋白产生适应性变化。