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1、细胞的信号系统,细胞是如何对细胞外信号产生反应的？,反应的结果是什么？,分子基础机制怎样？,目录,返回,前进,首页,退出,返回,前进,上页,首页,目录,退出,一.细胞间通讯,细胞通过分泌化学信号进行相互通讯；细胞间直接接触，通过与质膜结合的信号分子影响其他细胞；细胞间形成缝隙连接使细胞质相互沟通，通过交换小分子来调节代谢反应。,返回,前进,上页,首页,目录,退出,contents,缝隙连接,紧密连接,细胞桥粒(Desmosome),返回,前进,上页,首页,目录,退出,contents,二.细胞间的通讯方式,返回,前进,上页,首页,目录,退出,A.内分泌信号，由特殊的内分泌器官释放激素，通过血液
2、循环运送到体内各个部位，作用于靶细胞。,contents,首页,目录,返回,前进,退出,B.旁分泌(paracrine)信号：信号细胞分泌局部化学介质到细胞外液中，作用于环境中邻近的靶细胞。这种局部化学介质，有时由特殊功能的细胞分泌，如浆细胞分泌组胺除了由特殊细胞分泌的化学信号以外，身体中大多数组织的细胞都可释放局部化学介质，如前列腺素神经细胞传导电脉冲至另一个神经细胞或肌肉细胞也是通过旁分泌信号神经递质实现的细胞因子的作用主要是通过旁分泌实现的一般情况下，局部化学介质在其释放后很快地分解，所以很少进入血液中。,contents,首页,目录,返回,前进,退出,C.自分泌(autocrine)信
3、号，细胞对其自身分泌的物质起反应自分泌信号仅限于病理条件下存在，如一些肿瘤细胞合成和释放生长因子，这些生长因子对正常细胞的生长和分裂是必需的肿瘤细胞释放的生长因子刺激自身，导致肿瘤细胞的增殖失去控制。,contents,三.细胞的化学信号分子,返回,前进,上页,首页,目录,退出,1）旁分泌信使，局部化学介质，包括生长因子。,2）内分泌信使，激素,3）突触信使，神经递质,1.根据功能：,2.根据信号分子性质：,1）亲脂性分子,2）亲水性分子,contents,局部化学介质:,大多数细胞都能分泌一种或数种局部化学介质，它们的特点是不经过血液转运，而是仅在组织液中扩散，作用于周围的靶细胞，因此也称为
4、局部激素。局部化学介质作为信息分子由于是直接扩散作用，故信息传递十分迅速，但这些分子在信息传递完成后会很快降解。神经生长因子(nerve growth factor，NGF）组织胺生长抑素(Somatostatin):1,2前列腺素(prostaglandin):E1,E2,NGF with the trk receptor,contents,激素：,激素一般是由特殊分化的内分泌细胞分泌的化学物质，需通过血液循环而转运，传递信息，调节靶细胞的代谢活动。,含氮化合物类,固醇类：,氨基酸的衍生物：肾上腺素、甲状腺素,肽类和蛋白质类物质：胰岛素(insulin)、甲状旁腺素、垂体激素(FSH,LH
5、T4),肾上腺皮质激素、性激素,contents,信号分子的类型,图解,返回,前进,上页,首页,目录,退出,contents,四.信号分子的受体,细胞对于细胞外特殊信号分子的反应能力依赖于细胞具有特殊的受体。,返回,前进,上页,首页,目录,退出,受体(receptor)是能够与信息分子特异结合的一类特殊蛋白质。能与受体结合的信息分子也称为配体(ligand)。,ligand,receptor,1.受体的概念,contents,受体(receptor)是能够与信息分子特异结合的一类特殊蛋白质。能与受体结合的信息分子也称为配体(ligand)。,ligand,receptor,复习：受体（rece
6、ptor）,能够识别和选择性结合某种配体（信号分子），多为糖蛋白，分子上具有配体结合区域和产生效应的区域。特点：特异性；饱和性；高度的亲和力。,细胞对信号的反应不仅取决于其受体的特异性，而且与细胞的固有特征有关。不同细胞对同一种激素可能具有不同的受体或者2种及以上的受体，相同信号可产生不同效应：如Ach可引起骨骼肌收缩、心肌收缩频率降低，唾腺细胞分泌。不同信号可产生相同效应：如肾上腺素、胰高血糖素，促进肝糖原降解而升高血糖。,类别：细胞内受体和细胞表面受体,细胞信号转导的定义,细胞通过胞膜或胞内受体感受胞外信息的刺激、通过胞内信号转导系统影响其生物学功能的过程。信号转导通路的组成包括胞外信息、
7、受体、信号转导通路、终端。,主要的信号传导途径,膜受体介导的信号传导途径cAMP-蛋白激酶A途径IP3和DAG介导cGMP介导酪氨酸蛋白激酶型受体介导MAPK途径核因子kB依赖的核受体介导的信号传导途径,(1)膜受体,与G蛋白相偶联受体:R7G受体,R7G受体,G蛋白,N 端,C 端,contents,7次跨膜蛋白，胞外结构域识别信号分子，胞内结构域与G蛋白耦联，调节相关酶活性，在胞内产生第二信使。,三聚体GTP结合蛋白，即，G蛋白：组成：，和属脂锚定蛋白。作用：分子开关。亚基结合GDP失活，结合GTP活化。也是GTP酶，催化结合的ATP水解，恢复无活性状态，其GTP酶活性可被GAP增强。,类
8、型：多种神经递质、肽类激素和趋化因子受体，味觉、视觉和嗅觉感受器。相关信号途径：cAMP途径、磷脂酰肌醇途径。,当外界信号分子作用于细胞时，细胞通过某种机制“了解”到外界环境中信号分子的存在，并将外界信号转换为细胞能“感知”的信号（细胞内第二信使等），从而使细胞对外界信号作出相应的反应。这种由细胞外信号转换为细胞内信使的过程叫信号转导（signal transduction）。,返回,前进,上页,首页,目录,退出,contents,（一）cAMP信号途径,细胞外信号与相应受体结合，通过调节细胞内第二信使cAMP的水平而引起细胞反应的信号通路。调节cAMP的水平是通过腺苷酸环化酶进行的。这种对激
9、素敏感的cAMP信号通路是由质膜上的5种成分组成的:,刺激型激素受体（RS）；抑制型激素受体（Ri)；与GTP结合的刺激型调节蛋白(GS)；与GTP结合的抑制型调节蛋白(Gi)；催化成分（C）即腺苷酸环化酶。,返回,前进,上页,首页,目录,退出,contents,1.RS和Ri,刺激型受体,Gs,腺苷酸环化酶活性,胞内的cAMP,肾上腺素(型）受体、后叶加压素受体、胰高血糖素受体、促黄体生长激素受体、促卵泡激素受体、促甲状腺素受体、促肾上腺皮质激素受体以及肠促胰酶素受体等,RS,返回,前进,上页,首页,目录,退出,contents,抑制型受体,Gi,腺苷酸环化酶活性,胞内的cAMP,肾上腺素（
10、2型）受体、阿片肽受体、乙酰胆碱（M）受体和生长激素释放的抑制因子受体等,Ri,返回,前进,上页,首页,目录,退出,contents,激素与受体结合所产生的增强或降低腺苷酸环化酶的活性，不是受体与腺苷酸环化酶直接作用的结果，而是通过两种调节蛋白Gs和Gi完成的。G蛋白使受体和腺苷酸环化酶偶联起来，使细胞外信号转换为细胞内的信号即cAMP第二信使。所以G蛋白也称为偶联蛋白或信号转换蛋白。,2.GS和Gi,返回,前进,上页,首页,目录,退出,contents,GTP-binding regulatory protein,3.Gs的调节作用,GTP 激活 Gi 表现出对腺苷酸环化酶的抑制作用。Gi
11、也具有Gs 相似的GTPGDP周期调节。一般认为Gi 的活化使腺苷酸环化酶的活性抑制。此外，实验证明活化的GS 和活化的Gi 与腺苷酸环化酶的作用是非竞争性的。,4.Gi的调节作用,返回,前进,上页,首页,目录,退出,contents,Gi调节模型通过亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性；通过亚基复合物与游离Gs的亚基结合，阻断Gs的亚基对腺苷酸环化酶的活化。百日咳毒素抑制Gi的活性。,5.腺苷酸环化酶,在Mg2+或Mn2+存在下，腺苷酸环化酶催化ATP生成 3,5-环腺苷酸(cAMP）。作为cAMP信号通路的胞内第二信使的cAMP，在细胞内的浓度(正常状况下 10-6 molL)应该被严
12、格地控制，并且能够对细胞外信号产生快速的应答。例如当刺激型激素存在时，cAMP 水平在 1 秒钟内增加5倍以上。,返回,前进,上页,首页,目录,退出,contents,跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，催化ATP生成cAMP,细胞内另一类型的酶即环核苷酸磷酸二酯酶（PDE）可快速地降解 cAMP 生成5-腺苷酸（5-AMP），使细胞内 cAMP 水平下降。PDE的活性是依赖于 Ca2+和钙调素（CaM），而且细胞内的Ca2+浓度又受其他信号通路调节。,降解cAMP生成5-AMP，终止信号,cAMP信号通路的最后一个化学反应是通过蛋白激酶A完成的，cAMP特异性地活化蛋白激酶A，活化的蛋
13、白激酶A即可使特殊的蛋白磷酸化。cAMP与调节亚基结合，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基，激活蛋白激酶A的活性。,蛋白激酶A：由两个催化亚基和两个调节亚基组成。,返回,前进,上页,首页,目录,退出,contents,不同细胞对cAMP信号途径的反应：在肌肉细胞，1秒钟内可启动糖原降解为葡糖1-磷酸，而抑制糖原合成。在某些分泌细胞，需要几个小时，激活的PKA 进入细胞核，将CRE（cAMP response element）结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。CRE是DNA上的调节区域。,被释放的蛋白激酶 A 的催化亚基转位到细胞核中磷酸化一种称为 CREB 的蛋白（binding pr
14、otein of cAMP-respones element，与cAMP应答元件结合的蛋白）的丝氨酸残基。被磷酸化的CREB作为基因调节蛋白识别靶基因上基因调节序列CRE（cAMP-respones element，cAMP应答元件）并与之结合调节靶基因的表达。,返回,前进,上页,首页,目录,退出,contents,cAMP activate protein kinase A,which phosphorylate CREB（CRE binding protein）protein and initiate gene transcription.CRE is cAMP response elem
15、ent in DNA with a motif 5TGACGTCA3,cAMP信号途径可表示为：激素受体G蛋白腺苷酸环化酶cAMP蛋白激酶A基因调控蛋白基因转录。霍乱毒素能催化ADP核糖基共价结合到Gs的亚基上，使亚基持续活化，导致患者细胞内Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。,NAD,ADP,霍乱毒素,Gsa,ADP,Gsa,活化,失活,cAMP含量增加,严重的腹泻,霍乱毒素使患者出现严重腹泻的机理,细菌毒素对G蛋白的修饰作用,返回,前进,上页,首页,目录,退出,contents,受体本身为离子通道，即配体门通道。主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，信号分子为神经递质。分为：阳离子通道，如
16、乙酰胆碱受体；阴离子通道，如氨基丁酸受体。,受体门控离子通道,contents,Chemical synapse,Acetylcholine receptor,Three conformation of the acetylcholine receptor,Ion-channel linked receptors in neurotransmission,（二）磷脂酰肌醇途径,另一条通过G蛋白偶联的信号通路是通过质膜上的磷脂酰肌醇代谢产生两个第二信使：1，4，5-三磷酸肌醇(1P3)和二酰基甘油(DG)，使细胞外信号转换为细胞内信号。称双信使途径。,1P3,Ca2+,(第三信使),DG,PKC
17、,Na+H+交换,pH值,这两个第二信使分别调节两个不同通路，1P3动员细胞内源钙到细胞溶质，提高了胞内的钙浓度，DG刺激蛋白激酶C(PKC)活性，PKC可以磷酸化底物蛋白，并可活化Na+H+交换引起细胞内pH值升高。细胞外信号就是通过这条肌醇脂信号通路所产生的1P3、DG和Ca2+(也称为第三信使)，引起细胞对外界信号的应答，所以也可称该通路为1P3、DG和Ca2+信号通路。,信号的终止：IP3信号：去磷酸化为IP2；磷酸化为IP4。Ca2+信号：被钙泵和Na+-Ca2+交换器抽出细胞，或被泵回内质网。DAG信号：被DAG激酶磷酸化为磷脂酸；或被DAG酯酶水解成单酯酰甘油。,刺激磷脂酰肌醇代
18、谢的外界信号分子有:神经传递介质如毒蕈碱型乙酰胆碱，1肾上腺素，5-羟色胺和H1-组胺等，某些多肽激素如V1-后叶加压素，血管紧张素II，P物质和促甲状腺素释放因子等，生长因子如血小板生长因子PDGF，T细胞有丝分裂原(植物凝集素和刀豆球蛋白A等)。这些外界信号分子与其相应的细胞表面受体结合，活化磷脂酰肌醇信号通路。,磷脂酰肌醇信号通路的底物是4,5-二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)，它是真核细胞质膜中普遍存在的一种化学成分，它的水解能产生IP3和DG。PIP2是通过两种不同蛋白激酶依次磷酸化磷脂酰肌醇(PI)而形成的。首先PI激酶磷酸化PI成为4-磷酸磷脂酰肌醇(PI4P或PIP)，然后通过第二
19、个激酶磷酸化PIP成为PIP2。,PIP2 Hydrolysis,PLC pathway,IP3开启胞内IP3门控钙通道：Ca2+浓度升高，激活钙调蛋白，CaM将靶蛋白（如CaM-Kinase）活化。DAG激活蛋白激酶C：PKC位于细胞质，Ca2+浓度升高时PKC转位到质膜内表面，被DAG活化。,目前对于钙结合蛋白中的一种称为钙调素(calmodulin，CaM)的蛋白了解得较清楚。钙调素是细胞溶质中含有148个氨基酸的蛋白，广泛分布于真核细胞中，分子量为16.7kDa，由单肽链组成，其中有4个结构域，每个结构域可结合一个钙离子。钙调素本身无活性，当它与Ca2+结合后，引起钙调素构象改变，使之
20、与受体酶结合形成了活化钙调素-酶复合物。因而调节了酶的活性。这个过程在生理条件下是可逆的：,反应方向是受细胞内Ca2+浓度控制。增加细胞内Ca2+浓度，有利于形成活化的CaM物，降低Ca2+浓度，则有利于向解离的方向进行。,钙释放通道,酶,细胞功能,腺苷酸环化酶,合成cAMP,鸟苷酸环化酶,合成cGMP,酶,细胞功能,磷酸化激酶,糖原降解,肌球蛋白轻链激酶,平滑肌收缩运动,钙调素激酶II,神经递质分泌和再合成,钙依赖性磷酸二脂酶,水解cAMP和cGMP,钙依赖性蛋白磷酸酶,Ca2+-ATP酶,钙泵,NAD激酶,合成NADP,转谷氨酰胺酶,分子记忆,各种蛋白的去磷酸化,蛋白质交联,受钙调素调节的
21、酶,其它G蛋白偶联型受体,1化学感受器中的G蛋白气味分子与受体结合，激活腺苷酸环化酶，产生cAMP，开启cAMP门控阳离子通道，引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲动，形成嗅觉或味觉。,Richard Axel,Linda B.Buck,2视觉感受器中的G蛋白,黑暗时视杆细胞中cGMP浓度较高，cGMP门控钠通道开放，钠内流，膜去极化，突触持续向次级神经元释放递质。有光时视紫红质作用于G蛋白，激活磷酸二酯酶，cGMP浓度下降，形成光感受。,cGMP in Photoreception,视紫红质为7次跨膜蛋白，由视蛋白和视黄醛组成。其信号途径为：光信号Rh激活Gt活化cGMP磷酸二酯酶激活胞内c
22、GMP减少Na+离子通道关闭离子浓度下降膜超极化神经递质释放减少视觉反应。,3.cGMP介导的信号通路,具有鸟苷酸环化酶活性的受体结构 PKH：激酶样结构域 GC：鸟苷酸环化酶结构域,Guanylate cyclase,NO的作用机理：乙酰胆碱血管内皮Ca2+浓度升高一氧化氮合酶NO平滑肌细胞鸟苷酸环化酶cGMP血管平滑肌细胞的Ca2+离子浓度下降平滑肌舒张血管扩张、血流通畅。硝酸甘油治疗心绞痛具有百年的历史，其作用机理是在体内转化为NO。,1998年三位美国科学家因对NO信号转导机制的研究而获得诺贝尔生理和医学奖。,Robert F.Furchgott,Louis J.Ignarro,Fer
23、id Murad,酶联受体（只有一个跨膜螺旋，本身兼具受体的识别部位与效应酶活性的受体）：,与激动剂结合的细胞外结构域；只有一个跨膜结构域；具有蛋白激酶活性的细胞内结构域，细胞内侧具有蛋白激酶活性的效应酶。,酪氨酸激酶受体,酪氨酸磷酸酶受体,鸟苷酸环化酶受体,contents,具有酪氨酸蛋白激酶活性的受体 信号通路(Ras蛋白信号通路),一些生长因子与其相应的受体结合后，活化受体本身的酪氨酸蛋白激酶，激酶再磷酸化靶蛋白的酪氨酸残基，再通过一系列磷酸化的级联反应，影响基因的表达。这条通路的特点是不需通过G蛋白，而是通过受体自身的酪氨酸蛋白激酶的激活来完成信号跨膜转导的。该类受体的多肽链只跨膜一次
24、，胞外区与配体结合，胞内区是酪氨酸蛋白激酶的催化部位。,特点：单次跨膜蛋白；接受配体后发生二聚化和自磷酸化，起动下游信号转导。,分 类,受体型PTK（位于细胞质膜上）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（位于胞浆）如底物酶JAK和原癌基因（src、yes、ber-abl等）编码的TPK,有8种生长因子的受体属于这类信号通路：1.表皮生长因子(EGF)受体2.血小板生长因子(PDGF)受体3.巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)受体4.胰岛素受体5.类胰岛素生长因子-1(IGF-1)受体6.肝细胞生长因子(HGF)受体7.神经生长因子(N
25、GF)受体8.血管内皮生长因子(VEGF)受体。,1)JAKs-STAT途径,*非催化性受体*JAKs(janus kinases)*信号转导子和转录激动子(signal transductors and activators of transcription，STAT),组成,干扰素诱导JAK、STAT复合体核内转移及调节基因转录机制,2)受体型TPK-Ras-MAPK途径,GRB2(growth factor receptor bound protein 2）,SH2 域(src homology 2 domain)细胞内某些连接物蛋白共有的氨基酸序列，与原癌基因src编码的酪氨酸蛋白激酶
26、区同源，该区域能识别磷酸化的酪氨酸残基并与之结合。,组成：催化性受体，GRB2,SOS,Ras蛋白,Raf蛋白，MAPK系统,Fig.活化的RTK激活Ras蛋白：接头蛋白连接活化的RTK与Ras激活蛋白（如GRF），导致GDP-GTP交换，活化的Ras蛋白诱发信号通路的“下游事件”。,Fig.活化的PKC和Ras蛋白激活的激酶磷酸化级联放大,激活的Ras蛋白扳动三种蛋白激酶的磷酸化级联反应，增强和放大信号，即联反应的最后，才能磷酸化一些基因调控蛋白，改变基因表达模式；这是终致细胞行为（包括细胞增殖或分化，细胞存活或凋亡）改变的关键；通过PKC激活的靶酶可能是Raf，也可能是其它丝氨酸/苏氨酸蛋
27、白激酶。,(2)胞内受体,H2N,COOH,DNA结合域,甾类激素,甾类激素结合域,Hap90,H2N,COOH,contents,与细胞内的受体结合的信号分子的主要代表是:,甾类激素是疏水性小分子，由于它们的亲脂性，通过简单的扩散即可跨越质膜进入细胞内。,小分子的甾类激素、甲状腺素、维甲酸和维生素D等,返回,前进,上页,首页,目录,退出,contents,皮质酮、黄体酮,甲状腺素、维生素D、维甲酸和雌激素,细胞内,胞质内受体,结合,配体与胞质受体复合物,暴露,受体与基因 DNA调节序列结合的部位,进入细胞核,与基因调节序列结合，调节基因的表达,核内受体,结合,配体与核内受体复合物,暴露,进入
28、细胞核,返回,前进,上页,首页,目录,退出,contents,信号消除的重要性不亚于信号的产生。因为信号的累积或长期作用对正常细胞均是有害无益。在信号转导过程中，多种信号转导分子被反复使用，所以被激活后的信号转导分子要迅速恢复原来的状态，以便接受下一次信号刺激。信号终止可发生在信号转导中的各个环节。作为第一信使的信息分子很快被降解或重吸收。受体被内吞而失去作用。与G蛋白或小G蛋白结合的GTP被水解成GDP失活，被蛋白激酶磷酸化的转导蛋白可在蛋白磷酸酶的作用下去磷酸化失活，第二信使被降解。信号终止障碍可导致疾病的发生。,信号转导障碍与疾病,（一）受体异常与疾病：1、遗传性受体病：家族性高胆固醇血
29、症，因低密度脂蛋白受体编码基因突变，血浆中LDL不能进入细胞代谢（LDL与胆固醇结合成颗粒），血浆中胆固醇不能被细胞利用而浓度升高。,2、自身免疫性受体病：重症肌无力，患者胸腺上皮细胞及淋巴细胞内含有与nAchR3结构相似的物质而产生抗nAchR（烟碱型乙酰胆碱受体）的抗体，干扰Ach与受体的结合，肌肉收缩无力。,（二）G蛋白异常与疾病：霍乱：霍乱弧菌产生的外毒素使GTP失活，因此G处于不可逆激活状态，不断刺激AC（腺苷酸环化酶）产生cAMP，导致小肠上皮细胞膜蛋白构型改变，大量氯离子和水转运入肠腔，引起严重的腹泻。,多个信号转导环节障碍与疾病,（一）非胰岛素依赖性糖尿病（NIDDM）II型糖
30、尿病：患者可因受体前、受体、受体后异常导致细胞对胰岛素的反应性降低。（二）高血压病：内皮细胞、平滑肌细胞增殖肥大、管壁增厚、血管重构等都与信号转导有关。,血管平滑肌增殖性疾病,正常VSMC：非增殖性的收缩表型 病理VSMC：合成表型，分泌激素，自身肥大、增殖（一）作用于VSMC的胞外信息分子 1 生物化学性因素：激素、细胞因子、生长因子 2 机械性因素：切应力、牵张力（二）机械性因素引起的信号转导 1 整合素（intergrins)介导的信号转导 机械刺激 细胞外蛋白与整合素相连 改变细胞骨架结构 激活细胞内信息分子 2 离子通道 3 MAPKS:机械刺激同时激VSMC中ERK和SAPK/JNK途径，引起VSMC肥大与增殖。,
