信号转导ppt课件.ppt

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1、信号传导,信号与物质、能量一样都是生命的基本要素。通讯能力是细胞具有的特性之一，细胞通讯可以通过信息的传递和接受着之间信号的交换而发生。单细胞生物在受到各种物理信号作用时需要作出相应的反应以利生存;多细胞生物的存活更有赖于细胞间的信号的交流和协调。,内容提要,4、信号转导通路的意义和应用,3、信号转导通路的交叉与串话,2、信号转导通路,1、信号与受体,（1）信号接受与跨膜转导,（2）信号放大与胞内转导,（3）信号交付,信号与受体,使细胞通过重新组织他们的结构、调节蛋白的活性和改变基因的表达模式来对环境作出反应的刺激。,细胞中接受信号的分子。,信号：,受体：,按化学性质分：（1）多肽和蛋白质激素

2、（2）多肽生长因子（3）甾体激素（4）神经递质（5）小分子化合物,1、物理信号：如光、热等2、化学信号,总体可分为两类：,一、信号,信号分子的例子,1.激素：肾上腺素 酪氨酸衍生物皮质醇 类固醇 雌二酮 类固醇胰高血糖素 肽睾酮 类固醇甲状腺素 酪氨酸衍生物,2.局部介质：表皮生长因子（EGF）蛋白质血小板衍生生长因子（PDGF）蛋白质神经生长因子(NGF)蛋白质组胺 组氨酸衍生物一氧化氮（NO）可溶性气体3.神经递质：乙酰胆碱 胆碱的衍生物-氨基丁酸 谷氨酸衍生物4.信号分子接触依赖的 跨膜蛋白,（一）按作用的距离分：（1）旁分泌信号(paracrine)（2）内分泌信号(autocrine

3、)（3）近分泌信号(endocrine)按溶解性分:(1)亲脂性(2)亲水性,内分泌产生的激素分泌到血流，能广泛分布到生物体全身,旁分泌信号由细胞释放至它们附近的细胞介质中并起局部作用,旁分泌,发信号的细胞,局部介质,靶细胞,神经元信号沿轴突传至远距离的靶细胞,神经元的,突触,轴突,神经递质,细胞体,靶细胞,神经元,接触依赖的信号传递需要细胞相互间膜与膜的直接接触。许多相同类型的信号分子用于内分泌、旁分泌和神经元的信号传递。其重要的差别在于向靶细胞传送信号时所用的速度和选择性,依赖接触的,靶细胞,发信号的细胞,与膜结合的信号分子,（二）按照信号引起的细胞生物效应分 1 调节细胞增殖的信号：2

4、促进细胞分化的信号：3 促进细胞凋亡的信号：4 调节细胞代谢和功能的信号：5 诱发细胞应激反应的信号：,许多细胞需要多重信号（绿色箭头）以求存活；另外的信号（红色箭头）为细胞分裂所需；还有一些其他信号（黑色箭头），是分化所需的；如去处适当的信号，大部分细胞会导致凋亡。,相同的信号分子能诱导不同靶细胞的不同反应,不同细胞类型特化成以不同方式,对神经递质乙酰胆碱起反应。在（A），(B)中信号分子结合类似的受体蛋白，但在功能各异不同的特化细胞中激起不同的反应。,在图中，细胞对同一信号产生不同类型的受体蛋白。而不同类型的受体会产生完全不同的细胞内信号，因此不同类型的肌细胞对乙酰胆碱有不同的反应。,二、

5、受体,1、核受体2、膜受体（1）离子通道偶联受体(channel linked receptor)（2）G蛋白偶联受体(G-protein linked receptor)（3）酶联受体(enzyme linked receptor)（4）其它非酶联受体,大致分二类：,1、核受体：脂溶性信息分子与核受体结合启动靶基 因转录的过程。（分布于胞浆或核内的受体，本质上都是配体调控的转录因子，均在核内启动信号 转导并影响基因转录，故称为核受体）。,细胞内受体,小的疏水信号分子,细胞内受体,类固醇激素皮质醇通过激活一个基因调控蛋白而起作用,一氧化氮（NO）对血管平滑肌的松弛作用,血管壁神经末梢释放的乙酰

6、胆碱激活了血管壁衬里的内皮细胞产生和释放NO。NO从内皮细胞扩散出来，进入邻近的平滑肌细胞，引起肌细胞松弛。,2、膜受体:膜外配基结合区,跨膜区,胞内区 膜受体的种类:（1）离子通道偶联受体（2）G蛋白偶联型受体（3）酶联受体：受体酪氨酸蛋白激酶（RTK）非受体型酪氨酸蛋白激酶（PTK）连接的受体 丝/苏氨酸蛋白激酶（PSTK）型受体 鸟苷酸环化酶受体,细胞表面受体,细胞表面受体,亲水信号分子,质膜,（1）、离 子 通 道,离 子 孔 道 可 以 分 成 电 压 活 化 型(voltage-activated)孔 道、配 体 活 化 型(ligand-activated)孔 道 及第二信使门控

7、通道。电 压 活 化 型 孔 道 的 开 启 受 离 子 孔 道 所 处 的 细 胞 膜 电 位 调 控。Vm=Vi-VoVm Vm代 表 膜 电 位(membrane voltage)Vi 和 Vo 分 别 是 膜 内 和 膜 外 的 电 位。细 胞 处 於 静 止 状 态(resting state)时，Vm 是 负 值，大 约 在-50mV 至-80mV 之 间。电 压 活 化 型 钙 离 子 孔 道 在 这 个 范 围 内 开 启 的 机 率 很 小。Vm 越 大 时(即 膜 内 的 电 位 越 高)，它 的 开 启 机 率 越 大。,当 肌 肉 细 胞 或 神 经 细 胞 被 活 化

8、 时，膜 电 位 会 高 到+50mV 左 右，此 时 这 类 钙 离 子 孔 道 开 启 的 机 率 接 近 100%。於 是 钙 离 子 泳 入 细 胞 内，引 起 肌 肉 的 收 缩，神 经 突 触 的 传 导 等 等。另 外，其 他 离 子 进 出 细 胞 膜 亦 会 影 响 膜 电 位。譬 如 带 正 电 的 K+由 膜 内 流 向 膜 外，会 使 膜 电 位 降 低；Na+由 膜 外 进 入 膜 内 会 使 膜 电 位 升 高。,配体 活 化 型 孔 道 的 开 启 机 率 受 配 体 调 控。譬 如 IP3 敏 感 型 孔 道 无 IP3 作 用 时 处 於 关 闭 状 态。IP

9、3 从 膜 外 与 它 结 合 后 就 可 打 开，让 Ca2+从 内 质 网 流 入 细 胞 溶 质。Ca2+与 IP3 在 膜 外 联 合 更 能 增 加 IP3 敏 感 型 孔 道 的 开 启 机 率。因 此，这 孔 道 一 但 被 IP3 开 启，流 入 细 胞 质 的 Ca2+即 迅 速 增 加，直 到 IP3 被 特 定 的 磷 酸 酶 去 磷 酸 化 而 失 活。另 一 方 面，位 於 细 胞 膜 的 Ca2+-ATPase(Ca2+pump)亦 会 将 细 胞 质 的 Ca2+输 送 至 细 胞 外，维 持 静 止 状 态 时 的 浓 度。,膜 电 位 如 何 调 控 离 子

10、孔 道 的 开 启 机 率？为 何 配 体 与 离 子 孔 道 结 合 即 能 开 启 孔 道？目 前 研 究 人 员 对 离 子 孔 道 的 启 闭 机 制(gating mechanism)所 知 甚 少。不 过，对 离 子 孔 道 的 选 择 性(selectivity)已 有 相 当 了 解。,2003年诺贝尔化学奖,彼得阿格雷（Peter Agre）彼得阿格雷1949年出生，毕业于明尼阿波利斯奥格斯堡学院，1974年在约翰斯霍普金斯大学医学院获医学博士学位。自1993年起，他一直担任约翰斯霍普金斯大学医学院生物化学教授和医学教授。,世纪年代中期，彼得阿格雷研究了不同的细胞膜蛋白，经过

11、反复研究，他发现一种被称为水通道蛋白的细胞膜蛋白就是人们寻找已久的水通道。为了验证自己的发现，阿格雷把含有水通道蛋白的细胞和去除了这种蛋白的细胞进行了对比试验，结果前者能够吸水，后者不能。为进一步验证，他又制造了两种人造细胞膜，一种含有水通道蛋白，一种则不含这种蛋白。他将这两种人造细胞膜分别做成泡状物，然后放在水中，结果第一种泡状物吸收了很多水而膨胀，第二种则没有变化。这些充分说明水通道蛋白具有吸收水分子的功能，就是水通道。,现年47岁的罗德里克麦金农(Roderick MacKinnon)1978年他在波士顿布兰代斯大学获学士学位，1982年在波士顿塔夫茨大学医学院获医学博士学位。自1996

12、年起，他一直担任纽约洛克菲勒大学分子神经生物学教授。,年，罗德里克麦金农利用射线晶体成像技术获得了世界第一张离子通道的高清晰度照片，并第一次从原子层次揭示了离子通道的工作原理。这张照片上的离子通道取自青链霉菌，也是一种蛋白。麦金农的方法是革命性的，它可以让科学家观测离子在进入离子通道前的状态，在通道中的状态，以及穿过通道后的状态。对水通道和离子通道的研究意义重大。,钾通道模型,蓝色：正电荷白色：中性红色：副电荷黄色：疏水性,离子通道偶联受体(channel linked receptor),受体和它的配体结合，并对此作出反应,离子通道偶联受体,质膜,离子,信号分子,膜转运蛋白分为两类：载体蛋白

13、和通道蛋白载体蛋白进行一系列构象变化转运小的水溶性的有机分子和无机离子。通道蛋白不同，它在膜中形成极小的亲水孔，使特殊的无机离子经过亲水孔扩散。通道蛋白转运速率要比载体蛋白快得多。离子通道既能以开放又能以关闭得构象存在，但只有在开放构象时转运。它们的开放和关闭通常由细胞外刺激或胞内条件调控。,除了脂溶性的不带电荷的分子能以简单扩散的方式直接通过脂双层外，几乎所有的小有机分子穿越细胞膜都需要载体蛋白。每个细胞膜有它自己的一套载体蛋白,载体蛋白的三维结构,盐生盐杆菌（Halobacterium halobius）的紫膜质，它应答光，把H泵出细菌，由共价连接的吸收光的基团（视黄醛）捕捉H。该多肽以7

14、个螺旋穿越脂双层。质子所经途径可避免接触脂双层,载体蛋白和通道蛋白的主要区别是辨别溶质的方式。通道蛋白是根据分子的大小和电荷。载体蛋白是根据能否特异结合。通道蛋白仅承担被动运输，而载体蛋白还承担主动运输。,电化学梯度的两种组成部分：溶质浓度梯度和跨膜电压。二者之和成为离子穿越膜的净驱动力。图示相同正电荷溶质在三种不同情况下的电化学梯度量值。（A）仅有梯度浓度；（B）浓度梯度加膜电位；（C）膜电位减小，由浓度梯度产生驱动力。,驱动主动转运的三种方式,黄色表示转运分子，红色表示能源,载体蛋白以两种构象状态存在：状态A，溶质的结合部位暴露于膜外；状态B,溶质的结合部位暴露于膜内。这两种状态随机发生，

15、与溶质是否被结合无关，完全可逆。若膜外溶质浓度较高，则采用AB BA。,Na+-K+泵。该载体蛋白是一种ATP酶，能水解ATP释放能逆电化学梯度量把钠离子泵出细胞，钾离子泵入细胞。鸟本苷是与该泵结合以达到抑制泵活性的药物。,南非的 Blyde 河水闸，利用势能作驱动。离子梯度同样被用作驱动,钠钾泵的泵循环图解模型,1.Na+的结合及随后在泵的胞质面由ATP进行的磷酸化；2.引起蛋白质发生构象的变化，转运Na+穿运膜并释放到胞外；3.磷酸基连接到蛋白质的高能键提供能量驱动构象变化；4.细胞外表面K+的结合5.随后的去磷酸化，6.使蛋白质恢复原来的构象，这样K+转运穿越膜并释放到胞内。,在哺乳动物

16、细胞的真实泵中有3个Na+和2个K+结合部位。因此，该泵的一个循环的净结果是转运3个Na+到胞外，和2个K+到胞内。,载体蛋白的三种转运类型：单向转运（转运一种溶质）；偶联转运（一种溶质的转运依赖与于同时或相继的另一种溶质的转运）。后者又分为同向转运和对向转运。,Na+梯度能驱动葡萄糖泵的一种原则上的方式。该泵以两种交替状态A和B之间随机往返。A状态下，蛋白质向胞外空间开放；B状态下则向胞内溶质开放。在两种状态下Na+和葡萄糖与蛋白质的结合率都一样，但只有在两者同时存在的情况下它们才有效地结合。Na+的结合，引起蛋白质构象的改变，极大地增加蛋白质对葡萄糖的亲和力，反之亦然。,能使肠上皮细胞转运

17、葡萄糖穿过肠内衬的两种载体类型。顶端表面，由Na+驱动的葡萄糖同向转运，主动转运葡萄糖进入细胞；在基底面和侧面，由被动的葡萄糖单向转运，使葡萄糖沿其浓度梯度下行而释放到胞内,动植物细胞内载体介导溶质转运的一些异同点。由Na+-K+泵产生的电化学梯度，常被用于驱动主动转运溶质穿越动物细胞质膜；通常由H+ATP酶产生的H+电化学梯度常被植物细胞、细菌、真菌（包括酵母）用于此目的。,有些离子孔道的开启机率G蛋白(G或 G)调控，包括钾离子孔 道，钙离子孔道及钠离子孔道。电压活化型及G蛋白活化 的钾离子 孔道皆由四个亚单元组成。不过前者每一个亚单元含有六跨膜段，后 者每一个亚单元仅含两个跨膜段。,电压

18、活化型钙离子及钠离子孔道的主要亚 基的跨膜结构。,离 子 通道,nAChR 孔道的概要结构。(a)侧面图。(b)俯视图。(c)一个亚基的跨膜构形。M2围成孔径。nAChR 孔道含五个亚基，其活化需两个 亚基与两个乙酰胆硷分子结 合。,nAChR乙酰胆碱(acetylcholine)的菸碱酸受体所形成的离子孔道,离子通道的结构,肌肉细胞质膜内的离子通道，当由神经递质乙酰胆碱与通道结合时，该通道开放。此离子通道由5个跨膜蛋白亚基组成，这些亚基结合组成脂双层的水孔。每个亚基由一个跨膜构成。孔两端带负电荷的氨基酸侧链保证了只有带正电荷的离子才能通过，主要指Na+和K+。当通道处在关闭构象时，在被称为门

19、的区域内，疏水氨基酸测链将此孔堵塞；当与乙酰胆碱结合时，蛋白质构象发生变化，这些侧链移开门被打开，容许Na+和K+穿过膜，降低其电化学梯度。,捕蝇草。当一个昆虫在上面移动时，叶子在半秒钟内急速关闭。每片叶子中央的三根触毛中任何两根连续遭到碰触，就会触发这一反应。离子通道的开放和由此引发（机制不清）电信号，导致膨压迅速变化而关闭叶子。,膜片钳记录技术。用微电极简则可以用与细胞相连的膜片（A）,也可用分离的膜片（B）进行。分离膜片的优点是容易改变膜两侧的溶液成分，测试各种溶质对通道行为的效应,用膜片钳技术记录到的单离子通道电流。本例来自肌肉细胞并含有一个单通道蛋白。当乙酰胆碱结合在通道的外表面时，

20、离子通道打开,允许阳离子通过，但出现间隙性开放。图示通道开放3次，每次时距不同。如乙酰胆碱不与通道结合，则通道不开放。,门控离子通道。通道闸门取决于离子通道的种类，它响应于跨膜电压差的改（A）、化学配体在细胞外（B）或内（C）的通道结合、机械刺激（D）。,应力激活的离子通道如何使我们听到声音。,穿过柯替氏器的切面通过内耳耳蜗轴。每个毛细胞在它上端表面有一簇叫静纤毛的突起，这些毛细胞嵌入支持细胞层内，这一支持细胞层夹在下面基底膜与上面覆膜之间,声音振动引起基底膜上下振动从而使静纤毛纤毛倾斜。每个毛细胞上交错排列的每根静纤毛，借助于很细的丝与邻近较短的静纤毛相连。由于静纤毛的倾斜，拉动丝，因而拉开

21、静纤毛膜上的应力激活离子通道，使周围溶液中的带正电荷例子离子进入细胞。离子的输入激活毛细胞，这就刺激位于下面的把听觉信号传递给大脑的神经细胞。,含羞草的关叶反应。叶子被碰触后几秒钟，这些小叶下垂。这一反应包括电压门控离子通道的打开，产生电脉冲。当脉冲抵达每片小叶底部特化的铰链细胞时，这些细胞迅速失水，引起小叶突然下垂，进一步使叶柄下垂。,离子的分布产生膜电位。膜电位是由接近膜的一薄层（小于1nm）离子产生，这些离子通过对膜另一边带相反电荷的对方的电吸引而处在应有的位置上，产生膜电位所需的跨膜离子只占其极少部分。,膜两侧电荷正好平衡，由负电荷抵消正电荷，膜电位0,少数阳离子（红色）穿过膜从右到左

22、，留下它们的阴离子（红色），建立起非零膜电位。,由K浓度梯度产生的驱动力,由电压梯度产生的驱动力,关闭的K通道，膜电位0；细胞内K比细胞外多，但每侧净电荷为零（正负电荷相等）,K通道打开，K移出，留下阴离子，这种电荷分布产生膜电位平衡K向外迁移的倾向,假设膜电位从零开始，然后K将趋向于由K泄漏通道向胞外移动，降低其浓度剃度。假定膜含有的通道不让其他离子通过，而只让K离子通过，但因阴离子也不随K离子通过，结果膜外有过多的正电荷、膜内有过多的负电荷产生，导致膜电位升高，并趋向驱动K离子返回胞内。在平衡条件下，K浓度梯度的作用正好与膜电位的作用平衡，并且没有K的净移动。,K在产生跨质膜电位中的作用,

23、神经细胞的离子通道和信号传导,红色箭头表示传递信号的方向。单根轴突把信号从胞体传导出去，而多个树突接收来自其他神经元轴突的信号。,枪乌贼具有一种巨大的轴突的大神经细胞，该巨大轴突使枪乌贼对来自周围环境的威胁作出迅速反应。科学家早就记录到它的动作电位，并推论细胞膜中离子通道的存在。,动作电位通常由电压门控Na通道介导,动作电位,这个神经元的静息膜电位是-60mV。当以约20mV刺激质膜去极化，使膜电位为-40mV时，就激发了动作电位。-40mV是引起该细胞产生动作电位的阈值。一旦动作电位被激发，膜迅速地进一步去极化：膜电位变动过零并在动作电位结束返回静息负电位之前到达40mV。绿色曲线表示如果质

24、膜不存在电压门控离子通道，在初始极化刺激后，膜电位如何简单地衰减回到静息值。,电压门控Na通道 能采用至少三种构象,该通道能从一种构象（状态）急速地转变为另一种构象，这决定于膜电位。当膜处在静息状态（高度极化）下，关闭的构象最稳定。然而，当膜去极化时，开放构象较为稳定，所以通道开放地可能性高。但是，膜去极化时，非活化构象更为稳定，所以一次短暂的开放构象时期过后，通道转变成失活状态并且不能开放。红色箭头表示突然去极化的结果，黑色箭头表示膜再极化后回到原来构象。,离子流与动作电位,电压门控通道如何使动作电位上升和下降,一个短暂的电流脉冲（上图）激发动作电位，引起膜的部分去极化，如膜电位对时间的曲线

25、所示（下图）。下图显示电压门控Na+通道的开发和随后的失活引起动作电位过程，在底部表明电压门控通道的状态。即使重新刺激膜也不能产生第二个动作电位，直到Na通道从失活状态回到关闭状态，在那以前膜抗拒（不响应）刺激（无刺激反应）。,动作电位沿轴突传播,（A）表示沿轴突每隔一段距离安置的一组细胞内电极记录到的电压，简图中的间隔宽度被大大夸张了。注意：动作电位在行进中未减弱,显示Na通道和电流（褐色箭头）的改变，它们导致膜电位变动的传播。粉红色地方显示轴突的去极化膜域。动作电位只能从去极化部位一直传播开去，因为Na通道失活阻止了去极化逆向传播。,信号在突轴的特殊部位传递,在许多突轴处，传递和接收信号的

26、细胞分别为突轴前和突轴后细胞，它们的质膜被狭窄的突轴间隙（典型的为20nm）彼此分开，这使得电信号不得通过。为了把信息从一个神经元传递到另一个神经元电信号转变为一种化学信号，它采用一种小的信号分子的形式神经递质。,轴突,哺乳动物 脑内单个神经细胞树突（中）上形成突轴的两个神经末梢（两侧）横切面的电镜照片,注意在突轴处的突轴前和突轴后膜被加厚,在神经末梢处电信号 转变为化学信号,当动作电位抵达神经末梢时，质膜的电压门控Ca2+通道被打开，Ca2+流入末梢内。神经末梢内的Ca2+增加，刺激突轴小泡与质膜的融合，把神经递质释放到突轴间隙中,在突触处，由递质门控离子通道 把化学信号转换成电信号,释放的

27、神经递质与突触后细胞质膜中的递质门控离子通道结合并打开该通道，离子流改变了突触后细胞的膜电位，因此把化学信号又转变成电信号。,神经元既接收兴奋性输入 又接收抑制性输入,Na+内流使膜去化，提高激发动作电位的可能,Cl-内流有助于维持膜极化，减少激发动作电位的可能,胞体上突触和脊髓中一个运动神经元的树突,在神经元上的几千个神经末梢突触，递送来自动物其它部位的信号，控制沿神经元轴突动作电位的发放。,（2）G蛋白偶联受体(G-protein linked receptor),G蛋白偶联受体和配体结合时，信号首先传导到与受体结合着的G蛋白，然后它离开受体，激活一个位于质膜中的靶酶（或离子通道）。,G蛋

28、白偶联受体,这种受体中主要负责和G蛋白结合的胞质溶胶部分（桔黄色）。结合蛋白信号分子的受体具有一个很大的细胞外配体结合域（淡绿）。但小的信号分子受体，如肾上腺素，其有小的胞外域。,G蛋白可能激活或抑制靶蛋白,配体结合到膜的利血平受体，可导致G蛋白的激活G蛋白一般是与GTP结合的三聚体，这种存在形式呈非激活状态。G蛋白被激活的机制是：受体可导致与三聚体结合的GDP被GTP所取代。,G蛋白未活化时的结构。三个亚基分别以三种不同颜色表示。位於a亚单元 的红色分子是GDP。亚基的分子量在35kD至55 kD之间，含400个左右的氨基酸。亚基的分子量大约是35kD，而亚基的分子量仅有5kD左右。,G蛋白

29、通过三聚体的解离而发挥作用,当GDP被GTP取代后，三聚体G蛋白解离成一个亚基和一个二聚体。一般是亚基激活了信号通路的下游成分效应器。少数效应器是被激活的。,G蛋白激活时拆分为二个信号蛋白,（A）未刺激时受体和G蛋白无活性，二者互不接触（B）受体被细胞外信号分子激活，G蛋白和受体结合。（C）G蛋白的亚基的GDP被GTP替换，使G蛋白,G蛋白偶联受体,G蛋白偶联受体的刺激作用激活G蛋白亚基,G蛋白亚基通过水解GTP而关闭自己活化的亚基激活靶蛋白亚基水解GTP本身失活，从靶蛋白解离和重新结合，形成无活性的G蛋白,某些G蛋白调节离子通道,G蛋白把受体激活作用与心机细胞质膜中K通道的开放相偶联。,(A

30、)神经递质乙酰胆碱结合到心肌细胞的G蛋白偶联受体上，引起G蛋白解离为激活的亚基和复合物。（B）活化的复合物和心肌细胞质膜中K通道结合并开放K通道。（C）GTP水解使亚基失活，使重新形成无活性的G复合体,G蛋白激活的酶催化细胞内信使分子的合成,因每一个被激活的酶产生很多信使分子，在信号通路这一阶段的信号就被大大的放大。信号通过信使分子和细胞内其它靶蛋白结合，影响靶蛋白的活性从而传递。,cAMP浓度上升激活基因转录。,激素和神经递质与G蛋白偶联受体的结合激活腺苷环化酶和cAMP的升高。cAMP激活胞质中的A激酶它随后进入核，磷酸化基因的调控蛋白。使其活化，便能刺激一整套靶基因的转录。这个信号途径控

31、制细胞中许多过程，从激素的合成到脑记忆所需的蛋白。,(a),(b),腺苷酸环化酶(adenylyl cyclase，AC)腺苷酸环化酶是跨膜蛋白质，含12个跨膜段；两个催化区域位 於细胞膜内侧（a）。Ga 与 催 化 区 域 结 合 的 立 体 结 构 已 被 解 出（b）。AC和异三聚体G蛋白偶联。,cAMP通路可激活酶并开启基因,许多细胞外信号通过G蛋白偶联受体的作用影响腺苷环化酶的活性，从而改变细胞内cAMP的浓度,在几秒钟内cAMP的浓度增加或减少可达10倍之多。cAMP是水溶性分子，所以它能够将信号从膜上被合成的部位带向胞质溶胶、细胞核或细胞膜等部位的蛋白。,对细胞外信号发生影响，c

32、AMP增加,神经递质5-羟色胺与G蛋白偶联受体结合，培养的神经细胞对此起反应而使胞内cAMP水平升高。可用荧光蛋白来标记以测定强度的变化。蓝色表示低水平，黄色表示中等水平，红色表示高水平的cAMP。（A）在静息细胞中，cAMP浓度约为5108 mol/L。（B）将5-羟色胺加入培养基后20秒，细胞中cAMP浓度约为5106 mol/L，浓度增加了20倍以上。,细胞外信号调节着细胞行为的许多方面。有些改变了的细胞行为，如增进细胞的生长和分裂，由于涉及基因表达的改变与新蛋白的合成，因此出现得比较慢。而如细胞移动、分泌或代谢的改变，不需要涉及核机构，因此出现得比较快。,对细胞外信号的快反应和慢反应,

33、磷酸酶C激活的信号途径,当膜肌醇磷脂为激活的磷脂酶C水解时，产生两个细胞内信使分子。肌醇1，4，5-三磷酸（IP3）经胞质溶胶扩散，并通过和内质网膜中的Ca2+通道结合并使其开放，从而从内质网释放Ca2+。巨大的Ca2+通道电化学梯度引起Ca2+涌出至胞质溶胶。二酰甘油保留在质膜中，与Ca2+一起帮助激活从细胞溶质中被招募到质膜的胞质面的蛋白激酶C.,(a),(b),图 PLC 的 结 构 及 功 能。(a)PLC-b 的 结 构。绿 色 分 子 是 其 抑制剂。(b)PLC 所 催 化 的 反 应。,卵子受精启动胞质溶胶Ca2+的增加,受精前，海星卵被注射有对Ca2+的敏感的荧光染料。观察到

34、从内质网释放的一个胞质溶胶钙波（红），它自精子进入的部位（箭头）起，掠过这个卵。这个钙波刺激卵细胞质膜改变，防止其他精子进入，并启动胚胎的发育。,引起Ca2+的从内质网释放到胞质溶胶的肌醇磷脂途径，几乎发生在所有的真核细胞中，并影响一大批不同的靶蛋白和C激酶。Ca2+对大部分蛋白的作用是间接的，并且是通过各种转导蛋白，总称为Ca2+结合蛋白来进行的。最广泛和最普遍的是钙调蛋白。,以X射线衍射和NMR研究为基础的 Ca2+-钙调蛋白的结构,钙 调 素(calmodulin)及 CaM 激 酶 的 结构。(a)钙 调 素，含 148 个 氨 基 酸。绿 色 球 形 是 钙 离 子。(b)CaM 激

35、 酶，含 300 多 个 氨 基 酸。此 酶由 钙 调 素 活 化。,(a),(b),(b),(A)钙调蛋白为哑铃状，两个球状末端由一个长长的柔性的螺旋连接。每个末端具有两个Ca2+结合区域。（B）这个结构的简图表示，当钙调蛋白和靶蛋白结合时，Ca2+-钙调蛋白的构象发生改变。注意螺旋像大折刀围绕着靶蛋白。,(3)第三类主要的细胞表面体 酶联受体,酶联受体也是跨膜蛋白，在质膜的表面具有配体结合区域，此和G蛋白偶联受体相同。但它的胞质域起一个酶的作用，或与另一个起酶作用的蛋白形成一个复合物。最大的一类酶联受体是胞质域具有酪氨酸蛋白激酶功能的受体，它们磷酸化特定的胞内蛋白上的酪氨酸侧链。这类受体叫

36、做受体酪氨酸激酶，它们包括大多数生长因子受体。,IGF:胰岛素样生长因子受体，PDGF:血小板生长因子受体，FGF:成纤维细胞生长因子受体，VEGF:血管内皮生长因子受体,酶联受体(enzyme linked receptor),酶联受体和细胞外配体结合，启动受体另一端的酶的活性。,具有二聚体结构的蛋白，它含有识别-结合区（黄色）。两个单体通过3个二硫键彼此结合成二聚体,PDGF是带有两个受体结合位点的二聚体，它能和受体交叉结合，来起始细胞间的信号传递。,单体二聚化；胞质功能域未折叠；酪氨酸激酶被激活；自主磷酸化。,配体的结合导致单体二聚化,Binding of ligand to the e

37、xtracellular domain can induce aggregation in several ways.The common feature is that this causes new contacts to form between the cytoplasmic domains,配体的结合连接了二个单体,配体的结合导致构象的改变,受体PTK和非受体PTK的区别。,酶联受体跨膜信号转导,常 见 的 酪 氨 酸 蛋 白 激 酶(PTK)。PDGF 及 EGF 的 受 体 属 於 受 体 PTK；Src 属 於 非 受 体 PTK。,受体激酶激活信号传导通路,图表明受体细胞质结

38、构域的磷酸化产生一个结合细胞质蛋白质的位点,激活的接应器募集其他蛋白质结合受体后靶被激活靶是磷酸化的底物,不同的底物结合特定的序列受体激活导致细胞质区域的几个短序列基序上的酪氨酸发生磷酸化底物蛋白可能是锚定蛋白，它可以和其他蛋白质结合；或者它是与受体相关的具有酶活性的信号蛋白,信号通路常涉及蛋白质的相互作用,SH2结合位点有一个磷酸酪氨酸残基，它能被SH2结构域识别。受体上有多个SH2结合位点，它们可以被不同信号蛋白的SH2结构域所识别。有些信号蛋白含有SH3信号结构域，可以识别信号通路的下游蛋白质。,效应器：腺苷酸环化酶（adenylyl cyclase,AC)cAMP 影响PKA的活性 影

39、响靶蛋白磷酸化而发挥作用 磷脂酶C（phospholipase C,PLC）：PLC(+)IP3 细胞钙 DG PKC激活 靶蛋白磷酸化,GTPase激活蛋白,磷酸酯酶,磷酸酪氨酸磷酸酶,磷脂酰肌醇的调节亚基,生长因子受体结合蛋白2,失活的受体具有未磷酸化的SH2-结合功能域,被活化的受体具有磷酸化的SH2-结合功能域,PDGF：血小板衍生生长因子,Src kinase,GRB2 adaptorPI 3 kinase 磷脂酰肌醇 3PI 3 kinase,Nck adaptorRas-GAP,PTPiD,SHP2PLC,磷酸酪氨酸是SH2结构域能被结合的重要特征,SH2结合位点是由C端一侧的磷

40、酸酪氨酸和5个以内的氨基酸残基组成。SH2形成球形结构，上面有个“口袋”，用来结合靶蛋白SH2结合位点上的磷酸酪氨酸残基。,SH2的三维结构，右边黄色表示磷酸化酪氨酸位点，左边黄色表示结合的氨基酸侧链。,SH2的晶体结构（紫色线条）围绕着含有磷酸化酪氨酸的肽，显示出P-Tyr(白色)迅速进入SH2的功能区中，而与肽中的C-端的4个氨基酸（主链为黄色，侧链为绿色）产生接触。,失活的受体具有未磷酸化的SH2-结合功能域,被活化的受体具有磷酸化的SH2-结合功能域,在识别位点中，脯氨酸是重要的决定因子,SH3结构域与带有PXXP氨基酸序列的蛋白质结合。锚定蛋白一般有PTB结合域，它与受体上的基序NP

41、XpY结合。PDZ结构域中的片层与靶序列C端结合。WW结构域识别富含脯氨酸的靶序列。,PDZ由90100氨基酸组成，它常以多重重复序列存在于蛋白质中，在聚集膜蛋白和信号蛋白结合到膜复合体的过程中起着重要的作用。,WW有38个氨基酸残基，并高度集中了疏水的、芳香的氨基酸残基及脯氨酸残基，它结合富含脯氨酸的肽段。,Ras/MAPK通路是高度保守的,Ras/MAPK途径始于单体G蛋白Ras的激活，并有一连串的激酶级联反应将信号传递下去。MAPK：mitogen-activated protein kinase,一个受体酪氨酸激酶的激活引起形成一个细胞内信号复合物,信号分子和酶联受体的细胞外域结合，使

42、两个受体分子结合成二聚体，改变受体分子的构象。二聚体的形成导致两个受体的尾部相互接触，这就激活了激酶，使它们在几个酪氨酸侧链上能相互磷酸化。每一个磷酸化的酪氨酸作为细胞内不同信号蛋白的特定结合部位，将信号传到细胞内部。,自主磷酸化触发受体的胞质功能域的激酶活化。靶蛋白可被SH2功能域识别。随后此信号可沿着激酶的途径传递,Ras激活的磷酸化级联反应激活的Ras蛋白触发三个蛋白激酶的磷酸化级联反应。在级联反应中最后一个激酶磷酸化不同的下游靶蛋白。这些包括其他蛋白激酶和控制基因表达的调控蛋白。基因表达和蛋白质活性改变引起细胞行为的复杂变化，诸如细胞增殖和细胞的分化就是Ras信号通路的典型结果。,一个

43、共同的信号传导途径从受体酪氨酸激酶通过一个适配器来激活Ras,进而触发丝/苏氨酸磷酸化。进一步激活MAP（促分裂原激活蛋白）激酶进入细胞核并磷酸化转录因子。,SOS(Son-of-sevenless protein,)能催化Ras蛋白上GDP和GTP的交换，从而激活Ras,Grb2 与生长因子受体结合的蛋白,配体结合于受体,受体被磷酸化,Grb2被激活并激活SOS,Grb 生长因子受体结合蛋白,活化的受体酪氨酸激酶激活Ras 一个适配器蛋白连接在活化受体上的一个特殊的磷酸酪氨酸上。这个适配器与一个起Ras激活蛋白作用的蛋白相结合，并将其激活，从而刺激Ras将和它结合的GDP转换成GTP。激活的

44、Ras蛋白然后刺激信号传递途径的下一步。,Ras 的激活受到GTP的调控,Ras是一种单体G蛋白，它的激活与失活与结合GTP还是GDP有关。GTP水解导致其构象改变。Ras的组成型激活形式有一些突变位点，其结构影响它与GTP结合。SOS是一种RasGEF,可使GTP替换GDP与Ras结合而激活Ras。SOS被接应器Grb2激活，而Grb2由受体激活。RasGAP是GTP水解酶的开关蛋白，它可以使Ras失活。,SOS(guanine nucleotide exchange factor,GEF)to be replaced by GTP on Ras,Raf binds to the membr

45、ane and is phosphorylated,Raf是普遍表达的丝/苏氨酸蛋白激酶家族，其表达受受各种细胞外信号和癌基因的调节,Torso 控制果蝇末端发育的基因，是酶联受体,CSW(corkscrew gene)解锥基因因，果蝇的基因，在末端信号途径中起作用。其产物是酪氨酸蛋白激酶受体，含SH2,GAP(growth-associated protein 生长相关蛋白,4个平行的细胞内信号通路和它们之间的联系。1.G蛋白偶联受体经cAMP的信号通路；2.G蛋白偶联受体经磷酸脂酶C的信号通路；3.酶联受体经磷酸脂酶C的信号通路；4.酶联受体经Ras的信号通路,信号整合作用两个可能的简单机制,（A）信号A与B激活不同的蛋白磷酸化级联反应，其中每一个都导致蛋白Y的磷酸化，但都在蛋白Y的不同部位。当蛋白Y的两个部位都磷酸化时，蛋白Y才能被激活。因此只有在A和B同时存在时蛋白Y才是有活性的。（B）A与B信号导致两个蛋白X与Z的磷酸化。两个磷酸化的蛋白相互结合，创建一个有活性的蛋白XZ。,