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1、West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,1,第十五章,Xiu-feng GaoWest China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University,Cell Signal Transduction,细胞信号转导,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,2
2、,一、信息物质细胞外信息物质：神经递质、内分泌激素、局部化学介质、气体信号。细胞内信息物质：无机离子、脂类衍生物、糖类衍生物、核苷酸、信号蛋白分子。第二信使概念。二、受体 受体、配体的概念。分类：膜受体、胞内受体；受体的结构及功能。G蛋白：概念、结构和作用机制。受体作用的特点三、信息的转导途径 膜受体介导的信息传递途径cAMP-蛋白激酶途径：cAMP的合成与分解和作用机制，PKA的作用，整个途径。Ca2+依赖性蛋白激酶途径：IP3、DAG的生物合成和功能，Ca2+、PKC、Ca2+CaM的生理功能，整个途径。cGMP-蛋白激酶途径 胞内受体、胞浆内受体、核内受体介导的信息传递途径,本章内容,W
3、est China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,3,细胞通讯（cell communication）是体内一部分细胞发出信号，另一部分细胞（target cell）接收信号并将其转变为细胞功能变化的过程。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称为信号转导（signal transduction）。,第一节 概述及细胞信号转导的相关分子,细胞信号转导的基本路线:外源信息分子受体细胞内多种物质的浓度、活性和位置变化引起细胞应答反应。,West China S
4、chool of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,4,一、细胞外信号分子(intercellular signal molecules),定义:是由细胞分泌的调节靶细胞生命活动 的化学物质统称，又称作第一信使包括：膜表面信号分子 可溶性信号分子,细胞信号转导的相关分子,细胞外的信号分子受体细胞内的信息物质,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,5,1.膜表面信号
5、：蛋白、糖蛋白或脂蛋白等,膜表面分子接触通讯：黏附因子，T淋巴细胞与B淋巴细胞表面分子的相互作用,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,6,（1）神经递质,特点:作用距离短(50nm),属于短程信号，信息传递快，作用时间短而准确（几毫秒，局部浓度10-4 mol/L)。,包括：乙酰胆碱、去甲肾上腺素、多巴胺、5-HT、谷氨酸、甘氨基及一些神经肽类等。,2.可溶性信号分子-化学通讯,由神经元突触前膜分泌；通过突触间隙作用于突触后膜.又称突触分泌信号.,West
6、China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,7,（2）内分泌激素,特点:作用距离远,属于远程信号.大多数作用缓慢，范围弥散而持久 血中的浓度一般低于10-8 mol/L,由特殊分化的内分泌细胞释放的化学信息分子，通过血液循环到达靶细胞，经过受体介导而对靶细胞作用，又称内分泌信号(endocrine signal).,内分泌激素分类 含氮类激素 类固醇激素,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichua
7、n University Xiu-feng Gao,8,含氮激素包括氨基酸衍生物：肾上腺素、甲状腺素小肽类激素：促甲状腺素释放激素 胰高血糖素、催乳素蛋白类激素：胰岛素、生长激素等 糖蛋白类激素：促黄体激素，促甲状腺素,类固醇激素 性激素、皮质醇、醛固酮等。,激素受体的部位,胞内受体激素:甲状腺素、类固醇激素 胞膜受体激素:除甲状腺素外其他的含氮激素,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,9,（3）旁分泌信号,特点：大部分是与膜受体结合引发细胞的应答 反应，除
8、生长因子外一般作用时间较短。,包括：生长因子、细胞因子、组胺、前列腺素等。,由体内某些普通细胞分泌，不进入血循环，通过扩散作用到达附近的靶细胞（距离约1mm）.,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,10,（4）自分泌信号传递(autocrine signaling)由同种细胞或细胞自身分泌的化学信息分子作用于自身细胞的信息传递.,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan Un
9、iversity Xiu-feng Gao,11,（5）气体信号,*NO合酶（NOS）通过氧化L-精氨酸的胍基而产生NO。,NO是结构简单、半衰期短、化学性质活泼的气体信号分子。,主要存在于上皮、脑和血小板上，正常下只生成少量的NO。乙酰胆碱、缓激肽、组胺、内皮素等可使之活性增强。,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,12,能与受体特异性结合的分子则称 配体(ligand)。,受体和配体的定义,受体是细胞膜上或细胞内能够识别与结合外源化学信息分子，并能激发靶
10、细胞产生生物学效应的特殊蛋白质，个别是糖脂。,二、受体(receptor),1.胞内受体:位于胞液和细胞核中,为DNA结合蛋白2.膜受体:大部分是镶嵌糖蛋白位于细胞膜上,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,13,1.胞内受体,信息物质：类固醇激素、甲状腺素、维甲酸、维生素D等。配体进入细胞后，有些可与其位于细胞核内的受体相结合形成激素-受体复合物，有些则先与其在细胞质内的受体相结合，然后以激素-受体复合物的形式穿过核孔进入核内。受体多为转录因子，与相应配体结
11、合后，能与DNA的顺式作用元件结合，在转录水平调节基因表达。,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,14,具有转录激活功能核抗体结合部位,有2个锌指结构,核定位的信号,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,15,2.膜受体,水溶性或是细胞表面的信号分子：生长因子 细胞因子 水溶性H 粘附分子,West China School
12、 of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,16,N型乙酰胆碱受体的结构,（1）离子通道受体(配体门控受体）,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,17,G蛋白偶联受体的结构,如：肽类激素、神经递质、趋化因子等细胞外信号分子。,（2）G蛋白偶联受体(G-protein coupled receptors,GPCRs)又称七个跨膜螺旋受体/蛇型受体,West Chin
13、a School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,18,与配体结合后本身具有蛋白酪氨酸激酶活性.如:胰岛素样生长因子受体IGF-R 表皮生长因子受体(EGF-R)血小板衍生生长因子（PDGF）成纤维细胞生长因子（FGF）,（3）单个跨膜受体,受体型蛋白酪氨酸激酶（催化型受体）,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,19,受体与配体结合后，胞浆中的酪氨酸蛋白
14、激酶与受体发生偶联并被激活.如:生长激素受体 干扰素受体,非受体型酪氨酸蛋白激酶,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,20,TGF的型和型受体,转化生长因子的型和型受体,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,21,具有鸟嘌呤环化酶活性的受体,胞外,胞内,膜受体,可溶性受体,PKH GC,GC,具有鸟苷酸环化酶活性的受体结构
15、PKH：激酶样结构域 GC：鸟苷酸环化酶结构域,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,22,三种膜受体的特点,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,23,受体作用的特点,配体浓度,受体饱和度,配体受体结合曲线,高度专一性 高度亲和力 可饱和性 可逆性 特定的作用模式,West China School of Preclinic
16、al and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,24,三、细胞内信号转导分子(intracellular signal transducer molecules),定 义：细胞外的信号经过受体转换进入细胞，通过一些蛋白质和小分子活性物质进行传递，这些传递信号的分子称为信号转导分子。,包括：无机离子：Ca2+脂类衍生物：DAG糖类衍生物：IP3核甘酸衍生物：cAMP cGMP其它：神经酰胺等,（一）小分子化合物（第二信使）,特点：细胞中的浓度改变迅速；类似物能模拟胞外信号分子的作用；阻断它的生成可阻断细胞对外界信号的响应；以变构效
17、应剂作用下游分子。,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,25,（二）蛋白质类细胞内信号转导分子 1.蛋白激酶,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,26,2.G蛋白(guanine nucleotide binding protein),是一类和GTP或GDP相结合、位于细胞膜胞浆面的外周蛋白，由、三个亚基组成。非活化型:三
18、聚体结合GDP活化型:亚基和 GTP结合，与亚基分离亚基:是G-蛋白的活性亚基,具有特异性,含有受体、GTP或GDP和效应物的结合位点,有GTP酶活性,可水解GTP成GDP.,G蛋白循环：活化型与非活化型的不停转换,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,27,G 蛋白循环机制,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,28,R,H
19、,AC,GDP,GTP,腺苷酸环化酶,AC,ATP,cAMP,G 蛋白循环机制,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,29,G蛋白种类和下游的效应分子,低分子量G蛋白：Ras，还有Rho，SEC4，YPT1等 分子量只有21KD而得名，具有GTP酶活性，在多种细 胞反应中具有开关作用.,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,3
20、0,3.蛋白质的相互作用结构域,SH2 域(Src homology 2 domain):与原癌基因src编码的酪氨酸蛋白激酶同源，该区域能识别并结合含有磷酸化的酪氨酸残基的蛋白质.SH3域:能识别并结合富含脯氨酸序列.血小板-蛋白激酶C同源结构域（pleckstrin homology domain,PH):可与PKC和G蛋白的 bg亚基结合，磷脂类分子PIP2、IP3等结合，介导蛋白定位于膜上.PTB结构域（phosphotyrosing binding domain):识别并结合含磷酸酪氨酸的模体.,West China School of Preclinical and Forensi
21、c Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,31,结构域的特点：,结构域的特点：一个分子可以含两种以上的结构域；一个结构域可存在多种不同的蛋白中；这些结构域本身无催化活性。,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,32,第 二 节,不同受体介导的信号转导途径,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng
22、 Gao,33,一、胞内受体介导的信息传递,配体类固醇激素:糖皮质H,盐皮质H,雄H,雌H,孕H,甲状腺激素,1,25-二羟D3,胞内受体(多属于转录因子）核内受体:雄H,雌H,孕H,甲状腺H 胞浆内受体:糖皮质H,盐皮质H,雄H,雌H,孕H,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,34,胞内受体介导的信息传递途径,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University
23、Xiu-feng Gao,35,N型乙酰胆碱受体的结构,二、离子通道型受体介导的信号转导,神经递质,结合离子通道受体,离子通道开放,膜电位改变,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,36,（一）AC-cAMP-PKA途径,途径,胞外信息分子G蛋白偶联受体Gs蛋白激活AC cAMPPKA效应蛋白磷酸化（丝氨酸或苏氨酸）,1.cAMP 的合成与分解,b1或b2肾上腺素胰高血糖素ACTHLHFSH等,三、G蛋白偶联受体介导的信号转导,West China Schoo
24、l of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,37,2cAMP的作用机理,cAMP 依赖性PKA的激活R 调节亚基 C 催化亚基,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,38,（cAMP-dependent protein kinase，PKA）,R：调节亚基C：催化亚基,cAMP,蛋白激酶A,R,R,West China School of Preclinical
25、and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,39,3PKA的生理功能,对代谢的调节作用,通过对效应蛋白的磷酸化作用，实现其调节功能。例如:胰高血糖素对糖原分解的级联调节反应.,活化后使许多蛋白质的特定的丝氨酸残基或苏氨酸残基磷酸化.,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,40,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichua
26、n University Xiu-feng Gao,41,受cAMP调控的基因中，在其转录调控区有一共同的DNA序列(TGACGTCA)，称为cAMP应答元件(cAMP response element,CRE)。可与cAMP应答元件结合蛋白(cAMP response element bound protein，CREB)相互作用而调节此基因的转录。,(2)对基因表达的调节作用,(3)调节细胞极性：通过激活离子通道，调节细胞极性。,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-fen
27、g Gao,42,胰高血糖素的信号转导,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,43,（二）钙依赖性蛋白激酶途径,组成：,胞外信息分子,激活 PKC,磷脂酶C(phospholipase C,PLC),甘油二脂(diacylglycerol,DG),三磷酸肌醇(inositol 1,4,5 triphosphate,IP3),Ca2+,Gq蛋白,乙酰胆碱血管紧张素促甲状腺素释放H促性腺H释放素 肾上腺素能激动剂抗利尿素等,G蛋白偶联受体,效应蛋白磷酸化（丝氨酸或
28、苏氨酸）,1.PLC-IP3/DG-PKC途径,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,44,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,45,IP3:与内质网和肌浆网上的受体结合促 使细胞内 Ca2+释放进入胞浆.,DAG:在磷脂酰丝氨酸和Ca2+协同 下 激活PKC,West China School of Preclinical
29、 and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,46,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,47,调节基因表达 PKC能使立早基因（多为原癌基因）的反式作用因子磷酸化，加速其表达，最终活化晚期反应基因,导致细胞增生。,*PKC的生理功能,调节代谢活化的PKC引起一系列靶蛋白的丝氨酸残基、苏氨酸残基磷酸化。靶蛋白包括：质膜受体、膜蛋白和多种酶。,West China School of Preclin
30、ical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,48,PKC 对基因的早期活化和晚期活化,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,49,2.Ca2+/钙调蛋白依赖的蛋白激酶途径,钙调蛋白(calmodulin,CaM)是一条多肽链组成的单体蛋白,有四个Ca2+结合位点。结合后具有生物学活性.,West China School of Preclinical and Forensic Medic
31、ine,Sichuan University Xiu-feng Gao,50,Ca2+-CaM作用:激活肌球蛋白轻链激酶-肌球蛋白轻链磷酸化-肌肉收缩;激活AC-细胞内cAMP增加;活化cAMP磷酸二酯酶-cAMP降解;使信息在细胞内传递,又可迅速消失。激活胰岛素受体的酪氨酸蛋白激酶磷酸化多种功能蛋白质（丝、苏氨基酸残基）糖原合酶和磷酸化酶激酶,丙酮酸激酶,丙酮酸脱羧酶,丙酮酸羧化酶等,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,51,West China Scho
32、ol of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,52,分 类,受体型TPK（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TPK（位于胞浆）如底物酶JAK和原癌基因（src、yes、ber-abl等）编码的TPK,四、蛋白激酶偶联受体介导的转导途径,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,53,EGFR介导
33、的信号转导过程,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,54,SOS(son of sevenless)富含脯氨酸，可与SH3结合；促使Ras的GDP换成GTP。,Ras蛋白：原癌基因产物，类似G蛋白的亚基,MAPK系统(mitogen-activated protein kinase),包括MAPK(ERK)、MAPK激酶（MAPKK:MEK）、MAPKK激活因子（MAPKKK:Raf），是一组酶兼底物的蛋白分子。,目 录,West China School
34、of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,55,2.JAKs-STAT途径,第一信使:部分生长因子,大部分细胞因子和激素,生长激素(GH)干扰素(IFN)红细胞生成素(EPO)粒细胞集落刺激因子(G-CSF)白细胞介素(IL-2,IL-6)等非催化性受体:没有酪氨酸激酶活性JAKs(janus kinases):具有酪氨酸激酶活性信号转导子和转录活化子(signal transductors and activators of transcription，STAT),组成,West China Sc
35、hool of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,56,干扰素介导的信号转导通路,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,57,NF-B 信号转导通路,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,58,细胞信号转导的复杂性和多样性,West China School of Preclinical and Forensic Medicine,Sichuan University Xiu-feng Gao,59,1.对于外源信息的反应信号的发生和终止十分迅速；2.信号转导过程是多级酶反应，具有级联放大效应；3.信号转导系统有一定的通用性，一种信息分子和通路可用于几条信息传递途径；4.不同的通路之间有广泛的信息交流。,细胞信号转导过程的特点和规律,
