细胞生物学第9章-细胞信号转导PPT参考课件.ppt

tion,）,：,一个细胞发出的信息通过介质,传递,到另一个细胞产生相应的反应。细胞间的通讯对于多细胞生物体的发生和组织构建，协调细胞的功能，控制细胞的生长和分裂是必需的。,细胞识别（,cell recognition,）：,细胞通过表面的受体与胞外信号物质分子（配体）选择性的相互作用，导致细胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效应的过程,细胞信号通路,（,signaling pathway,）,：,指细胞接受外界信号，通过一整套特定的机制，将胞外信号转导为胞内信号，最终调节特定基因的表达，引起细胞的应答反应。,第一节 细胞信号转导概述,3,2025/6/12 周四,一、细胞通讯1.,方式,化学信号通讯,(chemical signaling),接触依赖性通讯,（,contact-dependent signaling,）,间隙连接,（,gap junction,）,胞间连丝,（,plasmodesma,）,4,2025/6/12 周四,化学信号通讯作用方式,内分泌,旁分泌,化学突触,自分泌,5,2025/6/12 周四,细胞分泌化学信号的作用方式,内分泌,（,endocrine,）：低浓度；全身性；长时效。,旁分泌,（,paracrine,）：细胞分泌的信号分子通过扩散作用,于邻近的细胞。包括各类细胞因子和气体信号分子。,自分泌,（,autocrine,）：信号发放细胞和靶细胞为同类或同,一细胞，常见于癌变细胞。,化学突触,（,chemical synapse,）：神经递质由突触前膜释,放，经突触间隙扩散到突触后膜，作用于特定的靶细胞。,6,2025/6/12 周四,一、细胞通讯,2,.,步骤,与功能,存活,生长+分裂,分化,死亡,7,2025/6/12 周四,信号转导影响细胞结构和功能的各方面,信号转导,发育,生长,凋亡,免疫,代谢,酶活性；,细胞骨架；,离子通透性；,DNA,合成的起始；,基因表达激活或抑制,8,2025/6/12 周四,二、几个基本概念,信号分子,受体,第二信使,分子开关,9,2025/6/12 周四,10,（一）信号分子（配体）Signal molecule(Ligand):,细胞的信息载体，,能与靶细胞受体结合并传递信息。,物理信号：声、光、电、温度,化学信号：激素、局部介质、神经递质,10,2025/6/12 周四,化学信号分子,气体性信号分子,：,NO,、,CO,特点,：,可自由扩散,进入细胞激活效应酶。,疏水,性信号分子,：,主要是甾类激素和甲状腺素,特点,：分子小、疏水性强，可穿过细胞膜与细胞质或细胞核中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、局部介质和多数蛋白类激素,特点,：不能穿过脂双层，只能与靶细胞表面受体结合，再经信号,转导,，在细胞内产生第二信使引起细胞的应答反应。,11,2025/6/12 周四,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。,受体结合特异性配体后被激活，通过信号转导途径将胞外信号转换为胞内化学或物理信号，以启动一系列过程，最终表现为细胞生物学效应。,（二）受体,一般至少包括两个功能区域，与,配体结合的区域和产生效应的区域,，分别具有,结合特异性,和,效应特异性,。,12,2025/6/12 周四,细胞内受体,细胞表面受体,受体的类型,亲水性信号分子,小的亲脂性信号分子,13,2025/6/12 周四,细胞内受体的特点,位于细胞质基质或核基质中；,识别并结合小的,脂溶性分子通常是,基因调控蛋白,或,酶,，与信号分子结合后被激活。,14,2025/6/12 周四,细胞表面受体的类型,A.离子通道偶联受体,（,ion channel-coupled receptor,）,B.,G,蛋白偶联受体,（,G-protein-coupled receptor,GPCR,）,C.,酶联受体,（,enzyme-linked receptor,）,15,2025/6/12 周四,同一信号分子作用于不同靶细胞的受体后，产生不同的生物学效应。如：,乙酰胆碱,同一靶细胞上不同的受体应答不同的胞外信号，产生相同的效应。,每种细胞都有一套多种类型的受体，应答多种不同的胞外信号从而启动细胞不同生物学效应，如：生长、分裂、分化或调亡。,（二）受体,16,2025/6/12 周四,受体转导胞外信号引发快反应和慢反应,17,2025/6/12 周四,（三）第二信使,第一信使,-,细胞外信号分子,第二信使,（,second messenger,）,：,指在胞内产生的非蛋白类小分子，其浓度变化应答于胞外信号与细胞表面受体的结合，在细胞信号转导途径中行使携带和放大信号的功能,。,18,2025/6/12 周四,（三）第二信使,目前公认的第二信使：,cAMP,（环腺苷酸）、,cGMP,（环鸟甘酸）、,Ca,2+,、,DAG,（二酰甘油）、,IP,3,（,1,4,5-,三磷酸肌醇）,、,PIP3,（,3,4,5-,三磷酸磷脂酰肌醇）等。,19,2025/6/12 周四,cAMP,是第一个被发现的第二信使。,1971,年获诺贝尔生理学或医学奖,萨瑟兰（,Earl W.Sutherland,Jr,）,1915 1974,（三）第二信使,20,2025/6/12 周四,分子开关,（,molecular switch,）,：通过活化（开启）和失活（关闭）,2,种状态的转换来控制下游靶蛋白的活性的调控蛋白。,（四）分子开关,GTPase超家族,蛋白质磷酸化和去磷酸化,Ca,2+,的结合或解离,21,2025/6/12 周四,GTPase,超家族,GTPase,超家族：,三聚体,GTP,结合蛋白,单体,GTP,结合蛋白,22,2025/6/12 周四,GTPase,超家族,23,2025/6/12 周四,通过,蛋白激酶,使靶蛋白磷酸化，通过,蛋白磷酸水解酶,使靶蛋白去磷酸化，从而调节靶蛋白的活性,。,蛋白质磷酸化和去磷酸化,24,2025/6/12 周四,Ca,2+,的结合或解离,钙调蛋白,（,calmodulin,，,CaM,）,25,2025/6/12 周四,细胞表面受体介导的信号通路,5,个步骤：,受体特异性识别并结合胞外信号分子，形成受体配体复合物，导致,受体激活,受体构象改变，导致信号初级跨膜转导，靶细胞内产生,第二信使或活化的信号蛋白,胞内第二信使或胞内信号蛋白复合物装配，起始,胞内信号放大的级联反应,细胞应答,反应,受体脱敏或受体下调，,终止或降低细胞反应,三、信号转导系统及其特性,（一）信号转导系统基本组成及信号蛋白相互作用,26,2025/6/12 周四,蛋白质模式结合域（,modular binding domain,）,SH2,结构域（,Src homology 2 domain,）,27,2025/6/12 周四,蛋白质模式结合域及其结合基序特异性,28,2025/6/12 周四,Robert J.Lefkowitz,Brian K.Kobilka,美国科学家罗伯特,莱夫科维茨,（,Robert J.Lefkowitz,）,和布莱恩,克比尔卡Brian K.Kobilka,）,因,“,G,蛋白偶联受体研究”,获得,2012,年诺贝尔化学奖,29,2025/6/12 周四,（二）细胞内信号蛋白复合物的装配,三、信号转导系统及其特性,基于支架蛋白,基于受体活化域,基于肌醇磷脂,30,2025/6/12 周四,（三）信号系统的主要特性,三、信号转导系统及其特性,特异性,放大效应,脱敏,整合作用,31,2025/6/12 周四,第二节 细胞内受体介导的信号传递,亲脂性小分子,-类固醇激素、视黄酸、维生素,D,和甲状腺素受体在细胞核内,脂溶性气体分子,NO,-受体具有鸟苷酸环化酶活性,个别亲脂性小分子,-如前列腺素受体在细,胞质膜上,32,2025/6/12 周四,NO,气体信号分子进入靶细胞直接与酶结合,33,2025/6/12 周四,NO,在导致血管平滑肌舒张中的作用,乙酰胆碱血管内皮,Ca2+,浓度升高,NO,合酶,NO,平滑肌细胞鸟苷酸环化酶,cGMPPKG,平滑肌舒张血管扩张、血流通畅,34,2025/6/12 周四,“,明星分子,”,NO,NO,为脂溶性气体，可快速扩散透过细胞膜，作用于临近靶细胞；,血管内皮细胞和神经细胞是,NO,的生成细胞；,NO,的生成以精氨酸为底物由,NO,合成酶,（,NOS,）,催化,，以NADPH为电子供体，生成NO和瓜氨酸；,NO,的效应酶是,鸟苷酸环化酶,。,35,2025/6/12 周四,硝酸甘油治疗心绞痛：,其作用机理是,硝酸甘油代谢生成,NO,，后者刺激心脏血管平滑肌细胞舒张，从而增加心脏供血。,NO,与药物,36,2025/6/12 周四,Viagra(,伟哥,)inhibits the enzyme PDE,枸橼酸西地那非,(sildenafil citrate),：一种对环磷酸鸟苷（,cGMP,）特异的,5,型磷酸二酯酶（,PDE5,）选择性抑制剂,NO,激活鸟苷酸环化酶导致环磷酸鸟苷（,cGMP,）水平增高，使阴茎海绵体内平滑肌松弛，血液充盈,www.rise.duke.edu/phr150/Viagra/howitworks.html,www.topnews.in/health/viagra-may-cause-hearing-loss-27477,37,2025/6/12 周四,第三节,G,蛋白偶联受体介导的信号转导,G,蛋白,受体,效应物,38,2025/6/12 周四,一、,G,蛋白偶联受体的结构与激活,G,蛋白偶联受体（,GPCR,）是细胞表面受体中最大的多样性家族,含有,7,个,疏水肽段形成的跨膜,螺旋区,和相似的三维结构，,N,端在细胞外侧,，,C,端在胞质侧,39,2025/6/12 周四,2.G蛋白,G,蛋白是,三聚体,GTP,结合调节蛋白,的简称，位于质膜胞浆一侧。,由,G,、,G,、,G,三个亚基组成，,G,和,G,亚基以异二聚体存在；,G,和,G,亚基通过共价结合的脂肪酸链尾结合在膜上；,G,亚基本身具有,GTPase,活性，是分子开关蛋白。,一、,G,蛋白偶联受体的结构与激活,40,2025/6/12 周四,41,3.效应物,（,effector,）,：,指直接产生效应的物质，它们是信号转导途径中的催化单位。,A:,离子通道,B:,腺苷酸环化酶,C:,磷脂酶,C,一、,G,蛋白偶联受体的结构与激活,41,2025/6/12 周四,哺乳类三聚体,G,蛋白的主要种类及其效应器,G,类型,结合的效应器,第二信使,受体举例,Gs,腺苷酸环化酶,cAMP,（升高）,肾上腺素受体，胰高血糖素受体，血中复合胺受体，后叶加压素受体,Gi,腺苷酸环化酶,K+,通道（,G,激活效应器）,cAMP,（降低）,膜电位改变,1,肾上腺素受体,M,乙酰胆碱受体,Golf,腺苷酸环化酶,cAMP,（升高）,嗅觉受体（鼻腔）,Gq,磷脂酶,C,IP3,，,DAG,（升高）,2,肾上腺素受体,Go,磷脂酶,C,IP3,，,DAG,（升高）,乙酰胆碱受体（内皮细胞）,Gt,cGMP,磷酸二酯酶,cGMP,（降低）,视杆细胞中视紫红质（光受体）,42,2025/6/12 周四,4.G蛋白偶联受体的激活,一、,G,蛋白偶联受体的结构与激活,43,2025/6/12 周四,一、,G,蛋白偶联受体的结构与激活,44,2025/6/12 周四,一、,G,蛋白偶联受体的结构与激活,45,2025/6/12 周四,二、,G,蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路,G,蛋白偶联受体,主要有3,类,：,激活离子通道,激活或抑制,腺苷酸环化酶,(AC)，,以,cAMP,为第二信使,激活,磷脂酶,C(PLC)，,以,IP3,和,DAG,作为双信使,46,2025/6/12 周四,（一）激活离子通道的,G,蛋白偶联受体所介导的信号通路,心肌细胞上,M,乙酰胆碱受体激活,G,蛋白开启,K,+,通道,AchM,型,Ach,受体,Gi,蛋白（,Gi,G,）,G,K+,通道,K+,外流超极化减缓心肌细胞的收缩频率。,47,2025/6/12 周四,（二）激活或抑制腺苷酸环化酶的,G,蛋白偶联受体,受体：,刺激性激素的受体(Rs)；抑制性激素的受体(Ri),G,蛋白：,刺激性,G,蛋白(Gs)；抑制性,G,蛋白(Gi),效应酶,：,腺苷酸环化酶,（AC,）,第二信使,48,2025/6/12 周四,腺苷酸环化酶,（,AC,）,和环腺苷酸磷酸二酯酶(PDE),腺苷酸环化酶,（,AC,）,：,跨膜,12,次。在,Mg,2+,或,Mn,2+,存在下，催化,ATP,生成,cAMP,环腺苷酸磷酸二酯酶,（,PDE,）,：,可降 解,cAMP,生成,5-AMP,，导致细胞内,cAMP,水平下降,49,2025/6/12 周四,蛋白激酶,A,（,protein kinase A,，,PKA,）,无活性的,PKA,是含有,2,个调节亚基,(,R,),和,2,个催化亚基,(,C,),的四聚体，每个,R,亚基上有,2,个,cAMP,结合位点,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PKA,50,2025/6/12 周四,1.cAMP-PKA,信号与糖原代谢,51,2025/6/12 周四,2.cAMP-PKA,信号通路与基因表达调控,52,2025/6/12 周四,（三）激活磷脂酶,C,、以,IP3,和,DAG,作为双信使,G,蛋白偶联受体介导的信号通路,胞外信号分子与细胞表面,G,蛋白偶联受体结合，激活质膜上的,磷脂酶C(PLC),，使质膜上的,磷脂酰肌醇(,PI),最终水解为,三磷酸肌醇(,IP,3,),和二酰甘油(,DAG,),两个第二信使，使胞外信号转换为胞内信号，两个第二信使分别以不同的方式引起细胞的应答反应。,53,2025/6/12 周四,IP3-Ca,2+,和,DAG-PKC,双信使信号通路,54,2025/6/12 周四,1.IP3-Ca,2+,信号通路与钙火花,IP,3,打开内质网膜上的,IP,3,-,门控,Ca,2+,通道，细胞质基质中,Ca,2+,浓度迅速升高。,钙火花,（,Ca,2+,spark,）,：在短短的,10ms,内，细胞内某一微区,Ca,2+,探针,Fluo-3,的荧光强度骤升,1,倍，随后又在,20ms,内消失，故称钙火花。钙火花在时空上的叠加形成了细胞水平的钙振荡。,55,2025/6/12 周四,Ca,2+,-CaM,Ca,2+,通过,钙调蛋白,发挥作用。,钙调蛋白,（,calmodulin,CaM,）,：每个,CaM,分子由,148,氨基酸残基组成，含四个结构域，每个结构域可结合1个,Ca,2+,。,CaM,是一种广泛分布的高度保守的小分子,Ca,2+,结合（应答）蛋白，参与许多,Ca,2+,依赖性的生理反应与信号转导。,Ca,2+,通过形成,Ca,2+,-CaM,复合物将靶酶激活或抑制,，这是一种受,Ca,2+,浓度控制的可逆反应。,56,2025/6/12 周四,Ca,2+,-CaM-CaM kinase,57,2025/6/12 周四,2.DAG-PKC,信号通路,细胞质基质中,Ca,2+,浓度的升高，,导致蛋白激酶,C,（,PKC,）,转位到质膜内表面，被,DAG,活化；,PKC,通过使,底物蛋白磷酸化,使细胞产生应答反应（细胞分泌、肌肉收缩、细胞增殖及分化）。,58,2025/6/12 周四,受体酪氨酸激酶,（,RTK,）,包括,7,个亚族,绝大多数,RTK,是单体跨膜蛋白,N,端位于细胞外，是配体结合域，,C,端位于胞内，具有酪氨酸激酶结构域，并具有,自磷酸化,位点,RTK,的主要功能控制细胞的生长、分化,第四节 酶联受体介导的信号转导,59,2025/6/12 周四,第四节 酶联受体介导的信号转导,受体酪氨酸激酶,受体丝氨酸,/,苏氨酸激酶,受体酪氨酸磷酸酯酶,受体鸟苷酸环化酶,酪氨酸蛋白激酶联受体,60,2025/6/12 周四,受体酪氨酸激酶的激活,在静息状态,RTK,活性很低，信号分子与受体结合导致受体二聚化，受体的二聚化激活酪氨酸激酶活性，进而在二聚体内彼此交叉磷酸化,受体,胞内段的酪氨酸残基,（自磷酸化autophosphorylation）,激活的,RTK,内的磷酸酪氨酸残基可被含,SH2,结构域,的胞内信号蛋白所识别，启动信号传导,61,2025/6/12 周四,Ras,蛋白,Ras,蛋白：由,190个氨基酸残基组成的,单体,GTP,结合蛋白,，是一种,GTPase,开关蛋白,Ras,蛋白,GTP-GDP,转换机制：,鸟苷酸交换因子,（,GEF,）,使,Ras,蛋白活化（开启）,；,GTP,酶促进蛋白,（GAP）,使,Ras,蛋白失活（关闭）,62,2025/6/12 周四,活化的,RTK,激活,Ras,蛋白,生长因子受体结合蛋白,GRB2,，具有,SH2,结构域，可直接与活化受体特异性磷酸酪氨酸残基结合，,GRB2,还具有两个,SH3,结构域，能结合并激活另一种胞质蛋白,Ras-GEF,（,son of sevenless,，,Sos,）,Sos,蛋白具有鸟苷酸交换因子活性，它与,Ras,结合导致构象改变，使非活性的,Ras-GDP,转换成有活性的,Ras-GTP,63,2025/6/12 周四,Ras-MAPK,磷酸化级联反应,配体,RTK GRB2 Sos Ras,Raf,（,MAPKKK,）,Mek,（,MAPKK,）,Erk,（,MAPK,）进入细胞核 其它激酶或转录因子改变靶蛋白活性或改变基因表达,64,2025/6/12 周四,第五节 其他细胞表面受体介导的信号通路,65,2025/6/12 周四,第六节 细胞信号转导的整合与控制,66,2025/6/12 周四,一、细胞的应答反应特征,细胞对信号的应答反应具有,发散性,或,收敛性,特征,67,2025/6/12 周四,二、蛋白激酶的网络整合信息,“交叉对话”,（,cross talk,）,68,2025/6/12 周四,三、信号的控制：受体的脱敏与下调,受体没收,（,receptor sequestration,）,受体下调,（,receptor down-regulation,）,受体失活,（,receptor inactivation,）,信号蛋白失活,（,inactivation of signaling protein,）,抑制性蛋白产生,（,production of inhibitory protein,）,69,2025/6/12 周四,