第5章-细胞通讯.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,细胞通讯,(cell communication),是细胞间或细胞内通过高度精确和高效地发送与接收信息的通讯机制，对环境作出综合反应的细胞行为。,5.1,细胞通讯的基本特点,细胞的通讯与人类社会的通讯有异曲同工之妙,:,由信号发射细胞发出信号,(,接触和产生信号分子,),，由信号接收细胞,(,靶细胞,),探测信号，其接收的手段是通过接收分子,(,受体蛋白,),，然后通过靶细胞的识别，最后作出应答。,信号传导,(a),电话接收器将电信号转换成声信号,;(b),细胞将细胞外信号,(,分子,A),转变成细胞内的信号,(,分子,B),。,通讯方式,细胞有三种通讯方式,(,下图,):,通过信号分子,;,通过相邻细胞间表面分子的粘着或连接,;,通过细胞与细胞外基质的粘着,。在这三种方式中，第一种不需要细胞的直接接触，完全靠配体与受体的接触传递信息，后两种都需要通过细胞的接触。所以可将细胞通讯的方式分为两大类,:,不依赖于细胞接触的细胞通讯,;,依赖于细胞接触的细胞通讯。,5.1.1,细胞通讯的方式与反应,比较信号传导,(cell signalling),与信号转导,(signal transduction),的差别,:,二者的涵义不同，前者强调,信号的释放与传递,，包括细胞通讯的前三个过程,:,信号分子的合成,:,一般的细胞都能合成信号分子，而内分泌细胞是信号分子的主要来源。,信号分子从信号传导细胞释放到周围环境中,:,这是一个相当复杂的过程，特别是蛋白类的信号分子，要经过内膜系统的合成、加工、分选和分泌，最后释放到细胞外。,信号分子向靶细胞运输,:,运输的方式有很多种，但主要是通过血液循环系统运送到靶细胞。,信号转导强调信号的接受与放大，包括细胞通讯的后三步,:,靶细胞对信号分子的识别和检测,:,主要通过位于细胞质膜或细胞内受体蛋白的选择性的识别和结合。,细胞对细胞外信号进行跨膜转导，产生细胞内的信号。,细胞内信号作用于效应分子，进行逐步放大的级联反应，引起细胞代谢、生长、基因表达等方面的一系列变化。,另外，细胞完成信号应答之后，要进行信号解除，终止细胞应答，主要是通过对信号分子的修饰、水解或结合等方式降低信号分子的水平和浓度以终止反应。,5.1.2,信号分子及信号传导,信号分子,(signal molecules),细胞通讯的信息多数是通过信号分子来传递的。信号分子是同细胞受体结合并传递信息的分子。,信号分子本身并不直接作为信息，它的基本功能只是提供一个正确的构型及与受体结合的能力。,信号分子的类型及信号传导方式,三种不同类型的信号分子及其信号传导方式,有三种类型的信号分子,激素,(hormone),激素是由内分泌细胞,(,如肾上腺、睾丸、卵巢、胰腺、甲状腺、甲状旁腺和垂体,),合成的化学信号分子，一种内分泌细胞基本上只分泌一种激素，参与细胞通讯的激素有三种类型,:,蛋白与肽类激素、类固醇激素、氨基酸衍生物激素,(,下表,),名称,合成部位,化学特性,主要作用,肾上腺素,肾上腺,酪氨酸衍生物,提高血压、心律、增强代谢,雌二醇,卵巢,类固醇,诱导和保持雌性副性征,胰高血糖素,胰,细胞,肽,在肝、脂肪细胞刺激葡萄糖合成、糖原断裂、脂断裂,胰岛素,胰,细胞,蛋白质,刺激肝细胞等葡萄糖吸收、蛋白 质及脂的合成,睾酮,睾丸,类固醇,诱导和保持雄性副性征,甲状腺素,甲状腺,酪氨酸衍生物,刺激多种类型细胞的代谢,通过激素传递信息是最广泛的一种信号传导方式，这种通讯方式的距离最远，覆盖整个生物体。在动物中，产生激素的细胞是内分泌细胞，所以将这种通讯称为,内分泌,信号,(endocrine signaling),。,局部介质,(local mediators),局部介质是由各种不同类型的细胞合成并分泌到细胞外液中的信号分子，它只能作用于周围的细胞。通常将这种信号传导称为,旁分泌信号,(paracrine signaling),，以便与自分泌信号相区别。有时这种信号分子也作用于分泌细胞本身，如前列腺素,(prostaglandin,，,PG),是由前列腺合成分泌的脂肪酸衍生物,(,主要是由花生四烯酸合成的,),，它不仅能够控制邻近细胞的活性，也能作用于合成前列腺素细胞自身，通常将由自身合成的信号分子作用于自身的现象称为,自分泌信号,(autocrine signaling),。,神经递质,(neurotransmitters),神经递质是由神经末梢释放出来的小分子物质，是神经元与靶细胞之间的化学信使。由于神经递质是神经细胞分泌的,所以这种信号又称为神经信号,(neuronal signaling),。,依赖于细胞接触的信号传导,通过细胞的接触，包括通过细胞粘着分子介导的细胞间粘着、细胞与细胞外基质的粘着、连接子,(,植物细胞为胞间连丝,),介导的信号传导。,通过细胞接触进行的通讯中，信号分子位于细胞质膜上，两个细胞通过信号分子的接触传递信息,(,下图,),。,通过分泌的信号分子通讯与通过膜结合的信号分子通讯的比较,5.1.3,受体与信号的接收,细胞通讯中，由信号传导细胞送出的信号分子必须被靶细胞接收才能触发靶细胞的应答，接收信息的分子称为,受体,(receptor),，信号分子则被称为,配体,(ligand),。,受体存在的部位,信号分子识别并结合的受体通常位于细胞质膜或细胞内，所以有两类受体,:,表面受体,(surface receptor),于细胞质膜上的称为表面受体,(surface receptor),细胞内受体,(intracellular receptor),位于胞质溶胶、核基质中的受体称为,细胞内受体,(intracellular receptor),。,表面受体主要是同大的信号分子或小的亲水性的信号分子作用，传递信息。而细胞内受体主要是同脂溶性的小信号分子作用,细胞表面受体与细胞内受体,细胞内受体,细胞内受体通常有两个不同的结构域,一个是与,DNA,结合的结构域,另一个是激活基因转录的,N,端结构域。此外有两个结合位点,一个是与配体结合的位点,位于,C,末端,另一个是与抑制蛋白结合的位点,在没有与配体结合时,则由抑制蛋白抑制了受体与,DNA,的结合,若是有相应的配体,则释放出抑制蛋白,(,下图,),。,细胞内受体的结构示意图,细胞内受体在接受脂溶性的信号分子并与之结合形成受体,-,配体复合物后就成为转录促进因子，作用于特异的基因调控序列，启动基因的转录和表达,糖皮质激素受体激活,(a),类固醇激素通过扩散穿过细胞质膜,;(b),激素分子与胞质溶胶中的受体结合,;(c),抑制蛋白与受体脱离，露出与,DNA,结合和激活基因转录的位点,;(d),被激活的复合物进入细胞核,;(e),与,DNA,增强子区结合,;(f),促进受激素调节的基因转录。,细胞表面受体,位于细胞质膜上的受体称为表面受体，主要有三种类型,离子通道偶联受体,(ion-channel linked receptor),、,G-,蛋白偶联受体,(G-protein linked receptor),、,酶联受体,(enzyme-linked receptor),三种类型的细胞表面受体,(a),离子通道偶联受体,;(b)G-,蛋白偶联受体,;(c),酶联受体。,离子通道偶联受体,(ino-channel linked receptor,),具有离子通道作用的细胞质膜受体,称为离子通道受体，这种受体见于,可兴奋细胞间,的突触信号传导，产生一种电效应,离子通道偶联受体与信号传导,动作电位到达突触末端,引起暂时性的去极化,;,去极化作用打开了电位门控钙离子通道,导致钙离子进入突触球,;Ca2+,浓度提高诱导分离的含神经递质分泌泡的分泌,释放神经递质,;Ca2+,引起储存小泡分泌释放神经递质,;,分泌的神经递质分子经扩散到达突触后细胞的表面受体,;,神经递质与受体的结合,改变受体的性质,;,离子通道开放,离子得以进入突触后细胞,;,突触后细胞中产生动作电位。,烟碱样乙酰胆碱受体,(nicotinic acetylcholine receptor),是研究得比较清楚的离子通道偶联受体，它存在于脊椎动物骨骼肌细胞以及某些鱼的放电器官细胞的质膜上，受体与乙酰胆碱结合，引起,Na,+,通道的开放，,Na,+,流入靶细胞，使得质膜去极化并引起细胞的收缩。,G-,蛋白偶联受体,(G-protein linked receptor),这类受体的种类很多，在结构上都很相似都是一条多肽链，并且有,7,次,螺旋跨膜区。这种,7,次跨膜受体蛋白的超家族包括视紫红质,(,脊椎动物眼中的光激活光受体蛋白,),，以及脊椎动物鼻中的嗅觉受体。,G-,蛋白偶联受体的结构,每一种,G-,蛋白偶联受体都有,7,个,螺旋的跨膜区，信号分子与受体的细胞外部分结合，并引起受体的细胞内部分激活相邻的,G-,蛋白,。,酶联受体,(enzyme linked receptor),这种受体蛋白既是,受体又是酶,，一旦被配体激活即具有酶活性并将信号放大，又称催化受体,(catalytic receptor),。按照受体的细胞内结构域是否具有酶活性将此类受体分为两大类,:,缺少细胞内催化活性的酶联受体,和,具有细胞内催化活性的酶联受体,。,非酪氨酸激酶受体,(nonreceptor tyrosine kinases),就是缺少细胞内催化活性的酶联受体。虽然这种受体本身没有酶的结构域,但实际效果与具有酶结构域的受体是一样的,缺少细胞内酪氨酸激酶的酶联受体,受体与酪氨酸激酶是分开的，配体与受体结合后，受体形成,二聚体,，,两个酪氨酸激酶分别与受体结合并被激活。,细胞内具有催化结构域的酶联受体有很多种类型,包括具有鸟苷环化酶活性受体和磷酸酶的活性,(a,b),受体、丝氨酸,/,苏氨酸蛋白激酶活性受体或酪氨酸蛋白激酶的活性的受体,(c,d),。,具有细胞内催化结构域的酶联受体,G-,蛋白偶联受体,(G-protein linked receptor),配体与受体结合后激活相邻的,G-,蛋白,被激活的,G-,蛋白又可激活或抑制一种产生特异第二信使的酶或离子通道,引起膜电位的变化。由于这种受体参与的信号转导作用要与,GTP,结合的调节蛋白相偶联,因此将它称为,G,蛋白偶联受体。,这类受体的种类很多，并在结构上都很相似都是一条多肽链，并且有,7,次,螺旋跨膜区。这种,7,次跨膜受体蛋白的超家族包括视紫红质,(,脊椎动物眼中的光激活光受体蛋白,),以及脊椎动物鼻中的嗅觉受体。,G,蛋白偶联受体是最大的一类细胞表面受体，它们介导许多细胞外信号的传导，包括 激素、局部介质和神经递质等。,G,蛋白偶联受体的进化地位相当原始，不仅存在于亲缘关系较远的真核生物（如酵母）中，即使在细菌中也存在与,G-,蛋白偶联受体相似的膜蛋白，如细菌的菌紫红质，它的作用是光驱动的,H+-,泵。但细菌中的此类蛋白并不具有,G-,蛋白偶联受体的功能，因为细菌中没有,G,蛋白,推测其偶联系统并不相同。,5.1.4,受体与配体相互作用及研究方法,细胞通过化学信息进行通讯的能力取决于信号分子的合成与分泌以及受体与配体的相互识别和结合,配体与受体的结合又与配体与受体的结构和化学性质相关联。,表面受体超家族,(surface receptor superfamilies),根据表面受体进行信号转导的方式将受体分为三大类若是根据表面受体与质膜的结合方式则可分为单次跨膜、,7,次跨膜和多亚单位跨膜等三个家族,(,图,5-13),。,单次、,7,次与多亚基跨膜的表面受体,受体与配体相互作用的特点,多细胞生物体中的细胞,其周围环境中常常有多达几百种的化学信号分子,细胞如何去识别,?,是否一种信号分子只能作用于一种类型的细胞,?,受体与配体如何结合,?,这些都是由受体自身的特性决定的。,特异性,(specificity),受体与配体的结合是高度特异性的反应，但不是绝对的，有受体交叉,(receptor crossover),现象。,高亲和力,(high affinity binding),受体与配体结合的能力称为亲和力。通过配体与受体结合反应的动力学分析可获得亲和力的信息。受体对其配体的亲和力很强，亲和力越强，受体越容易被占据。亲和力的大小常用受体,-,配体复合物的解离常数,(K,d,),值来表示，通常是,10,-9,M,左右。,饱和性,(saturation),由于细胞含有有限数量受体分子,提高配体分子的浓度,可使细胞的受体全部被配体所占据,此时的受体处于饱和状态,因为即使增加配体的浓度也不会增加配体与受体的结合。由于一个细胞或一定组织内受体的数目是有限的,因此受体与配体的结合是可以饱和的。,可逆性,(reversibility),配体与受体的结合是通过非共价键,所以是快速可逆的。当引发出生物效应后,受体,-,配体复合物解离,受体可以恢复到原来的状态,并再次使用。受体与配体结合的可逆性有利于信号的快速解除,避免受体一直处于激活状态。,生理反应,(physiological response),信号分子与受体的结合会引起适当的生理反应，反应的强弱与结合配体的受体数量正相关。如在胰岛素与受体的结合时，会激发葡萄糖向靶细胞的运输，并且，葡萄糖运输的数量随受体结合胰岛素的数量增加而增加。,请设计一个实验研究受体与配体结合的特异性,可采用非放射性标记的底物同放射性标记的配体竞争受体的结合位点的方法。原理是,:,如果结合是特异性的,只有信号分子能够同受体结合,而与信号分子无关的分子则不能同受体结合。例如,放射性标记的胰岛素与受体的结合不会受胰高血糖素或,ACTH(,促肾上腺皮质激素,),的抑制,但是能够被非放射性标记的胰岛素或胰岛素衍生物所抑制,(,图,),。图证明激素与受体结合特异性的实验,实验中,将放射性标记的胰岛素与分离的膜一起温育,同时加入各种不同浓度的胰高血糖素或,ACTH,。与胰岛素无关的激素不会与放射性标记的胰岛素竞争质膜受体。通过,检测放射性即可证明。,信号分子与受体相互作用的复杂性,尽管细胞通过产生有限的受体来限制自己对众多的细胞信号分子作出反应，但是信号分子仍能以相当复杂的方式来控制细胞的行为。这种复杂性分表现在两个方面,虽然一种信号只能同一种受体作用，但能作用于不同的靶细胞引起多种效应如当心肌细胞暴露于神经递质乙酰胆碱时，它降低了收缩的频率；但是当唾液腺暴露于相同的信号分子时，却能分泌唾液,(,下图,),。,相同的信号分子在不同的靶细胞中引起不同的应答,不同类型的细胞以不同的方式对神经递质乙酰胆碱作出应答。在,(a),和,(b),中，信号分子与相同的受体蛋白结合，但由于细胞的功能不同，引起不同的反应；在,(c),中乙酰胆碱作用于不同的受体,一个细胞表面有几十甚至上千种不同的受体同时与细胞外基质中的不同信号分子起作用，这些信号分子共同作用的影响比任何单个信号所起的作用都强得多。所以细胞必须对多种信号进行协调综合。由于不同信号分子间的不同组合，会使细胞产生不同的综合性反应，有些信号组合起来可促进使细胞分裂，有些则促使细胞死亡。,亲和标记法分离表面受体,亲和标记,(affinity labeling),是常用的分离细胞表面受体的方法，其原理是,:,将细胞与超量标记的激素,(,配体,),混合，以饱和所有特异受体的激素结合位点。洗去多余的激素，然后加入能够与受体和配体结合的共价交联剂将激素与受体进行共价交联,(,下图,),。,亲和标记胰岛素受体,大多数交联剂,(cross-linking agent),含有两个可与蛋白质中自由氨基相互作用的基团,(,图,5-16),，当表面受体与配体结合后，配体和受体上各自的自由氨基的距离靠近到足以被小分子的交联剂结合时受体和配体就会被交联在一起。又由于与交联剂共价结合的配体和受体能够耐受去垢剂和变性剂的处理，也就是说，在有去垢剂和变性剂存在时，它们依然交联在一起，因而可用去垢剂和变性剂溶解细胞质膜，分离膜蛋白通过电泳进行分析。,5.1.5,信号转导与第二信使,信号分子这把钥匙一旦打开了细胞表面的受体锁，细胞就要作出应答。由于细胞自身就是一个社会，有各种不同的结构和功能体系，外来信号应由何种功能体系应答,?,这就是所谓的信号转导的通路。,信号转导途径,信号转导途径有两个层次，第一是将外部信号转换成内部信号途径，即信号转导途径。第二层次的含义是外部信号转换成内部信号后从哪个途径引起应答。,两种信号转导途径,:一种是通过,G,蛋白偶联,方式，即信号分子同表面受体结合后激活,G,蛋白，再由,G,蛋白激活效应物，效应物产生细胞内信号,;,第二种转导途径是,结合的配体激活受体的酶活性,，然后由激活的酶去激活产生细胞内信号的效应物。,信号转导的两种途径,途径：结合的配体激活,G,蛋白,然后由,G,蛋白激活效应物产生信号,;,途径：结合配体激活受体的酶活性,然后由激活的受体酶激活产生信号的效应物,。,细胞内生化反应途径,:,当外部信号被转换成内部信号后，在细胞内的传递途径如何,?,细胞内各种不同的生化反应途径都是由一系列不同的蛋白和酶组成的，执行着不同的生理生化功能。各途径中上游蛋白对下游蛋白活性的调节,(激活或抑制,),主要是通过添加或去除磷酸基团，从而改变下游蛋白的构型完成的,(,下图,),。所以，构成生化反应途径的主要成员是蛋白激酶和磷酸酶，它们能够引起细胞活性的快速变化又迅速恢复。,由蛋白激酶和蛋白质磷酸酶构成的信号转导途径,细胞应答与信号级联放大,细胞应答,:,细胞对外部信号的应答通常是综合性反应，包括,基因表达的变化、酶活性的变化、细胞骨架构型的变化、通透性的变化、,DNA,合成的变化、细胞死亡程序的变化,等。这些变化并非都是由一种信号引起的，通常要几种信号结合起来才能产生较复杂的反应，而且通过信号的不同组合产生不同的反应。,多种细胞外信号引起动物细胞的应答,信号级联放大,(signaling cascade),从细胞表面受体接收外部信号到最后作出综合性应答,不仅是一个信号转导过程,更重要的是将信号进行逐步放大的过程,细胞内的信号级联放大作用,第二信使,(second messengers),由细胞表面受体接受信号后转换而来的细胞内信号称为第二信使。,第二信使的产生及作用,细胞内有,五种,最重要的第二信使,:,cAMP,、,cGMP,、,1,，,2-,二酰甘油,(diacylglycerol,，,DAG),、,1,，,4,，,5-,三磷酸肌醇,(inosositol 1,，,4,，,5-trisphosphate,，,IP,3,),、,Ca,2+,等,细胞内五种第二信使的结构,5.2 G,蛋白偶联受体及信号转导,细胞质膜上最多，也是最重要的信号转导系统是由,G-,蛋白介导的信号转导。这种信号转导系统有两个重要的特点,:,系统由三个部分组成,:7,次跨膜的受体、,G,蛋白和效应物,(,酶,);,产生第二信使。,5.2.1 G,蛋白的结构与功能,G,蛋白，即,GTP,结合蛋白,(GTP binding protein),，参与细胞的多种生命活动,如细胞通讯、核糖体与内质网的结合、小泡运输、微管组装、蛋白质合成等。,异源三体,G,蛋白,(heterotrimeric G protein),的结构组成,G,蛋白偶联系统中的,G,蛋白是由三个不同亚基组成的异源三体,三个亚基分别是,、,、,总相对分子质量在,100kDa,左右。,G,蛋白有多种调节功能,包括,Gs,和,Gi,对腺苷酸环化酶的激活和抑制、对,cGMP,磷酸二酯酶的活性调节、对磷酯酶,C,的调节、对细胞内,Ca,2+,浓度的调节等，此外还参与门控离子通道的调节,(,下表,),。,效应物,G,蛋白,作用,腺苷酸环化酶,Gs,激活酶活性,Gi,抑制酶活性,K,+,离子通道,Gi,打开离子通道,磷脂酶,C,Gp,激活酶活性,cGMP,磷酸二脂酶,Gt,激活酶活性,G,蛋白循环,(G protein cycle),在,G,蛋白偶联信号转导系统中，,G,蛋白能够以两种不同的状态结合在细胞质膜上。一种是静息状态，即三体状态,;,另一种是活性状态，,G,蛋白由非活性状态转变成活性状态，尔后又恢复到非活性状态的过程称为,G,蛋白循环,(G protein cycle,，图,5-23),。,G,蛋白的这种活性转变与三种蛋白相关联,:,GTPase,激活蛋白,(GTPase-activating protein,，,GAPs),鸟苷交换因子,(guanine nucleotide-exchange factors,，,GEFs),鸟苷解离抑制蛋白,(guanine nucleotide-dissociation inhibitors,，,GDIs),G,蛋白循环,G,蛋白与,GDP,结合时是非活性状态，如果无活性的,G,蛋白与,GDI,结合，则处于被抑制状态,(,无活性,),，如果,G,蛋白与,GEF,相互作用，将,GDP,换成了,GTP,，,G,蛋白则被激活，可启动下游反应。处于活性状态的,G,蛋白与,GTPase,激活蛋白,(GAP),相互作用，会激活,GTPase,，使,GTP,水解成,GDP,，此时的,G,蛋白又恢复到无活性状态。,Q:,什么是,G,蛋白循环,(G protein cycle)?,与哪些蛋白相关,?,G,蛋白能够以两种不同的状态结合在细胞质膜上。一种是静息状态，即三体状态，此时的,亚基上结合的是,GDP,；另一种是活性状态，此时的,亚基上结合的是,GTP,，并且,亚基已与,G,亚基分开，而同某一特异蛋白结合在一起，引起信号转导。如果,GTP,被水解成,GDP,，则,G,蛋白又恢复成三体的静息状态，因为此时在,亚基上结合的是,GDP,而非,GTP,。,G,蛋白由非活性状态转变成活性状态，尔后又恢复到非活性状态的过程称为,G,蛋白循环。,G,蛋白的这种活性转变与三种蛋白相关联,:,GTPase,激活蛋白,(GTPase-activating protein,，,GAPs),大多数,G,蛋白具有催化所结合的,GTP,水解的能力，但是这种能力在与,GAPs,相互作用时会大大提高，由于,GAPs,的作用加速了,GTP,的水解，因而,GAPs,能够缩短,G,蛋白介导应答的时间。,鸟苷交换因子,(guanine nucleotide-exchange factors,，,GEFs),与失活,G,蛋白结合的,GDP,被,GTP,替换后，,G,蛋白就会转变成活性状态。,GEFs,是促进,GDP,从,G,蛋白上解离的蛋白因子，一旦,GDP,被释放，,G,蛋白很快就会与,GTP,结合，因为细胞中的,GTP,的浓度很高，所以,GEFs,能够激活,G,蛋白。,鸟苷解离抑制蛋白,(guanine nucleotide-dissociation inhibitors,，,GDIs)GDIs,的作用是抑制结合的,GDP,从,G,蛋白释放出来，所以,GDIs,可保持,G,蛋白处于非活性状态。,G,蛋白的信号转导作用,在,G,蛋白偶联受体的信号转导中,G,蛋白起重要作用，它能够将受体接受的信号传递给效应物，产生第二信使，进行信号转导，某些,G,蛋白可直接控制离子通道的通透性。一个典型的例子是通过神经递质乙酰胆碱调节心肌收缩。,G,蛋白偶联受体能够激活心肌质膜的,K+,离子通道打开,(a),神经递质乙酰胆碱与心肌细胞的膜受体结合，使得,G,蛋白的,亚基与,、,亚基分开,;(b),激活的,、,亚基复合物同,K+,离子通道结合并将,K+,离子通道打开,;(c),亚基中的,GTP,水解，导致,亚基与,、,亚基重新结合，使,G,蛋白处于非活性状态，使,K+,离子通道关闭。,5.2.2,PKA,系统,(protein kinase A system),的信号转导机理,该系统的信号分子作用于膜受体后，激活,G,蛋白偶联系统，产生,cAMP,后，激活蛋白激酶,A,进行信号的放大，故将此途径称为,PKA,信号转导系统,系统组成,G,蛋白偶联系统由三部分组成,:,表面受体、,G,蛋白和效应物,(,下图,),由于这三种复合物都是结合在膜上,故此将它们称为膜结合机器,(membrane-bound machinery),。,G,蛋白偶联系统的组成,:,膜结合机器,受体,G,蛋白偶联受体都是,7,次跨膜的膜整合蛋白，包括肾上腺素,(,型,),受体、胰高血糖素受体、促甲状腺素受体、后叶加压素受体、促黄体生长素受体、促卵泡激素受体等。,G,蛋白,效应物,(effector),所谓效应物是指直接产生效应的物质,通常是酶,如腺苷酸环化酶、磷酸脂酶等,它们是信号转导途径中的催化单位,(,下表,),。,配体,受体,效应物,生理效应,肾上腺素,-,肾上腺受体,腺苷酸环化酶,糖原水解,血清紧张素,血清紧张素受体,腺苷酸环化酶,行为敏感好学,光,视紫红质,cGMP,磷酸二酯酶,视觉兴奋,IgE,抗原复合物,肥大细胞,Ig-,受体,磷脂酶,C,分泌,f-Met,肽,趋化受体,磷脂酶,C,趋化性,乙酰胆碱,毒蝇碱受体,K,+,通道,降低起搏活性,第二信使,:cAMP,腺苷酸环化酶,(adenylate cyclase,，,AC),腺苷酸环化酶是膜整合蛋白，能够将,ATP,转变成,cAMP,，引起细胞的信号应答，故此，,AC,是,G,蛋白偶联系统中的效应物。,腺苷酸环化酶催化,ATP,生成,cAMP,cAMP,是如何发现的,?,科学家是如何证明腺苷酸环化酶在信号转导中的作用,?,1957,年,Earl Sutherland,在研究狗肝组织中糖原是如何断裂时发现了,cAMP,。,Sutherland,和他的同事们利用离体系统研究激素的生理反应,他们发现胰高血糖素或肾上腺素与细胞一起温育能够激活磷酸化酶。破碎细胞并经离心分离后,分别收集颗粒和溶液,发现磷酸化酶只存在于上清液中；但是,如果要对激素作出应答,颗粒是必不可少的。后来的实验表明,对激素的应答至少涉及两个不同的过程。如果分离肝的匀浆液中的颗粒部分,并将分离的颗粒与激素一起温育,然后将与激素温育过的颗粒添加到上清液中,发现有某种物质的产生,这种物质能够激活磷酸化酶。,Sutherland,鉴定了从膜颗粒中释放出的物质是一种小分子的环状单磷酸腺苷,即,cAMP,。由于,cAMP,是激素作用膜受体后释放出来的,并且能激活磷酸化酶的活性,所以,cAMP,被称为第二信使。虽然,cAMP,是第一信使作用于膜颗粒后产生的第二信使,至于,cAMP,是如何产生的却有几种推测。最简单的推测是与激素结合的受体本身就有催化,ATP,生成,cAMP,的能力,即,cAMP,是受体催化的。如此解释,就同,G,蛋白和腺苷酸酸环化酶毫无关系了。为了证明,cAMP,的产生与第一信使及,G,蛋白偶联受体膜机器的三个成员密切相关,科学家们进行了一系列实验获得了证据，证明它们是独立的三个成员，共同完成信号转导。,Joseph Orly,和,Micheal Schramm,通过细胞融合实验首先证明了受体与腺苷酸环化酶是不同的两种蛋白。用于融合实验的两个细胞中一个是带有肾上腺激素受体但缺少腺苷酸环化酶的红细胞，另一个是带有腺苷酸环化酶但缺少肾上腺激素受体的肿瘤细胞。细胞融合以后，加入肾上腺激素能够产生,cAMP,，而在未融合的细胞中加入肾上腺激素则不会有,cAMP,的产生,(,图,5E-3),。虽然证明了激素受体和腺苷酸环化酶是两个独立的成员，但是，同受体结合的激素又是如何激活腺苷酸环化酶,?,最早是通过一种称为,cyc,突变的肿瘤细胞系发现,GTP,能够增强激素对腺苷酸环化酶的激发作用。这种突变细胞具有正常的腺苷酸环化酶和肾上腺激素受体，但是用肾上腺素处理不能促进,cAMP,的生成。如果在该细胞培养基中加入从正常细胞分离的,G,蛋白,就能够恢复对,cAMP,合成的激发作用。由于这种,G,蛋白能促进,(stimulating)cAMP,的合成，故称之称为,Gs,。上述实验结果令人信服地证明该系统中三个成员的存在和各自独立的作用。,G,蛋白偶联受体跨膜信号转导机理,在,G,蛋白偶联系统中，,G,蛋白的作用主要是将信号从受体传递给效应物，它包括了三个主要的激发过程,G,蛋白和,cAMP,在信号转导中的作用,G,蛋白被受体激活,G,蛋白将信号向效应物转移,应答的终结 当与,G,结合的,GTP,被水解成,GDP,时，信号转导就会终止,。,因此，,GTP,水解的速率在某种程度上决定着信号转导的强度和时间的长短。,G,亚基具有较弱的,GTPase,的活性，能够缓慢地水解,GTP,，进行自我失活,.,失活可通过与,GAP,的作用而加速。一旦,GTP,水解成,GDP,，,G-GDP,能够重新与,G,复合物恢复结合，形成非活性的三体复合物。,激活型和抑制型,cAMP,信号途径,组成和作用效果,在某些细胞中，,G,蛋白不仅可激活酶活性（又称向上调节，,up regulation),，也可抑制其作用的酶活性（向下调节，,down regulation),，因此有激活型和抑制型两种不同的系统。,蛋白激酶,A,与底物磷酸化,蛋白激酶,A(protein kinase A,，,PKA),又称为依赖于,cAMP,的蛋白激酶,A(cyclic-AMP dependent protein kinase A),，是由四个亚基组成的四聚体。一般认为，真核细胞内几乎所有的,cAMP,的作用都是通过活化,PKA,，从而使其底物蛋白发生磷酸化而实现的,。,cAMP,激活蛋白激酶,A,cAMP,与,PKA,的调节亚基结合，使,PKA,的调节亚基与催化亚基分开，被激活的催化亚基可使底物磷酸化。,磷酸化与去磷酸化,磷酸化和去磷酸化是信号转导中最简便而又十分快捷的反应方式,一般是通过磷酸化而激活,去磷酸化而失活,磷酸成为蛋白,(,酶,),的活性标记。例如，磷酸酶,-1,的激活是受一种称为抑制剂,-1(inhibitor-1),的蛋白控制,而这种抑制蛋白又是通过磷酸化和去磷酸化进行活性与非活性状态的转换。,抑制剂,-1,的磷酸化和去磷酸化在激素应答中的作用,蛋白激酶,A,的细胞质功能与细胞核功能,蛋白激酶,A,被,cAMP,激活后能够使多种底物磷酸化，引起多种反应,PKA,既可直接修饰细胞质中的底物蛋白,，,使之磷酸化后立即起作用，也可以进入细胞核作用于基因表达的调控蛋白,(,如,CREB),启动基因的表达。,蛋白激酶,A,的细胞质功能,:,糖原分解,在脊椎动物中,糖原的分解受一些激素的控制,如肾上腺素和胰高血糖素中的任何一种激素同细胞膜受体结合,都会激活磷酸化酶,使糖原分解成,1-,磷酸葡萄糖,然后进一步分解为,6-,磷酸葡萄糖、葡萄糖后进入血液。,蛋白激酶,A,的细胞核功能,:,调节基因表达,被,cAMP,激活的,PKA,大多数在胞质溶胶中激活一些细胞质靶蛋白,也有少数被激活的,PKA,可以转移到细胞核中磷酸化某些重要的核蛋白,其中多数是被称为,CREB(cAMP response element binding,cAMP,效应元件结合因子,),的转录因子。,cAMP,信号的终止,该途径的信号解除有两种方式,:,通过,cAMP,磷酸二酯酶,(cAMP phosphodiesterase,PDE),将,cAMP,的环破坏,形成,5,-AMP,。,cAMP,磷酸二酯酶催化,cAMP,生成,5-AMP,通过抑制型的信号作用于,Ri,然后通过,Gi,起作用。,Gi,蛋白被激活后，,GTP,同,Gi,蛋白的,亚基结合，,Gi,的,亚基与,Gi,复合物分离，并在细胞膜的胞质面进行扩散；当,Gi,的,亚基与腺苷酸环化酶结合后则抑制其活性；而,Gi,复合物则可同激活型的,Gs,作用，阻止它去激活腺苷酸环化酶,。,5.2.3 PKC,系统,(protein kinase C system),在这一信号转导途径中，膜受体与其相应的第一信使分子结合后，激活膜上的,Gq,蛋白,(,一种,G,蛋白,),，然后由,Gq,蛋白激活磷酸酯酶,C,(phospholipase C,，,PLC),，将膜上的脂酰肌醇,4,5,二磷酸,(phosphatidylinositol biphosphate,，,PIP,2,),分解为两个细胞内的第二信使,:DAG,和,IP3,，最后通过激活蛋白激酶,C(protein kinase C,，,PKC),，引起级联反应，进行细胞的应答。该通路也称,IP3,、,DAG,、,Ca,2+,信号通路,处于静息状态的磷脂肌醇信号转导系统,静息状态时，,G,蛋白的,亚基上结合的是,GDP,，所以没有活性，磷脂酶,C,也是处于非活性状态。第二信使,IP3/DAG,还是以前体,PIP,2,存在。内质网上的,Ca,2+,离子配体闸门通道是关闭的，蛋白激酶,C,也是以可溶的非活性状态存在于细胞质中。,系统组成与信号分子,系统组成,由三个成员组成,:,受体、,G,蛋白和效应物。,Gq,蛋白也是异源三体,其,亚基上具有,GTP/GDP,结合位点,作用方式与,cAMP,系统中的,G,蛋白完全相同。该系统的效应物是磷酸肌醇特异的磷脂酶,C-(phosphatidylinositol-specific phospholipase C-,PI-PLC),此处的,表示一种异构体。,信号分子,与该系统受体结合的信号分子有各种激素、神经递质和一些局部介质（下表,),第二信使的产生,该途径有有三个第二信使,:IP,3,、,DAG,、,Ca,2+,。产生过程包括磷脂酶,C,的激活、,IP,3,/DAG,的生成、,Ca,2+,的释放。,磷脂酶,C-,的激活,磷脂酶,C-,相当于,cAMP,系统中的腺苷酸环化酶,也是膜整合蛋白,它的活性受,Gq,蛋白调节。当信号分子识别并同受体结合后，激活,Gq,蛋白的亚基。激活的,Gq-,亚基通过扩散与磷脂酶,C-,接触，并将磷脂酶,C-,激活。,第二信使,IP3/DAG,的生成,被激活的磷脂酶,C-,水解质膜上的,4,，,5-,二磷酸磷脂酰肌醇,(PIP2),，产生三磷酸肌醇,(inositol 1,，,4,，,5-triphosphate,，,IP3),和二酰甘油,(diacylglycerol,，,DAG)(,下图,),。,磷脂酶,C-,催化,PIP2,水解生成,DAG,和,IP,3,IP,3,启动第二信使,Ca,2+,的释放 由,PIP,2,水解后产生的,IP,3,是水溶性的小分子，它可以离开质膜并迅速在胞质溶胶中扩散。,IP,3,同内质网膜上专一的,IP,3,受体,(IP3 receptor),结合，使,IP,3,-,门控,Ca,2+,通道打开，使,Ca,2+,从内质网中释放出来。,蛋白激酶,C,的激活,蛋白激酶,C,的激活涉及一系列复杂的反应过程，是三种第二信使共同作用的结果。,PKC,信号转导过程总结于图。,蛋白激酶,C,的激活过程及将要引起的应答,蛋白激酶,C,的作用,蛋白激酶,C,是一种细胞质酶,在未受刺激的细胞中,PKC,主要分布在细胞质中,呈非活性构象。一旦有第二信使的存在,PKC,将成为膜结合的酶，它能激活细胞质中的酶,参与生化反应的调控,同时也能作用于细胞核中的转录因子,参与基因表达的调控,是一种多功能的酶。,对糖代谢的控制,在肝细胞中,蛋白激酶,C,与蛋白激酶,A,协作磷酸化糖原合成酶，抑制葡萄糖聚合酶,(glucose-polymerizing enzyme),的活性,促进糖原代谢,对细胞分化的控制,肌细胞生成素是一种转录因子，在肌细胞分化中起关键作用。在成肌细胞,(myoblast),中，蛋白激酶,C,可使肌细胞生成素磷酸化，抑制了肌细胞生成素与,DNA,结合的能力，因而阻止了细胞分化为肌纤维。,参与基因表达调控,蛋白激酶,C,至少可通过两种途径参与基因表达的控制,此外,，有人认为,PKC,能够催化未被其他激酶催化的蛋白，如催化与分泌和增殖有关的蛋白磷酸化。还可以活化,Na,+,-K,+,交换系统、使细胞内,H,+,减少、提高细胞质中