细胞生物学第四版(8至12章).ppt

细胞生物学教学课件章章二章二章第八章蛋白质分选与膜泡运输第一节细胞内蛋白质的分选第二节细胞内膜泡运输第一节细胞内蛋白质的分选真核细胞中除线粒体和植物细胞叶绿体中能合成少量蛋白质外，绝大多数蛋白质都是由核基因编码，起始合成均发生在游离核糖体上，然后或在细胞质基质（游离核糖体）中完成翻译过程，或在粗面内质网膜结合核糖体上完成合成。然而，蛋白质发挥结构或功能作用的部位几乎遍布细胞的各种区间或组分。因此必然存在不同的机制以确保蛋白质分选，转运至细胞的特定部位，也只有蛋白质各就各位并组装成结构与功能的复合体，才能参与实现细胞的各种生命活动。这一过程称蛋白质分选（proteinsorting）或蛋白质寻靶（proteintargeting）。蛋白质分选不仅保证了蛋白质的正确定位，也保证了蛋白质的生物学活性。实际上，蛋白质分选主要依靠蛋白质自身信号序列，从蛋白质起始合成部位转运到其功能发挥部位的过程。一、信号假说与蛋白质分选信号二、蛋白质分选转运的基本途径与类型三、蛋白质向线粒体、叶绿体和过氧化酶体的分选一、信号假说与蛋白质分选信号细胞质的游离核糖体产生非分泌蛋白，内质网附着核糖体产生分泌蛋白。核糖体没有结构差异，假设存在于蛋白质本身。信号假说（signalhypothesis）：分泌蛋白可能携带N端短信号序列，一旦该序列从核糖体翻译合成，结合因子和蛋白结合，指导其转移到内质网膜，后续翻译过程将在内质网膜上进行。现在已知，信号假说是解释分泌性蛋白在糙面内质网上合成的重要理论，该过程是包括蛋白质N端的信号肽、信号识别颗粒和内质网膜上信号识别颗粒的受体（又称停泊蛋白）等因子共同协助完成的。信号肽（signalpeptide）：信号肽位于蛋白质的N端，一般由1626个氨基酸残基组成，其中包括信号肽疏水核心区、N端和C端等3部分；原核细胞某些分泌性蛋白的N端也具有信号序列。值得注意的是，信号肽似乎没有严格的专一性（好利用！）。信号肽的一级结构序列（图8-1）信号识别颗粒（signalrecognitionparticle，SRP）：信号识别颗粒是由6种不同蛋白质和一个7S小RNA分子构成的RNP颗粒。SRP含有2种结构域，即信号肽识别结构域和核糖体结合结构域，其中信号肽识别结构域中的p54蛋白是一种包含成簇Met残基的GTP酶，Met侧链与信号肽的疏水核心结合；当SRP与信号肽结合后，核糖体结合结构域中的p9和p14蛋白复合体阻断新生肽链的翻译。SRP通常存在于细胞质基质中，等待信号肽从多核糖体上延伸暴露出来，SRP既可与新生信号肽序列和核糖体大亚基结合，又可与内质网膜上SRP受体结合，指导新生多肽及核糖体和mRNA附着到内质网膜上。信号识别颗粒的受体（又称停泊蛋白，dockingprotein，DP）：DP是内质网膜的整合蛋白，由和亚基组成，可特异地与SRP结合。亚基可结合GTP。信号肽酶（signalpeptidase）：内质网腔面上蛋白水解酶，负责切除并快速降解新生多肽的N端信号肽序列。信号识别颗粒（SRP）的结构示意图（图8-2）在非细胞系统中蛋白质的翻译过程与SRP、DP和微粒体的关系（表8-1）分泌性蛋白的合成与跨越内质网膜的共翻译转运图解（图8-3）共翻译转运（cotranslationaltranslocation）：分泌蛋白向rER腔内的转运是同蛋白质翻译过程偶联进行的，这种蛋白在信号肽引导下边翻译边跨膜转运的过程称为共翻译转运。膜蛋白的共翻译转运机理膜蛋白的共翻译转运涉及几个问题：（1）靠疏水区滞留在内质网膜上；（2）单次跨膜和多次跨膜；（3）跨膜段的定向。开始转移序列（starttransfersequence）：位于新生肽链N端的信号序列（信号肽）（最终不保留），既可被SRP识别，又可引导新生肽链开始穿膜转移。内部信号锚定序列（internalsignal-anchorsequence,SA）：位于新生肽链内部的疏水序列，既是信号序列，又是肽链跨膜锚定在脂双层中的序列。内部停止转移锚定序列（internalstop-transferanchorsequence,STA）：位于新生肽链内部的疏水序列，既是肽段终止转移，又是肽链跨膜锚定在脂双层中的序列。多次跨膜蛋白：含有多个SA和多个STA的肽链将成为多次跨膜蛋白。跨内质网膜肽段的取向：一般而言，带正电荷氨基酸残基多的一端，或带正电荷氨基酸残基多的一侧，朝向细胞质基质一侧（外侧）。内质网膜整合蛋白的拓扑学类型（图8-4）STA：内部停止转移锚定序列SA：内部信号锚定序列线粒体、叶绿体和过氧化物酶体的蛋白质的信号序列特称为导肽（leaderpeptide），其基本的特征是蛋白质在细胞质基质中的游离核糖体上合成以后再转移到这些细胞器中，因此称这种翻译后再转运的方式为翻译后转运（post-translationaltranslocation）。这种转运方式在蛋白质跨膜过程中不仅需要消耗ATP使多肽去折叠，而且还需要跨膜后由分子伴侣帮助蛋白质再正确折叠形成有功能的蛋白。继信号假说提出与确证后，人们又发现一系列蛋白质分选信号序列，统称信号序列（signalsequence），而且有些信号序列还可形成三维结构的信号斑（signalpatch），指导蛋白的靶向转运和定位。指导蛋白质从细胞基质转运到细胞器的靶向序列的主要特征（表8-2）二、蛋白质分选转运的基本途径与类型核基因编码的蛋白质的分选大体可分2条途径：（1）共翻译转运（cotranslationaltranslocation）途径：即蛋白质合成在游离核糖体上起始之后，由信号肽和与之结合的SRP引导转移至糙面内质网，然后新生肽边合成边转入糙面内质网腔或定位在ER膜上，经转运膜泡运到高尔基体加工包装再分选至溶酶体、细胞质膜或分泌到细胞外。这种蛋白在信号肽引导下边翻译边跨膜转运的过程称为共翻译转运。注意：内质网和高尔基体本身的蛋白质分选也按此途径来完成。（2）翻译后转运（post-translationaltranslocation）途径：即蛋白质在细胞质基质游离核糖体上合成以后，再转移到膜围绕的细胞器，如细胞核、线粒体、叶绿体和过氧化物酶体，或者成为细胞质基质的可溶性驻留蛋白和骨架蛋白。酵母中有些分泌蛋白由结合ATP的分子Bip蛋白（Bip-ATP）与膜整合蛋白Sec63复合物相互作用，水解ATP提供动力驱动翻译后转运途径，即分泌蛋白在细胞质基质游离核糖体上合成后，再转运至内质网中。真核细胞蛋白质分选的主要途径与类型（图8-5）左：共翻译转运右：翻译后转运根据蛋白质分选的机制或转运方式不同，又可将蛋白质转运分为4类：（1）跨膜转运（transmembranetransport）：指共翻译转运途径中蛋白质边合成边转运进入内质网腔或插入内质网膜；另指翻译后转运途径中蛋白质在合成后依不同机制转运到线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等细胞器。（2）膜泡运输（vesiculartransport）：蛋白质被不同类型的转运膜泡从糙面内质网合成部位转运至高尔基体进而再分选转移至细胞的不同部位，其中涉及供体膜出芽形成不同的转运膜泡、膜泡运输和转运膜泡与靶膜的融合等过程。（3）选择性门控转运（gatedtransport）：在游离核糖体上合成的蛋白质通过核孔复合体在核-质间双向选择性地完成核输入或核输出。（4）细胞质基质中蛋白质的转运：蛋白质在细胞质基质中的转运显然与细胞骨架系统密切相关，其它不明。三、蛋白质向线粒体、叶绿体和过氧化酶体的分选转运到线粒体、叶绿体和过氧化物酶体等细胞器的蛋白质分选是一个多步过程，需要多个不同的靶向序列（targetingsequence）。定位到叶绿体的前体蛋白N端具有4050个氨基酸组成的转运肽（transitpeptide），用以指引多肽定位到叶绿体并进一步穿过叶绿体被膜进入基质或类囊体中。转运到线粒体和过氧化物酶体的蛋白质靠的是线粒体蛋白N端的导肽（leaderpeptide）或过氧化物酶体蛋白C端的靶向序列（targetingsequence）。注意：蛋白质最终的定位还需要其它空间定位信号；蛋白质必须在分子伴侣的帮助下解折叠或维持非折叠状态，以利于通过膜；蛋白质输入通常需要能量。（一）蛋白质从细胞质基质输入到线粒体1.线粒体蛋白从细胞质基质输入到线粒体基质：两性的N端靶向信号序列（形成螺旋构象）对于指导蛋白质输入线粒体基质是至关重要的；需要分子伴侣胞质蛋白Hsc70和线粒体基质蛋白Hsc70协助；需要从内外膜接触点的Tom（外膜移位子）和Tim（内膜移位子）处输入。2.线粒体蛋白以3种途径从细胞质基质输入到线粒体内膜：途径A：具有N端基质靶向序列和内部停止转移序列；途径B：具有N端基质靶向序列和内部疏水的Oxa1靶向序列（内膜蛋白Oxa1所识别）；途径C：没有N端基质靶向序列，含有多个内部靶向序列；倆种膜间隙蛋白（Tim9/10）为外膜与内膜之间转运的分子伴侣。3.线粒体蛋白质从细胞质基质输入到线粒体膜间隙：途径A：具有N端基质靶向序列和内部间隙靶向序列（其过程类似内膜蛋白途径A，需要内膜上蛋白酶于膜间隙一侧切割释放。）；途径B：通过外膜Tom40孔直接进入膜间隙。通过后翻译转运途径对核基因编码的线粒体蛋白的转运（图8-6）A：线粒体蛋白从细胞质基质输入到线粒体基质B：线粒体蛋白通过3种途径从细胞质基质输入到线粒体内膜C：线粒体蛋白通过2种途径从细胞质基质输入到线粒体膜间隙（二）叶绿体基质蛋白与类囊体蛋白的靶向输入进入基质与线粒体的相似：叶绿体前体蛋白具有N端叶绿体（基质）靶向序列和类囊体靶向序列，进入基质与线粒体的相似：如前体蛋白非折叠，依赖于基质Hsc70水解ATP提供能量。但与线粒体不同的是：不产生跨内膜的电化学梯度。进入基质后不同蛋白的转运途径不同：一个是叶绿体SRP依赖途径（与蛋白质进入内质网过程相似）；另一种是pH依赖途径（蛋白质与其辅因子结合，在类囊体靶向序列N端的2个Arg残基和跨线粒体内膜的pH梯度是折叠蛋白输入到类囊体腔所必需的。）。通过翻译后转运途径将叶绿体蛋白从细胞质基质输入到类囊体腔（图8-7）Toc：外膜转运体复合物Tic：内膜转运体复合物（三）过氧化物酶体蛋白的分选过氧化物酶体是真核细胞中唯一利用分子氧氧化底物形成小分子用于合成途径的细胞器。由内质网出芽衍生出前体膜泡，然后过氧化物酶体的膜蛋白掺入，形成过氧化物酶体雏形。过氧化物酶体靶向信号（PTS）：常见的C端PTS1（Ser-Lys-Leu）和少见的N端PTS2（Arg/Lys-Leu/Ile-5X-His/Gln-Leu）。可溶性细胞质受体识别并结合具有PTS序列的基质蛋白将其靶向运输到过氧化物酶体的基质中。可溶性细胞质受体（Pex5或Pex7）和膜结合受体（Pex14）似乎与SRP和SRP受体的功能有相似性。需要ATP水解提供能量。可参考图7-19及相关内容。过氧化物酶体靶向序列1（PTS1）指导的过氧化物酶体基质蛋白的输入（图8-8）第二节细胞内膜泡运输一、膜泡运输概观二、COP包被膜泡的装配与运输三、COP包被膜泡的装配与运输四、网格蛋白接头蛋白包被膜泡的装配与运输五、转运膜泡与靶膜的锚定和融合六、细胞结构体系的组装一、膜泡运输概观在细胞分泌与胞吞过程中，以膜泡运输方式介导的蛋白质分选途径形成细胞内复杂的膜流。这种膜流具有高度组织性、方向性并维持动态平衡。在细胞的膜泡运输中，糙面内质网相当于重要的物质生产车间和供应站，而高尔基体是重要的枢纽和集散中心。高尔基体聚集在微管组织中心（MTOC）附近。高尔基体不同的膜囊具有各自不同的成分，其它内膜系统的成员也一样，这是行使复杂膜泡运输功能的物质基础。受体蛋白返回原来的膜结构中有利于维持特定膜成分的相对稳定，如从受体介导的胞吞泡返回到质膜上，从高尔基体顺面膜囊返回到内质网以及从溶酶体返回到高尔基体的TGN等。很多蛋白质分子的表面可能含有多种介导转移与分选的信号。转运膜泡形成或出芽主要发生在膜的特异部位，即蛋白信号与受体结合的部位。细胞内膜泡运输需要多种转运膜泡参与，根据转运膜泡表面包被蛋白的不同，主要分3种不同类型：网格蛋白/接头蛋白包被膜泡、COP（包被蛋白）包被膜泡和COP包被膜泡，它们分别介导不同的膜泡转运途径蛋白质的分泌与胞吞途径概观（图8-9）在细胞合成-分泌与内吞途径中3种不同的主要膜泡运输方式（图8-10）网格蛋白/接头蛋白包被膜泡从TGN出芽和从质膜内化形成，脱包被后与晚期胞内体融合；COP（包被蛋白）包被膜泡介导顺向运输（二去）；COP包被膜泡介导逆向运输（一来）。蛋白质转运中涉及的3种包被膜泡的特征比较（表8-3）二、COP包被膜泡的装配与运输COP（包被蛋白）包被膜泡介导的细胞内顺向运输，即负责从内质网到高尔基体的物质运输。Sar1：一种调节膜泡转运的小G蛋白，有一个共价结合的疏水N端脂基团，帮助其插入ER膜，同膜结合的Sar1对包被蛋白的进一步装配起募集者作用。膜泡转运既能转运膜结合的蛋白，又能通过膜受体识别并转运可溶性蛋白，其包装特异性取决于被转运蛋白的靶向分选序列，借以区分哪些膜蛋白或可溶性蛋白将进一步包装转运，哪些将作为驻留蛋白而被排除在外，从而使膜泡包被直接选择靶向序列或分选信号。内质网被转运的膜蛋白具有双酸（Asp-X-Glu）分选信号，Sec24亚基为其受体。参见表8-3/-4和图8-11/-12Sar1蛋白在Cop包被膜泡装配与去装配中作用模型（图8-11）已知的指导蛋白质包装到特异性转运膜泡的分选信号（表8-4）不同类型的膜泡运输（图8-12）A：COP包被膜泡介导顺向运输和COP包被膜泡介导逆向运输B：驻留蛋白的回收C：出芽与膜泡包装三、COP包被膜泡的装配与运输COP包被膜泡介导的细胞内膜泡逆向运输（图8-12B），负责从高尔基体反面膜囊到顺面膜囊以及从高尔基体顺面管网状区到内质网的膜泡转运，包括再循环的膜脂双层、内质网驻留的可溶性蛋白和膜蛋白（如v-SNARE），是内质网回收错误分选的逃逸蛋白返回内质网的重要途径。ARF（装配反应因子）：一种调节膜泡转运的小G蛋白，有一个共价结合的疏水N端脂基团，帮助其插入ER膜，同膜结合的ARF对包被蛋白的进一步装配起募集者作用。细胞器中的蛋白质是通过2种机制保留及回收来维持的：一是转运膜泡将驻留蛋白有效排斥在外；二是对逃逸蛋白的回收机制，使其返回它们正常驻留的部位。KDEL：内质网可溶性驻留蛋白C端分选信号，其受体主要定位在TGN区、COP和COP包被膜泡的膜上；KKXX：内质网膜蛋白C端分选信号，其受体是COP和亚基。四、网格蛋白接头蛋白包被膜泡的装配与运输网格蛋白/接头蛋白包被膜泡介导蛋白质从高尔基体TGN向胞内体、溶酶体、分泌泡和植物细胞液泡的运输，也参与质膜受体介导的胞吞作用中从细胞表面运往胞内体转而到溶酶体的运输。TGN：既是细胞分泌途径中物质转运的主要分选位点，又是网格蛋白包被膜泡的组装位点。网格蛋白呈三腿结构，也有自组装形成多角型网格的特性。接头蛋白（AP）复合物（异四聚体）一方面将网格蛋白网格包被连接到膜上（AP的一个亚基与网格蛋白重链远端的球形结构域特异性结合），另一方面又能特异地促使一些膜结合蛋白（v-SNARE）富集到形成包被的膜区，并与之特异性结合，决定哪些蛋白将被包装转运或哪些蛋白将被排除在外，这种特异性是由转运蛋白的分选信号决定的。ARF也参与网格蛋白/接头蛋白包被的起始装配。发动蛋白（dynamin）具有GTPase活性，介导网格蛋白/接头蛋白包被膜泡的缢缩并与供体膜断裂，这很关键。网格蛋白（A）、多角形网格包被结构（B）及发动蛋白介导的网格蛋白/接头蛋白包被膜泡的形成（C）示意图（图8-13）五、转运膜泡与靶膜的锚定和融合膜泡运输的关键步骤至少包括如下过程：供体膜的出芽、装配和断裂，形成不同包被转运膜泡（已学过）；在细胞内由马达蛋白驱动、以微管为轨道的膜泡运输（以后学）；转运膜泡与特定靶膜的锚定和融合（现在学）。膜泡锚定与融合是一个耗能的特异性过程：其特异性是通过供体膜和靶膜上的蛋白相互作用完成的。小G蛋白Rab主要介导供体膜和靶膜的锚定：Rab-GTP与特定转运膜泡的表面蛋白相互作用，并通过类异戊二烯基团插入转运膜泡内。一旦Rab-GTP被结合在膜泡表面，便与靶膜上的Rab效应器结合蛋白相互作用，从而使转运膜泡被锚定在适当的靶膜上。v-SNARE与t-SNARE蛋白的配对（互补性）是介导转运膜泡与靶膜融合的主要机制：NSF（N-ethylmaleimide-sensitivefactor）即N-乙基马来酰亚胺敏感因子和SNAP（solubleNSFattachmentprotein）即可溶性NSF结合蛋白负责介导不同类型膜泡的融合，但没有明显的特异性；SNARE（SNAPreceptor）即SNAP受体（可溶性N-乙基马来酰亚胺敏感因子结合蛋白受体），位于细胞器和膜泡膜上的跨膜蛋白大家族，介导膜泡与靶细胞器膜的特异性融合。其中v-SNARE位于膜泡的膜上，与之互补配对的t-SNARE位于靶细胞器膜上。在供体膜和靶膜之间膜泡的锚定与融合模式图解（图8-14）如果说Rab蛋白主要是控制转运膜泡与适当靶膜的锚定，那么，介导转运膜泡与靶膜融合的主要机制是v-SNARE/t-SNARE蛋白的配对。六、细胞结构体系的组装细胞结构体系的组装和去组装是整体上认识细胞生命活动应该关注的重要问题。生物大分子的组装方式大体可分为自我装配（self-assembly）、协助装配（aided-assembly）和直接装配（direct-assembly）以及更为复杂的细胞结构及结构体系之间的组装。有些装配过程需ATP或GTP提供能量。各类型的装配具有以下生物学意义：（1）减少和校正蛋白质合成中出现的错误；（2）可大大减少所需的遗传物质信息量；（3）通过装配与去装配更容易调节与控制多种生物学过程。事实上细胞内许多代谢活动往往涉及蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸、蛋白质与磷脂等组装成特定的复合体，这些复合体构成了细胞结构体系的结构基础与功能单位。膜围绕的细胞器大体分为2类：一是内膜系统；二是含有DNA的细胞器。细胞器的组装同样涉及蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸、蛋白质与膜脂的组装，其运输和组装过程与方式也更为复杂。细胞骨架体系在整个细胞结构体系中起着重要的组织作用。本章概要真核细胞中除线粒体和植物细胞叶绿体中能合成少量蛋白质外，绝大多数蛋白质都是由核基因编码，起始合成均发生在游离核糖体上，然后或在细胞质基质（游离核糖体）中完成翻译过程，或在粗面内质网膜结合核糖体上完成合成。然而，蛋白质发挥结构或功能作用的部位几乎遍布细胞的各种区间或组分。因此必然存在不同的机制以确保蛋白质分选，转运至细胞的特定部位，也只有蛋白质各就各位并组装成结构与功能的复合体，才能参与实现细胞的各种生命活动。信号肽学说是解释分泌性蛋白在糙面内质网上合成的重要理论，该过程是包括蛋白质N端的信号肽、信号识别颗粒和内质网膜上信号识别颗粒的受体等因子共同协助完成的。蛋白质分选包括蛋白质的跨膜转运、门控转运和膜泡运输等主要的转运方式。其分选指令存在于多肽链自身，继信号假说提出与确证后，人们又发现一系列的信号序列，指导蛋白的靶向转运。细胞内膜泡运输的研究进展较大，包括COP包被膜泡介导的细胞内顺向运输，即负责从内质网到高尔基体的物质运输；COP包被膜泡介导的细胞内膜泡逆向运输，负责从cis高尔基体网状区到内质网膜泡转运，包括再循环的膜脂双层、某些蛋白质如v-SNARE和回收错误分选的内质网逃逸蛋白返回内质网；网格蛋白/AP包被膜泡介导的蛋白质从高尔基体TGN向质膜、胞内体或溶酶体以及分泌泡的运输，也参与受体介导的细胞内吞作用。包被膜泡的组装、转运及其与靶膜的融合是一个特异性的、需能的过程，膜泡锚定与融合的特异性是通过供体膜和靶膜上的蛋白相互作用完成的。细胞结构体系的组装和去组装是整体上认识细胞生命活动应该关注的重要问题。第九章细胞信号转导第一节细胞信号转导概述第二节细胞内受体介导的信号转导第三节G蛋白偶联受体介导的信号转导第四节酶联受体介导的信号转导第五节其他细胞表面受体介导的信号通路第六节细胞信号转导的整合与控制第一节细胞信号转导概述一、细胞通讯二、信号分子与受体三、信号转导系统及其特性一、细胞通讯（1）多细胞生物是一个有序而可控的细胞社会，这种社会性的维持不仅依赖于细胞的物质代谢与能量代谢，更有赖于细胞间通讯与信号调控，从而以不同的方式协调细胞的行为，诸如细胞生长、分裂、分化、凋亡及其它各种生理功能。细胞通讯（cellcommunication）：指信号细胞发出的信息（配体/信号分子）传递到靶细胞并与其受体相互作用，通过细胞信号转导引起靶细胞产生特异性生物学效应的过程。（细胞）信号转导（signaltransduction）：指细胞将外部信号转变为自身应答反应的过程。这是实现细胞间通讯的关键过程。细胞信号传递（cellsignaling）：通过信号分子与受体的相互作用，将外界信号经细胞质膜传递至细胞内部，通常传递至细胞核，并引发特异生物学效应的过程。细胞通讯可概括为3种方式：（1）细胞通过分泌化学信号进行细胞间通讯，这是多细胞生物普遍采用的通讯方式；（2）细胞间接触性依赖的通讯，即一方具有跨膜配体另一方具有细胞表面受体，包括细胞-细胞黏着和细胞-细胞外基质黏着；（3）动物细胞间通过间隙连接、植物细胞间通过胞间连丝，通过交换小分子实现通讯。不同的细胞通讯方式（图9-1）A：内分泌B：旁分泌C：化学突触通讯D：自分泌E：细胞间接触依赖性通讯一、细胞通讯（2）通过胞外信号所介导的细胞通讯通常包括如下6个步骤：信号细胞合成并释放信号分子（配体）；转运信号分子至靶细胞；信号分子与靶细胞表面受体特异性结合并导致受体被激活；活化的受体启动靶细胞内一种或多种信号转导途径；引发细胞代谢、功能或基因表达的改变；解除信号并导致细胞反应终止。本章讨论后4步！二、信号分子与受体（一）信号分子（二）受体（三）第二信使与分子开关（一）信号分子信号分子（signalmolecule）：指细胞的信息载体，种类繁多，包括化学信号（各类激素、神经递质和局部介质等）和物理信号（声、光、电和温度等）。激素（hormone）：激素是内分泌细胞合成的化学信号分子，它们经血液循环被送到体内各个部位作用于靶细胞。神经递质（neurotransmitter）：突触前端释放的一种化学物质，与突触后靶细胞结合，并改变靶细胞的膜电位。局部介质（localmediator）：即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，典型的如生长因子、淋巴因子和前列腺素等。根据化学信号（分子）的化学性质可分为3类：气体性信号分子（可自由扩散进入细胞直接激活效应酶，如NO）、疏水性信号分子（可穿过细胞质膜与细胞内受体结合成激素-受体复合物来调节基因表达，如甾类激素和甲状腺素）和亲水性信号分子（只能通过与靶细胞表面受体结合而启动细胞信号转导，如大多数蛋白类激素、神经递质和局部介质）。信号分子举例（表9-1）（二）受体（1）受体（recsptor）：受体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，大多数为糖蛋白，少数是糖脂，还有的是糖蛋白和糖脂组成的复合物。细胞内受体（intracellularreceptor）与细胞表面受体（cell-surfacereceptor）：细胞内受体位于细胞质基质或核基质中，其本质是依赖疏水性激素激活的转录因子。细胞表面受体位于细胞质膜上，主要识别和结合亲水性信号分子，包括分泌型信号分子（如多肽类激素、神经递质和生长因子等）或膜结合型信号分子（如细胞表面抗原和细胞表面黏着分子等）。细胞表面受体按其功能分为3大家族：（1）离子通道偶联受体（ionchannel-coupledreceptor）：受体-离子通道；（2）G蛋白偶联受体（G-protein-coupledreceptor，GPCR）：受体G蛋白；（3）酶连/联受体（enzyme-linkedreceptor）：受体-酶或受体酶。受体至少有2个功能域：不管哪种类型的受体，一般至少有2个功能域，即结合配体的功能域和产生效应的功能域，分别具有结合特异性和效应特异性。三种类型的细胞表面受体（图9-2）（二）受体（2）受体通过信号转导引发2种主要的细胞反应：受体结合特异性配体后而被激活，通过信号转导途径将胞外信号转换为胞内信号，引发2种主要的细胞反应：一是细胞内存量蛋白活性或功能的改变，进而影响细胞代谢功能的短期反应（快反应）；二是影响细胞内特殊蛋白的表达量，最常见的方式是通过转录因子的修饰激活或抑制基因表达的长期反应（慢反应），最后的综合效应是改变细胞的行为。靶细胞对外界信号产生反应：受体与配体空间结构的互补性是二者特异性结合的主要因素，但并不意味着受体与配体之间是简单的一对一的关系。靶细胞对外界信号产生反应：一是通过受体对信号结合的特异性，二是通过细胞本身固有的特征。细胞表面受体转导胞外信号引发两类主要反应：快反应和慢反应（图9-3）（三）第二信使与分子开关（1）第二信使（secondmessenger）：第二信使是指第一信使分子（胞外激素或其他配体）与细胞表面受体结合后，导致在胞内产生（或释放）的非蛋白类小分子，通过其浓度变化（增加或减少）来应答胞外信号，调节细胞内酶和非酶蛋白的活性，从而在细胞信号转导途径中行使携带和放大信号的功能。目前公认的第二信使包括cAMP、cGMP、Ca2+、DAG（二酰甘油）、IP3（1,4,5-三磷酸肌醇）和PIP3（3,4,5-三磷酸磷脂酰肌醇）等。分子开关（molecularswitch）：分子开关是指通过活化（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。G蛋白超家族开关：GTP结合蛋白，包括三聚体（大G蛋白）和单体（小G蛋白），都具有GTPase活性，都具有2种存在状态：即G蛋白GDP为失活的“关闭”状态，而G蛋白GTP为活化的“开启”状态。GEF即鸟苷酸交换因子通过以GTP交换G蛋白上的GDP引发G蛋白构象改变而活化（开启）。随着结合的GTP的水解形成GDP，则恢复失活（关闭）。GTP的水解速率被GAP即GTPase促进蛋白和RGS即G蛋白信号调节子所促进，被GDI即鸟苷酸解离抑制蛋白所抑制。4种常见的细胞内第二信使及其主要效应（图9-4）G蛋白开关活化（开）与失活（关）的转换（图9-5）GEF（guaninenucleotide-exchangefactor）即鸟苷酸交换因子GAP（GTPase-acceleratingprotein）即GTPase促进蛋白RGS（regulatorofGprotein-signaling）即G蛋白信号调节子GDI（guaninenucleotidedissociationinhibitor）即鸟苷酸解离抑制蛋白（三）第二信使与分子开关（2）蛋白激酶/蛋白磷酸酶开关：通过蛋白激酶（proteinkinase，PK）使靶蛋白磷酸化和通过蛋白磷酸酶（proteinphosphatase，PP）使靶蛋白去磷酸化，从而调节靶蛋白的活化（开启）与失活（关闭）。当有些靶蛋白被磷酸化时活化（开启），则去磷酸化时失活（关闭）；有些靶蛋白具有相反的变化模式。蛋白质磷酸化和去磷酸化可以改变蛋白质的电荷并改变蛋白质构象，从而导致该蛋白质活性的增强或降低，这是细胞内普遍存在的一种调节机制，在代谢调节、基因表达和细胞周期调控中均具有重要作用。细胞内许多蛋白，诸如结构蛋白、酶、膜通道蛋白和信号蛋白其活性变化都是通过蛋白激酶/蛋白磷酸酶开关调节的，并具有靶蛋白特异性。此外，钙调蛋白（calmodulin，CaM）可通过与Ca2+的结合或解离分别处于活化（开启）或失活（关闭）的状态。靶蛋白磷酸化和去磷酸化是细胞调节靶蛋白活性的一种普遍机制（图9-6）蛋白激酶（PK）/蛋白磷酸酶（PP）：将磷酸基团转移到其它蛋白质上（或相反）的酶，通常对其它蛋白质的活性具有调节作用。三、信号转导系统及其特性（一）信号转导系统的基本组成及信号蛋白的相互作用（二）细胞内信号蛋白复合物的装配（三）信号转导系统的主要特性（一）信号转导系统的基本组成及信号蛋白的相互作用细胞表面受体介导的信号通路通常由下列5个步骤组成：激活受体：形成配体-受体复合物；产生第二信使（或活化的信号蛋白）：信号初级跨膜转导；起始信号放大的级联反应：由第二信使或信号蛋白复合物起始；细胞应答反应：通过酶、转录因子或细胞骨架等方式引起；终止或降低细胞反应：如受体脱敏或下调。信号传递链：细胞信号转导系统是由细胞内多种行使不同功能的信号蛋白所组成的信号传递链，具有可调控的动态特征，涉及细胞内信号蛋白复合物的装配。蛋白质模式结合域（modularbindingdomain）：蛋白质模式结合域通常由40120个氨基酸残基组成，一侧有较浅凹陷的球形结构域，虽不具酶活性，但能识别蛋白质上特定基序或特定修饰位点，它们与识别对象的亲和性较弱，因而有利于快速和反复进行精细的组合式网络调控。细胞内信号蛋白的相互作用是靠蛋白质模式结合域所特异性介导的，多种模式结合域经多重相互作用极大地拓展了细胞内信号网络的多样性。SH2结构域（Srchomology2domain）：由约100个氨基酸残基组成，可特异性结合围绕磷酸酪氨酸（p-Tyr）残基的氨基酸序列。含有SH2结构域的蛋白质家族包括多种功能性成员：酶（enzyme）：含有1或2个与催化序列相联系的SH2结构域，如PK、PP、PLC、Ras、Pho、GAP和GEF等；锚定蛋白（dockingprotein）：IRS（胰岛素受体底物）等；接头蛋白（adaptor）：含单个SH2和多个SH3结构域，如Grb2（生长素受体结合蛋白2）等；调节蛋白（regulator）：STAT通路；转录因子；癌蛋白（oncoprotein）。SH2结构域细胞表面受体介导的细胞信号转导系统的组成（图9-7）细胞内信号蛋白之间的相互作用是靠蛋白质模式结合域所特异性介导的示意图（图9-8）IRS1：胰岛素受体底物蛋白质模式结合域及其结合基序特异性（表9-2）（二）细胞内信号蛋白复合物的装配信号蛋白复合物的生物学意义：细胞内信号蛋白复合物的形成在时空上增强细胞应答反应的速度、效率和反应的特异性。细胞内信号蛋白复合物的装配可能有3种不同类型：（1）基于支架蛋白预先装配成等待激活的信号复合物；（2）在（自磷酸化）活化受体上装配信号复合物；（3）在受体活化的肌醇磷脂锚定位点上装配信号复合物（募集具有PH结构域信号蛋白）。细胞内信号蛋白复合物装配的3种类型（图9-9）A：基于支架蛋白B：基于受体活化域C：基于肌醇磷脂（三）信号转导系统的主要特性（1）特异性（specificity）：“结合”特异性、饱和性和可逆性以及“效应器”特异性。（2）放大效应（amplification）：效应器蛋白（酶或离子通道蛋白）引发级联反应（放大效应）。（3）网络化效应与正反馈（positivefeedback）和负反馈（negativefeedback）环路：网络化效应有利于克服分子间相互作用的随机性对细胞生命活动的负面干扰；正反馈和负反馈环路对于及时校正反应的速率和强度是最基本的调控机制。（4）整合作用（integration）：细胞通过整合不同的信息，对细胞外信号分子的特异性组合做出程序性反应，甚至做出生死抉择，这样才能维持生命活动的有序性。第二节细胞内受体介导的信号转导一、细胞内核受体及其对基因表达的调节二、NO作为气体信号分子进入靶细胞直接与酶结合一、细胞内核受体及其对基因表达的调节信号分子（类固醇激素、甲状腺素、维生素D和视黄酸）是一些与细胞内受体相互作用的亲脂性小分子；但个别亲脂性小分子（如前列腺素）的受体却在细胞质膜上。细胞内受体的本质是依赖激素激活的转录因子。信号分子的作用是将抑制性蛋白从细胞内受体上解离，使受体上的DNA结合位点暴露而激活。激素受体复合物与基因的特殊调节区即激素应答元件（HRE）结合，调节基因转录。细胞内受体一般都含有3个功能域：N端是转录激活结构域，中部是DNA（或抑制性蛋白Hsp90）结合域，C端是激素结合域。中部结构域是高度保守富含Cys的区域，具有2个锌指结构重复单位。类固醇激素诱导的基因活化通常分为2个阶段：快速的初级反应阶段：即直接激活少数特殊基因转录；延迟的次级反应阶段：即初级反应的基因产物再激活其它基因转录，对初级反应起放大作用。细胞内受体蛋白及其作用模型（图9-10）二、NO作为气体信号分子进入靶细胞直接与酶结合血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞，NO合酶（NOS）（需要NADPH）在催化精氨酸转化为瓜氨酸的同时释放出NO。NO是一种具有自由基性质的脂溶性气体分子，可透过细胞膜快速扩散，通过作用于邻近（平滑肌）靶细胞而发挥作用。可溶性气体NO作为局部介质在许多组织中发挥作用，其主要机制是激活靶细胞内具有鸟苷酸环化酶（GC）活性的NO受体。NO可与GC活性中心的Fe2+结合，改变酶的构象，导致GC活性增强，cGMP水平升高。cGMP激活依赖cGMP的蛋白激酶G（PKG），抑制肌动-肌球蛋白复合物信号通路，导致血管平滑肌舒张。硝酸甘油为什么能用于治疗心绞痛？硝酸甘油能在体内转化为NO，可舒张血管，从而减轻心脏负荷和心肌的需氧量。NO在导致血管平滑肌舒张中的作用（图9-11）第三节G蛋白偶联受体介导的信号转导一、G蛋白偶联受体的结构与激活二、G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路一、G蛋白偶联受体的结构与激活（1）大G蛋白：大G蛋白是三聚体G蛋白的简称，由G、G和G3种亚基组成，其中G亚基具有GTPase活性，作为分子开关，G和G亚基以二聚体形式存在，G和G亚基分别通过共价结合的脂分子锚定在质膜上。G、G和G各有27种、5种和13种。大G蛋白的作用：当配体与受体结合时，受体与大G蛋白（偶联）结合，发生GTP与GDP交换，导致大G蛋白解离，游离出来的GGTP结合并激活效应器蛋白，从而传递信号；当GGTP水解成GGDP时，则处于失活的关闭状态，终止信号传递并导致大G蛋白的重新装配，恢复系统进入静息状态。在有些信号途径中，效应器蛋白是离子通道，其活性受游离的G亚基激活与调节。与G蛋白偶联受体相联系的效应蛋白的激活机制（图9-12）一、G蛋白偶联受体的结构与激活（2）G蛋白偶联受体（Gproteincoupledreceptor，GPCR）：G蛋白偶联受体都含有7次疏水跨膜螺旋段，N端在细胞外侧，C端在细胞胞质侧。其中胞外环状结构域（E4环）结合胞外信号（配体）；跨膜螺旋5（H5）和螺旋6（H6）之间的胞内环状结构域（C3环）对于受体与G蛋白之间的相互作用具有重要作用。受体活化G蛋白：与受体偶联的大G蛋白作为“活化”与“失活”转换的分子开关而起作用。推测配体与受体的E4环结合会引起H5和H6螺旋的彼此相对移动，结果导致C3环构象改变，从而容许结合并激活G亚基。G蛋白偶联受体介导无数胞外信号的细胞应答：包括多种对蛋白或肽类激素、局部介质、神经递质和氨基酸或脂肪酸衍生物等配体识别与结合的受体，以及哺乳类嗅觉、味觉受体和视觉的光激活受体（视紫红质）。G蛋白偶联受体的结构图（图9-13）哺乳类三聚体G蛋白的主要种类及其效应器（表9-3）二、G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路根据G蛋白偶联受体（GPCR）在质膜上的效应蛋白的不同又可分为3类（1）调节离子通道的GPCR，如心肌细胞的乙酰胆碱受体，其效应蛋白是K+通道；（2）激活或抑制腺苷酸环化酶的GPCR，细胞内第二信使为cAMP；（3）激活磷脂酶C的GPCR，细胞内第二信使包括IP3、Ca2+、DAG。（一）激活离子通道的G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路（二）激活或抑制腺苷酸环化酶的G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路（三）激活磷脂酶C（以IP3和DAG作为双信使）的G蛋白偶联受体所介导的信号通路（一）激活离子通道的G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路1.心肌细胞上M型（蝇蕈碱）Ach受体激活G蛋白开启K+通道AchM型Ach受体Gi蛋白（GiG）GK+通道K+外流超极化减缓心肌细胞的收缩频率2.光受体活化诱发cGMP门控阳离子通