第八章細胞信號轉(zhuǎn)導第一節(jié)概述第二節(jié)細胞內(nèi)受體介導的信號轉(zhuǎn)導第三節(jié)G蛋白耦聯(lián)的受體介導的信號轉(zhuǎn)導第四節(jié)酶連受體介導的信號轉(zhuǎn)導第五節(jié)信號的整合與調(diào)控第一節(jié)概述一、細胞通訊二、信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)及其特性一、細胞通訊(cellcommunication)細胞通訊：一個細胞發(fā)出的信息通過介質(zhì)傳遞到另一個細胞并與靶細胞響應的受體相互作用，然后通過信號轉(zhuǎn)導產(chǎn)生胞內(nèi)一系列生理生化變化，最終表現(xiàn)為細胞整體的生理學效應的過程。(a)電話接收器將電信號轉(zhuǎn)換成聲信號(b)細胞將細胞外信號(分子A)轉(zhuǎn)變成細胞內(nèi)的信號(分子B)。

(一)細胞通訊方式：1）分泌化學信號進行通訊內(nèi)分泌（endocrine）：由內(nèi)分泌細胞分泌信號分子(激素)到血液中，通過血液循環(huán)運送到體內(nèi)各個部位,作用于靶細胞。旁分泌（paracrine）：細胞通過分泌局部化學介質(zhì)到細胞外液中，經(jīng)過局部擴散作用于鄰近靶細胞。自分泌（autocrine）：細胞對自身分泌的物質(zhì)產(chǎn)生反應。化學突觸（neuronalsignaling)2）接觸性依賴的通訊(contact-depndentsignaling)特點：細胞間直接接觸，無需信號分子的釋放，通過質(zhì)膜上的信號分子與靶細胞質(zhì)膜上的受體分子相互作用來介導細胞間的通訊。包括細胞-細胞黏著細胞-基質(zhì)黏著3）動物相鄰細胞形成間隙連接，植物細胞間通過胞間連絲使細胞間相互溝通。(二)細胞的信號分子與受體細胞的信號分子（signalmolecule）:是細胞的信息載體。信號分子種類：

1）化學信號

激素

局部介質(zhì)(localmediator)

神經(jīng)遞質(zhì)（neurotransmitter)等

2）物理信號

聲、光、電、溫度變化

親脂性信號分子：甾類激素和甲狀腺素特點:分子小，疏水性強，可穿過細胞質(zhì)膜形成激

素-受體復合體，調(diào)節(jié)基因表達。

親水性信號分子:神經(jīng)遞質(zhì)、生長因子、多數(shù)激素特點：不能透過靶細胞質(zhì)膜，只與靶細胞表面受體結(jié)合，經(jīng)性能好轉(zhuǎn)換機制，在細胞內(nèi)產(chǎn)生第二信號信使或激活蛋白激酶或蛋白磷酸酶的活性，引起細胞應答反應。第一信使(primarymessenger)

氣體性信號分子(NO)1）化學信號種類a.激素（hormone）作用特點：內(nèi)分泌細胞合成經(jīng)血液循環(huán)運送到靶細胞，稱為內(nèi)分泌信號傳導。運輸距離遠，速度快。化學本質(zhì)：蛋白質(zhì)和肽類激素：如胰島素、胰高血糖素。類固醇激素：如睪酮、雌二醇。氨基酸衍生物：腎上腺素、甲狀腺素。b.局部介質(zhì)（localmediator）：作用特點：由各種不同類型的細胞合成并分泌到細胞外液中，作用于鄰近細胞，通訊距離短，稱為旁分泌信號傳導。化學本質(zhì)：蛋白質(zhì)和肽類：如生長因子。脂肪酸衍生物：如前列腺素。c.神經(jīng)遞質(zhì)（neurotransmitters)：作用特點：是從神經(jīng)末梢釋放出來的小分子物質(zhì)，擴散距離有限，僅作用于與之相連的靶細胞。作用速度快，部位精確，維持時間短。這種信號傳導稱為神經(jīng)信號傳導。化學本質(zhì)：氨基酸衍生物：-氨基丁酸膽堿衍生物：乙酰膽堿。2.受體(receptor)

1）受體(receptor)：是一種能夠識別和選擇性結(jié)合某種配體(信號分子)的大分子,當與配體結(jié)合后,通過信號轉(zhuǎn)導(signaltransduction)作用將細胞外信號轉(zhuǎn)換為細胞內(nèi)化學或物理的信號,以啟動一系列過程,最終表現(xiàn)為生物學效應。2）受體的類型：根據(jù)受體的存在部位細胞內(nèi)受體（intracellularreceptor)細胞表面受體(cellsulfacereceptor)細胞內(nèi)受體:位于細胞基質(zhì)或核基質(zhì)，識別和結(jié)合小的脂溶性信號分子。包括分泌性信號分子、膜結(jié)合型信號分子等。細胞表面受體:受細胞外親水性信號分子激活。

表面受體分屬三大家族：離子通道偶聯(lián)的受體(ion-channel-linkedreceptor)G-蛋白偶聯(lián)的受體(G-protein-linkedreceptor)酶偶連的受體(enzyme-linkedreceptor)三種類型的細胞表面受體(a)離子通道偶聯(lián)受體;(b)G-蛋白偶聯(lián)受體;(c)酶聯(lián)受體。3）受體的功能：介導物質(zhì)跨膜運輸(受體介導的內(nèi)吞作用)信號轉(zhuǎn)導：受體的激活（activation）（級聯(lián)反應）受體失敏（desensitization）關(guān)閉反應

減量調(diào)節(jié)（down-regulation）降低反應4）受體至少有兩個功能域

結(jié)合配體的功能域；

產(chǎn)生效應的功能域。5）受體與配體的特異性結(jié)合，但受體與配體之間不是簡單的一對一的關(guān)系

6）受體與配體的結(jié)合，通過信號轉(zhuǎn)導途徑，將胞外信號轉(zhuǎn)換胞內(nèi)化學、物理的信號，引發(fā)主要的細胞反應

引發(fā)的兩種主要細胞反應：一是細胞內(nèi)預存蛋白的活性或功能的改變二是影響細胞內(nèi)特殊蛋白的表達量。3.第二信使（secondmessenger）與分子開關(guān)細胞信號轉(zhuǎn)導大事記1955年，Sutherland，cAMP第二信使學說1971年諾貝爾生理和醫(yī)學獎1963年，cGMP作為胞內(nèi)信使的發(fā)現(xiàn)1978年，Rasmussen，Ca2+第二信使學說1983年，IP3和DG作為胞內(nèi)信使的發(fā)現(xiàn)80年代，Gilman和Rodbell，G蛋白的研究，獲1994年諾貝爾生理和醫(yī)學獎80-90年代，酪氨酸蛋白激酶與信號轉(zhuǎn)導的研究3.第二信使（secondmessenger）與分子開關(guān)1）第二信使學說(secondmessengertheory)：胞外化學物質(zhì)(第一信使)不能進入細胞,它用于細胞表面受體,而導致產(chǎn)生細胞內(nèi)第二信使,從而激發(fā)一系列生化反應,最后產(chǎn)生一定的生理效應,二信使的降解使其信號作用終止。2）第一信使:細胞外信號分子3）第二信使:第一信使與受體作用后在胞內(nèi)產(chǎn)生的信號分子。如：cAMP、cGMP、三磷酸肌醇(IP3)、二酰基甘油(DAG)、Ca2+

cAMP的發(fā)現(xiàn)及第二信使學說的提出1971年，Sutherland，因為闡明了cAMP的功能并提出第二信號學說而獲得諾貝爾生理學和醫(yī)學獎。

第二信使與分子開關(guān)分子開關(guān)：信號傳遞過程中必須有開關(guān)，以控制信號傳遞的開啟和關(guān)閉。細胞信號傳遞過程中開關(guān)是一類分子，即分子開關(guān)。這類分子具有兩種狀態(tài)，開(活性)、關(guān)(失活)。胞內(nèi)信號傳遞作為分子開關(guān)的蛋白：開關(guān)蛋白(switchprotein)開關(guān)蛋白由GTP結(jié)合蛋白組成TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1992發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的磷酸化和去磷酸化作為一種生物學調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的活性。通過細胞表面受體介導的信號途徑不同形式的胞外的信號刺激首先被細胞表面特異性受體所識別。胞外信號通過適當?shù)姆肿娱_關(guān)機制實現(xiàn)信號的跨膜轉(zhuǎn)導，產(chǎn)生第二信使或活化的信號蛋白。放大信號：信號傳遞至包內(nèi)效應器蛋白，引發(fā)細胞內(nèi)信號放大的級聯(lián)反應。細胞反應由于受體的脫敏（desensitization）或受體下調(diào)，啟動反饋機制從而終止或降低細胞反應。（一）信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)的基本組成與信號蛋白二、信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)及其特點（一）信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)的基本組成第一步：細胞通過特異性受體識別胞外信號分子第二步：信號跨膜轉(zhuǎn)導第三步：通過胞內(nèi)級聯(lián)反應實現(xiàn)信號放大作用，并終致細胞活性改變第四步：由于信號分子細胞反應終止或下調(diào)組成從細胞表面到細胞核的信號途徑的各類蛋白組成SignalReceptorScaffold,Relayproteins（轉(zhuǎn)承蛋白）Adaptorproteins:linkoneproteintoanotherwithoutpassingthesignalAmplifierproteins.Smallintracellularmediators:secondmessengersthatareabletodiffuseawayfromsource,broadcastingsignalIntegratorproteins

細胞內(nèi)信號蛋白之間的相互作用是靠蛋白質(zhì)模式結(jié)合域的特異性介導的細胞的命運取決與胞外信號的特殊組合進行程序性反應，表現(xiàn)不同的行為第二節(jié)細胞內(nèi)受體介導的信號轉(zhuǎn)導一、細胞內(nèi)核受體及其對基因表達的調(diào)節(jié)（一）細胞內(nèi)受體超家族（intracellularreceptorsuperfamily)細胞內(nèi)受體的基本結(jié)構(gòu)特點：含三個結(jié)構(gòu)域C端結(jié)構(gòu)域:激素集合位點中間結(jié)構(gòu)域:DNA集合結(jié)構(gòu)域N端結(jié)構(gòu)域:轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域例子：甾類激素介導的信號通路（皮質(zhì)醇）類固醇激素、視黃素維生素D和甲狀腺素的受體在細胞核內(nèi)與血清蛋白結(jié)合運輸至靶組織并跨質(zhì)膜擴散進入細胞內(nèi)3.激素反應元件（hormoneresponseelement,HRE）類固醇激素誘導的基因活化階段初級反應階段：直接活化少數(shù)特殊基因轉(zhuǎn)錄的，發(fā)生迅速；次級反應：初級反應產(chǎn)物再活化其它基因產(chǎn)生延遲的次級反應,對初級反應起放大作用4.甾類激素作用機制：（1）甾類激素與細胞質(zhì)內(nèi)各自的受體蛋白結(jié)合,形成激素—受體復合物,（2）能穿過核孔進入細胞核內(nèi),（3）激素和受體的結(jié)合導致受體蛋白構(gòu)象的改變,提高了受體與DNA的結(jié)合能力,（4）激活的受體通過結(jié)合于特異的DNA序列調(diào)節(jié)基因表達。甾類激素的作用機制是什么？（一）細胞內(nèi)受體作用機制細胞內(nèi)受體的本質(zhì)是激素激活的基因調(diào)控蛋白，構(gòu)成細胞內(nèi)受體超家族(intracellularreceptorsuper-family)。受體與抑制性蛋白結(jié)合形成復合物，處于非活化狀態(tài)。配體與受體結(jié)合，將導致擬制性蛋白從復合物上解離下來，從而受體通過暴露它的DNA結(jié)合位點而被激活。二、NO作為氣體信號分子進入靶細胞直接與酶結(jié)合1998年R．Furchgott等三位美國科學家因?qū)O信號轉(zhuǎn)導機制的研究而獲得諾貝爾生理和醫(yī)學獎RobertF.FurchgottLouisJ.IgnarroFeridMurad（一）NO的作用：NO可快速擴散透過細胞膜，作用于鄰近細胞。血管內(nèi)皮細胞和神經(jīng)細胞是NO的生成細胞，NO的生成由一氧化氮合酶(nitricoxidesynthase，NOS)催化，以L-精氨酸為底物，以NADPH作為電子供體，生成NO和L-瓜氨酸。NO沒有專門的儲存及釋放調(diào)節(jié)機制，靶細胞上NO的多少直接與NO的合成有關(guān)。（二）NO的作用機理：乙酰膽堿→血管內(nèi)皮→Ca2+濃度升高→一氧化氮合酶→NO→平滑肌細胞→鳥苷酸環(huán)化酶→cGMP→血管平滑肌細胞的Ca2+離子濃度下降→平滑肌舒張→血管擴張、血流通暢。硝酸甘油作用機理：在體內(nèi)轉(zhuǎn)化為NO，可舒張血管，減輕心臟負荷和心肌的需氧量。第三節(jié)G蛋白耦聯(lián)受體介導的信號轉(zhuǎn)導一、G蛋白耦聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)與激活二、G蛋白耦聯(lián)受體所介導的細胞信號通路(一)概念G蛋白(Gprotein)：三聚體GTP結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白（trimericGTP-bindingregulatoryprotein),簡稱～。G蛋白偶聯(lián)的受體:7次跨膜蛋白，N端在胞外，C端在胞內(nèi);胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域與G蛋白偶聯(lián);通過與G蛋白耦聯(lián),調(diào)節(jié)相關(guān)酶活性,在細胞內(nèi)產(chǎn)生第二信使;從而將胞外信號跨膜傳遞到胞內(nèi)。TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1994“fortheirdiscoveriesofG-proteinsandtheroleoftheseproteinsinsignaltransductionincells”G-proteinactivationandinactivationcycle(NIH.1970s)3.G蛋白耦聯(lián)型受體的特點7次跨膜蛋白，N端在胞外，C端在胞內(nèi);胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域與G蛋白偶聯(lián);通過與G蛋白耦聯(lián),調(diào)節(jié)相關(guān)酶活性,在細胞內(nèi)產(chǎn)生第二信使;從而將胞外信號跨膜傳遞到胞內(nèi)。（二）G蛋白的結(jié)構(gòu)與活性變化

α、β、γ三個亞基組成，細胞未受刺激時，G蛋白受體和G蛋白均處于無活性狀態(tài)細胞外信號分子與G蛋白受體結(jié)合時，受體被激活。G蛋白與活性的受體結(jié)合，并被激活G蛋白的活性受GTP和GDP的調(diào)節(jié)，α亞基與GDP結(jié)合時處于關(guān)閉狀態(tài)，與GTP結(jié)合時處于開啟狀態(tài)。G蛋白與受體結(jié)合后，α亞基上結(jié)合的GDP被GTP置換，G蛋白被激活α亞基便與βγ復合物分離，沿質(zhì)膜內(nèi)表面散開，分別與各自的靶蛋白，α亞基具有GTP酶活性,α亞基與其靶蛋白相互作用后,經(jīng)過幾秒鐘便把與其結(jié)合的GTP消解成GDP。于是α亞基便與βγ復合物重新結(jié)合成無活性的G蛋白，信號關(guān)閉。（三）信號轉(zhuǎn)導過程中G蛋白的活性變化(1)受體激活：配體與受體結(jié)合時，引起受體蛋白的構(gòu)象改變，暴露出與G蛋白結(jié)合的部位，于是G蛋白便與配體-受體復合物結(jié)合，導致G蛋白與GDP的結(jié)合力大大減弱(2)G蛋白的激活：GDP從α亞基上脫離下來之后，空出的位置上結(jié)合了GTP，G蛋白被激活，α亞基與βγ復合物相解離。激活的α亞基暴露出與腺苷酸環(huán)化酶相結(jié)合的部位，二者結(jié)合，后者被激活(3)G蛋白復原失活：α亞基具有GTP酶活性，GTP與α亞基結(jié)合幾秒鐘之后，GTP被水解成GDP，α亞基恢復原來的構(gòu)象，并與腺苷酸環(huán)化激酶分離，而重又和βγ復合物相結(jié)合成G蛋白，腺到環(huán)化酶失活。二、G蛋白耦聯(lián)受體所介導的細胞信號通路(一)cAMP為第二信使的信號通路(二)以肌醇-1,4,5-三磷酸(inositol1,4,5-trisphosphate,IP3)和二酰甘油(1,2diacylycerol,DAG)作為雙信使的磷脂酰肌醇信號通路(三)G蛋白耦聯(lián)離子通道(一)cAMP為第二信使的信號通路1)cAMP信號通路:細胞外信號與相應受體結(jié)合，調(diào)節(jié)腺苷酸環(huán)化酶活性，通過第二信使cAMP水平的變化,將細胞外信號轉(zhuǎn)變?yōu)榧毎麅?nèi)信號。2)信號通路的首要效應酶是腺苷酸環(huán)化酶，通過腺苷環(huán)化酶調(diào)節(jié)胞內(nèi)cAMP的水平。cAMP可被磷酸二酯酶限制性地降解清除。1.概念2.cAMP信號通路的組成成分1)激活型激素受體(Rs)或抑制型激素受體(Ri)；2)活化型調(diào)節(jié)蛋白(Gs)或抑制型調(diào)節(jié)蛋白(Gi)；3)腺苷酸環(huán)化酶（Adenylylcyclase）：特點:跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，催化ATP生成cAMP。Adenylatecyclase4)蛋白激酶A（ProteinKinaseA，PKA）：由兩個催化亞基和兩個調(diào)節(jié)亞基組成。cAMP與調(diào)節(jié)亞基結(jié)合，使調(diào)節(jié)亞基和催化亞基解離，釋放出催化亞基，激活蛋白激酶A的活性。5)環(huán)腺苷酸磷酸二酯酶（cAMPphosphodiesterase,PDE）：降解cAMP生成5’-AMP，起終止信號的作用DegredationofcAMP(6)Gs調(diào)節(jié)模型激素與Rs結(jié)合，Rs構(gòu)象改變，與Gs結(jié)合，Gs的α亞基排斥GDP，結(jié)合GTP而活化，Gs解離出α和βγ。a)α亞基活化腺苷酸環(huán)化酶，將ATP轉(zhuǎn)化為cAMP。b)βγ亞基復合物也可直接激活某些胞內(nèi)靶分子。霍亂毒素能催化ADP核糖基共價結(jié)合到Gs的α亞基上，使α亞基喪失GTP酶的活性，處于持續(xù)活化狀態(tài)。導致霍亂病患者細胞內(nèi)Na+和水持續(xù)外流，產(chǎn)生嚴重腹瀉而脫水。7)cAMP信號途徑可表示為：激素→G蛋白耦聯(lián)受體→G蛋白→腺苷酸環(huán)化酶→cAMP→依賴cAMP的蛋白激酶A→基因調(diào)控蛋白磷酸化→基因轉(zhuǎn)錄。8)不同細胞對cAMP信號途徑的反應速度不同：在肌肉細胞，1秒鐘內(nèi)可啟動糖原降解為葡糖1-磷酸，而抑制糖原合成。在某些分泌細胞，需要幾個小時，激活的PKA進入細胞核，將CRE結(jié)合蛋白磷酸化，調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達。CRE（cAMPresponseelement）是DNA上的調(diào)節(jié)區(qū)域。激活靶酶和開啟基因表達，通過蛋白激酶A來完成。

9)Gi調(diào)節(jié)模型①通過α亞基與腺苷酸環(huán)化酶結(jié)合，直接抑制酶的活性；②通過βγ亞基復合物與