第二节 膜表面受体介导的信号转导.docx
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第二节膜表面受体介导的信号转导
第二节 膜表面受体介导的信号转导
亲水性化学信号分子:
*有神经递质、蛋白激素、生长因子等
*它们不能直接进入细胞
只能通过膜表面的特异受体,传递信号
使靶细胞产生效应
膜表面受体主要有三类(图8-7):
①离子通道型受体(ion-channel-linkedreceptor)
存在于可兴奋细胞
②G蛋白耦联型受体(G-protein-linkedreceptor)
③酶耦联的受体(enzyme—linkedreceptor)
后2类存在于大多数细胞
在信号转导的早期
表现为一系列蛋白质的逐级磷酸化
使信号逐级传送和放大。
图8—7膜表面受体主要有3类
一、离子通道型受体
离子通道型受体(图8—8):
*离子通道的受体
即,配体门通道(ligand—gatedchannel)
*主要存在于神经、肌肉等,可兴奋细胞
其信号分子为神经递质
*神经递质+受体,而改变通道蛋白的构象
离子通道,开启or关闭
改变质膜的离子通透性
瞬间(1/1000秒),胞外化学信号→电信号
继而改变突触后细胞的兴奋性
*位于细胞膜上的受体,一般4次跨膜
位于内质网上的受体,一般6次跨膜
*离子通道型受体分为
阳离子通道,如乙酰胆碱、谷氨酸、五羟色胺的受体
阴离子通道,如甘氨酸&γ-氨基丁酸的受体
*如:
乙酰胆碱受体(图8-9、10)以三种构象存在
2分子乙酰胆碱的结合
使通道处于开放构象
但受体处于通道开放构象状态,时限十分短暂
在几十毫微秒内,又回到关闭状态
然后,乙酰胆碱与受体解离
受体恢复到初始状态
做好重新接受配体的准备
图8-8离子通道型受体
synapticcleft:
突触间隙
图8—9乙酰胆碱受体结构模型
图8—10乙酰胆碱受体的三种构象
图8—11神经肌肉接触点处的离子通道型受体
二、G蛋白耦联型受体
G蛋白
*3聚体GTP结合的调节蛋白,简称G蛋白
(trimericGTP—bindingregulatoryprotein)
由α、β、γ,3个亚基组成
位于质膜胞质侧
*α和γ亚基,通过共价结合的脂肪酸链尾部,
与细胞膜结合
*G蛋白在信号转导过程中,起着分子开关的作用(图8—12)
当α亚基
与GDP结合时,处于关闭状态
与GTP结合时,处于开启状态
*α亚基具有GTP酶活性
其GTP酶的活性
能被RGS(regulatorofGproteinsignaling)增强
RGS也属于GAP(GTPaseactivatingprotein)
图8—12G蛋白分子开关
G蛋白耦联型受体,为7次跨膜蛋白(图8—13)
*受体胞外结构域,识别胞外信号分子,并与之结合
*胞内结构域,与G蛋白耦联
调节相关酶活性
在细胞内产生第二信使
将胞外信号跨膜→胞内
*G蛋白耦联型受体
包括,多种神经递质、肽类激素&趋化因子的受体
在味觉、视觉&嗅觉中,
接受外源理化因素的受体
亦属G蛋白耦联型受体
图8—13G蛋白耦联型受体为7次跨膜蛋白
由G蛋白耦联受体介导的细胞信号通路
主要包括:
cAMP信号通路
磷脂酰肌醇信号通路
(一)cAMP信号途径
在cAMP信号途径中
胞外信号&相应受体结合→调节腺苷酸环化酶活性→通过第二信使cAMP水平的变化→将胞外信号→胞内信号
1、cAMP信号的组分
①激活型激素受体(Rs)or抑制型激素受体(Ri)
②活化型调节蛋白(Gs)or抑制型调节蛋白(Gi)
③腺苷酸环化酶
相对分子量为150KD的糖蛋白
跨膜12次
在Mg2+或Mn2+的存在下
腺苷酸环化酶,催化ATP→cAMP(图8—14)。
图8-14腺苷酸环化酶
④蛋白激酶A(ProteinKinaseA,PKA)
*由2个催化亚基、2个调节亚基组成(图8—15)
*在没有cAMP时,以钝化复合体形式存在
*cAMP与调节亚基结合,改变调节亚基构象
调节亚基、催化亚基解离,释放出催化亚基
*活化的催化亚基
可使细胞内某些蛋白的丝氨酸or苏氨酸残基磷酸化
改变这些蛋白的活性
进一步影响到相关基因的表达
图8—15蛋白激酶A
⑤环腺苷酸磷酸二酯酶(cAMPphosphodiesterase)
催化cAMP→5’—AMP,起终止信号的作用
(图8—16)
图8—16cAMP的降解
2、活化型调节蛋白(Gs)调节模型(pp136,图5—25)
*细胞没有激素刺激,Gs处于非活化态
α亚基与GDP结合,腺苷酸环化酶没有活性
*激素与Rs结合,Rs构象改变
暴露出与Gs结合的位点
使激素—受体-Gs结合
Gs的α亚基构象改变
排斥GDP,结合GTP而活化
三聚体Gs蛋白→α亚基+βγ基复合物
暴露出α亚基上,与腺苷酸环化酶的结合位点
*结合GTP的α亚基,与腺苷酸环化酶结合
使之活化,并将ATP→cAMP
GTP水解,α亚基恢复原来的构象
α亚基与βγ亚基重新结合
使细胞回复到静止状态
*活化的βγ亚基复合物
也可直接激活胞内靶分子,具有传递信号的功能
如,心肌细胞中G蛋白耦联受体
在乙酰胆碱刺激下
活化的βγ复合物
开启质膜上的K+通道,改变心肌细胞的膜电位
与膜上的效应酶结合
βγ对结合GTP的α亚基,起协同or拮抗作用
霍乱毒素
*催化ADP核糖基,共价结合到Gs的α亚基上
致使α亚基丧失GTP酶的活性
GTP不能水解
*GTP永久结合在Gs的α亚基上
α亚基处于持续活化状态
腺苷酸环化酶永久性活化
*霍乱病患者,细胞内Na+、水持续外流
产生严重腹泻而脱水
该信号途径涉及的反应链可表示为:
激素→G蛋白耦联受体→G蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP→依赖cAMP的蛋白激酶A→基因调控蛋白→基因转录(图8—17)
图8—17Gs调节模型
不同细胞对cAMP信号途径的反应速度不同
*在肌肉细胞1秒钟之内,可启动
糖原→葡糖1—磷酸,抑制糖原的合成
(图8—18)
*在某些分泌细胞
需要几个小时,激活的PKA→细胞核
将CRE的结合蛋白磷酸化,调节相关基因的表达
CRE(cAMPresponseelement,cAMP响应元件)
是DNA上的调节区域(图8—19)
图8—18cAMP信号与糖原降解
图8—19cAMP信号与基因表达
CRE:
cAMP响应元件
3、Gi调节模型
抑制型激素受体(Ri)对腺苷酸环化酶的抑制作用
可通过2个途径:
①通过α亚基与腺苷酸环化酶结合,直接抑制酶的活性;
②通过βγ亚基复合物,与游离Gs的α亚基结合
阻断Gs的α亚基,对腺苷酸环化酶的活化(图8—20)
图8-20Gi调节模型
(二)磷脂酰肌醇途径
在磷脂酰肌醇信号通路中→胞外信号分子,与细胞表面G蛋白耦联型受体结合→激活质膜上的磷脂酶C(PLC-β)→使质膜上4,5—二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)→水解成1,4,5—三磷酸肌醇(IP3)+二酰基甘油(DG),2个第二信使→胞外信号转换为胞内信号(图8-21)。
这一信号系统又称为“双信使系统”
(doublemessengersystem).
图8—21磷脂酰肌醇途径
IP3与内质网上IP3配体门的钙通道结合→开启钙通道→使胞内Ca2+浓度升高→激活各类依赖钙离子的蛋白
用Ca2+载体(离子霉素)处理细胞会产生类似的结果(图8—22).
DG:
*结合于质膜上
活化,与质膜结合的蛋白激酶C(PKC)
*PKC以非活性形式,分布于细胞质中
当细胞接受刺激,产生IP3
使Ca2+浓度升高
PKC→质膜内表面→被DG活化(图8-22)
*PKC使蛋白质的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化
使不同的细胞,产生不同的反应
如,细胞分泌、肌肉收缩、细胞增殖和分化等。
图8—22IP3和DG的作用
Ca2+活化各种Ca2+结合蛋白,引起细胞反应
*钙调素(CaM)
由单一肽链构成
有4个钙离子结合部位
CaM结合钙离子,发生构象改变
激活钙调素依赖性激酶(CaM-Kinase)
CaM+4Ca2+→CaM—Kinase
*细胞对Ca2+的反应
取决于细胞内钙调素&钙调素依赖性激酶
如:
哺乳类动物,脑神经元突触处
钙调素依赖性激酶Ⅱ,十分丰富
与记忆形成有关
该蛋白发生点突变的小鼠
表现出明显的记忆无能
IP3信号的终止:
*是通过去磷酸化形成IP2or被磷酸化形成IP4
*Ca2+
由质膜上的Ca2+泵&Na+—Ca2+交换器
将Ca2+抽出细胞
内质网膜上的钙泵,将Ca2+抽进内质网(图8-23)
图8—23Ca2+信号的消除
DG通过2种途径,终止其信使作用:
*DG被激酶磷酸化→磷脂酸
*DG→DG酯酶水解→单酯酰甘油
*DG代谢周期很短,不能长期维持PKC活性
*另一种DG生成途径
即,磷脂酶
催化质膜上的磷脂酰胆碱断裂→DG
用来维持PKC的长期效应
(三)其它G蛋白偶联型受体
1.化学感受器中的G蛋白
气味分子,与化学感受器中的G蛋白偶联型受体结合→可激活腺苷酸环化酶,产生cAMP→开启cAMP门控阳离子通道→引起钠离子内流,膜去极化→产生神经冲动,最终形成嗅觉or味觉
2.视觉感受器中的G蛋白
黑暗条件下,视杆细胞中cGMP浓度较高→cGMP门控钠离子通道开放→钠离子内流,引起膜去极化→突触持续向次级神经元释放递质→不能产生视觉
光照
*视紫红质(rhodopsin,Rh)为7次跨膜蛋白
是视觉感受器中的G蛋白偶联型受体
*光照使Rh的构象变为反式
Rh→视黄醛+视蛋白(opsin)
*视蛋白→激活G蛋白(transducin,Gt)
Gt→激活cGMP磷酸二酯酶→cGMP水解
关闭钠通道→引起细胞超极化→产生视觉
*胞内cGMP水平下降的负效应信号
起传递光刺激的作用(图8—24).
视觉感受器的换能反应,可表述为:
光信号→Rh→视蛋白激活→Gt活化→cGMP磷酸二酯酶激活→胞内cGMP减少→Na+离子通道关闭→离子浓度下降→膜超极化→神经递质释放减少→视觉反应
图8-24视觉感受器中的G蛋白
(四)小G蛋白
小G蛋白(SmallGProtein)
*分子量只有20~30KD,而得名
具有GTP酶活性
在多种细胞反应中具有开关作用.
*第一个发现的小G蛋白,是Ras
Ras是ras基因的产物
还有Rho,SEC4,YPT1等
微管蛋白β亚基,也是一种小G蛋白
小G蛋白的共同特点:
*自身为GTP酶,结合GTP时为活化态
作用于下游分子,使之活化
*当与GDP结合时
则回复到非活化态
*小G蛋白的分子量≦Gα
*在细胞中,存在小G蛋白调节因子
有的可以增强小G蛋白的活性
如,鸟苷酸交换因子(GEF)
(G蛋白释放GDP,结合GTP)
鸟苷酸解离抑制因子(GDI)
有的可以降低小G蛋白活性
如,GTP酶活化蛋白(GTPaseactivatingprotein,GAP)
三、酶耦联型受体
酶偶联型受体(enzymelinkedreceptor),分为两类:
*本身具有激酶活性
如,肽类生长因子(EGF,PDGF,CSF等)受体
*本身没有酶活性
但可以连接,非受体酪氨酸激酶
如,细胞因子受体超家族
酶偶联型受体的共同点是:
①通常为单次跨膜蛋白
②接受配体后,发生二聚化而激活
起动其下游信号转导。
已知六类:
①受体酪氨酸激酶
②酪氨酸激酶连接的受体
③受体酪氨酸磷脂酶
④受体丝氨酸/苏氨酸激酶
⑤受体鸟苷酸环化酶
⑥组氨酸激酶连接的受体(与细菌的趋化性有关)。
(一)受体酪氨酸激酶
1、酪氨酸激酶
酪氨酸激酶,可分为3类:
①受体酪氨酸激酶
为单次跨膜蛋白,在脊椎动物中已发现50余种
②胞质酪氨酸激酶
如,Src家族、Tec家族、ZAP70、家族、JAK家族等
③核内酪氨酸激酶
如Abl和Wee
受体酪氨酸激酶:
(receptorproteintyrosinekinases,RPTKs)
*胞外区,是结合配体结构域
配体是可溶性、膜结合的多肽or蛋白类激素
包括,胰岛素&多种生长因子
*胞内段,是酪氨酸蛋白激酶的催化部位
具有自我磷酸化位点(图8—25)。
*胞外配体与受体结合
引起构象变化
导致受体二聚化(dimerization)
形成同源or异源二聚体
*胞内段,相互磷酸化的酪氨酸残基
激活受体本身的,酪氨酸蛋白激酶活性
*这类受体主要有EGF、PDGF、FGF等(图8—26)。
图8-25受体酪氨酸激酶的二聚化和自磷酸化
图8-26各类受体酪氨酸激酶
EGF:
表皮生长因子
Insulin:
胰岛素受体;IGF—1:
胰岛素样生长因子-1
NGF:
神经生长因子
PDGA:
血小板衍生生长因子;
M—CSF:
巨噬细胞集落刺激因子
FGF:
成纤维细胞生长因子
VEGF:
血管内皮细胞生长因子
2、信号分子间识别的结构域
*RAS(小G蛋白)与受体—配体复合物结合时
需要信号转导分子
存在50~100个氨基酸构成的结构域
在不同的信号转导分子间,具有很高的同源性
*结构域的作用
介导信号分子的相互识别、连接
形成不同的信号转导途径
如,电脑的接口一样
把不同的设备连接起来,形成信号转导网络
与细胞信号分子识别有关的结构域,主要有:
*SH2结构域(SrcHomology2结构域)
约100个氨基酸组成
介导信号分子,与含磷酸酪氨酸的蛋白分子结合
*SH3结构域(SrcHomology3结构域)
约50~100个氨基酸组成
介导信号分子,与富含脯氨酸的蛋白分子结合
*PH结构域(PleckstrinHomology结构域)
约100~120个氨基酸组成
可与膜上磷脂类分子PIP2、PIP3、IP3等结合
使含PH结构域蛋白,由细胞质中→转位到细胞膜上
3、RAS信号途径
受体酪氨酸激酶(RTKs)结合信号分子→形成二聚体,自磷酸化而活化→活化的RTK激活RAS(G蛋白)→引起蛋白激酶的磷酸化级联反应(图8-27)。
*Ras蛋白
释放GDP、结合GTP的被激活
需要鸟苷酸交换因子(GEF,如Sos)参与
*Sos有SH3结构域,但没有SH2结构域
不能直接,与受体结合
需要接头蛋白(含有SH2、SH3)
如,Grb2的连接
通过SH2,与受体的磷酸酪氨酸残基结合
接头蛋白-SH2-受体
∣
SH3-Sos(GRF)-活化膜上的Ras
*Ras本身的GTP酶活性不强
需要GTP酶活化蛋白(GAP)的参与
使Ras结合的GTP水解、失活
GAP具有SH2结构域,可直接与活化的受体结合。
*Ras蛋白→与RafN端的结构域结合,并使其激活
Raf:
丝氨酸/苏氨酸(Ser/Thr)蛋白激酶
(又称MAPKKK)
*活化的Raf,结合并磷酸化另一种蛋白激酶MAPKK
使其活化
*MAPKK又使MAPK(蛋白激酶)的苏氨酸/酪氨酸残基
使之激活
*MAPK为有丝分裂原活化蛋白激酶
(mitogen—activatedproteinkinase,MAPK)
属丝氨酸/苏氨酸激酶
活化的MAPK→细胞核,可使许多转录因子活化
如,将Elk—1激活,促进c—fos,c-jun的表达。
RTK-Ras信号通路可概括如下:
配体→RTK→adaptor→GEF→Ras→Raf(MAPKKK)→MAPKK→MAPK→进入细胞核→转录因子→基因表达。
图8-27RAS信号途径
4.胰岛素受体介导的信号转导
胰岛素受体
*属于受体酪氨酸激酶
由α、β组成的,4聚体型受体
*β亚基具有激酶活性
可将胰岛素受体底物(IRSs)磷酸化(图8-28)
*IRS作为多种蛋白的停泊点
可以结合or激活,具有SH2结构域的蛋白
如,磷脂酰肌醇3—激酶(PI3K)。
图8—28IRS
PLCγ:
磷脂酶Cγ
PI3K(磷脂酰肌醇3—激酶)催化:
PI(肌醇一磷酸)→PI(3,4)P2、PI(3,4,5)P3
2者作为胞内信号蛋白(含PH结构域)的停泊位点
激活这些蛋白
①通过激活BTK(Bruton’styrosinekinase),再激活磷脂酶Cγ(PLCγ),引起磷脂酰肌醇途径。
其信号通路主要有:
①通过激活BTK(Bruton’styrosinekinase)
再激活磷脂酶Cγ(PLCγ)
引起磷脂酰肌醇途径。
②激活磷脂酰肌醇依赖性激酶PKD1
(phosphoinositoldependentkinase)
PKD1激活→转位到膜上的蛋白激酶B
(PKB,一种丝氨酸/苏氨酸激酶,如Akt)
激活的PKB返回细胞质
将细胞调亡相关的BAD蛋白磷酸化
抑制BAD的活性
从而使细胞存活(图8-29).
图8—29蛋白激酶B的活化
(二)受体丝氨酸/苏氨酸激酶
受体丝氨酸/苏氨酸激酶
(receptortyrosinephosphatases)
*为单次跨膜蛋白受体
受体胞内区,具有丝氨酸/苏氨酸激酶的活性
受体以二聚体形式,行使功能
*主要配体是转化生长因子-β家族成员
包括:
TGF—β1~β5,5个成员
具有类似的结构与功能
*对细胞具有多方面的效应
如,抑制细胞增殖
刺激细胞外基质合成
刺激骨的形成
*对其信号传导途径了解很少
(三)受体酪氨酸磷酯酶
受体酪氨酸磷酯酶(receptortyrosinephosphatases):
*是单次跨膜蛋白受体
*受体
胞内区,具有蛋白酪氨酸磷酯酶的活性
胞外配体&受体结合,激发该酶活性
*使特异的胞内信号蛋白的,磷酸酪氨酸残基去磷酸化
在静止的细胞内
维持磷酸化酪氨酸残基的很低水平
*受体酪氨酸磷酯酶的作用
似乎与RTK相反
*持续地逆转RTK的效应
在细胞信号系统中,发挥特殊的调节作用
*在细胞周期调控中,发挥重要作用
*存在于白细胞表面的抗原CD45,被认为是这类受体
(四)受体鸟苷酸环化酶
受体鸟苷酸环化酶(receptorguanylatecyclase)
*单次跨膜蛋白受体
*胞外段,是配体结合部位
胞内段,为鸟苷酸环化酶的催化结构域
*配体
是心房肌肉细胞分泌的一组肽类激素,排钠肽
(atrialnatriureticpeptides,ANPs)
*当血压升高时,心房肌细胞分泌ANPs
促进肾细胞排水、排钠
同时导致血管平滑肌细胞松弛
使血压下降
介导ANP反应的受体
分布在肾、血管平滑肌细胞表面。
*ANPs与受体结合
直接激活胞内段,鸟苷酸环化酶的活性
使GTP转化为cGMP
cGMP作为第二信使
结合并激活,依赖cGMP的蛋白激酶G(PKG)
靶蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化
靶蛋白被活化
*除了与质膜结合的鸟苷酸环化酶外
细胞质基质中,还存在可溶性的鸟苷酸环化酶
它们是NO作用的靶酶,催化产生cGMP。
(五)细胞因子受体超家族
属于酪氨酸激酶连接的受体
细胞因子(cytokine)
如:
白介素(IL)、干扰素(IFN)、集落刺激因子(CSF)、
生长激素(GH)等
在造血细胞&免疫细胞通讯上起作用
这类细胞因子的受体
*为单次跨膜蛋白,本身不具有酶活性
与配体结合后,发生二聚化而激活
*组织or连接,胞内酪氨酸蛋白激酶(如,JAK)
*其信号途径为,JAK-STATorRAS途径
JAK(justanotherkinase或januskinase)
*是一类非受体酪氨酸激酶家族
*已发现四个成员
JAK1、JAK2、JAK3、TYK1
*其结构不含SH2、SH3,
C段,具有2个相连的激酶区
*JAK的底物,为STAT
即,信号转导子和转录激活子
(signaltransducerandactivatoroftranscription,STAT)
具有SH2和SH3,两类结构域
*STAT被JAK磷酸化后,发生二聚化
穿过核膜→核内→调节相关基因表达
这条信号通路称为JAK-STAT途径(图8—30)
可概括如下:
1、配体&受体结合,导致受体二聚化;
2、二聚化受体,激活JAK;
3、JAK将STAT磷酸化;
4、STAT形成二聚体,暴露出入核信号;
5、STAT进入核内,调节基因表达。
图8—30JAK-STAT信号途径
第二节 膜表面受体介导的信号转导
亲水性化学信号分子:
有,神经递质、蛋白激素、生长因子等
膜表面受体,主要有3类(图8—7):
①离子通道型受体(ion—channel—linkedreceptor)
②G蛋白耦联型受体(G—protein—linkedreceptor)
③酶耦联的受体(enzyme—linkedreceptor)
一、离子通道型受体
二、G蛋白耦联型受体
(一)cAMP信号途径
1、cAMP信号的组分
①激活型激素受体(Rs)or抑制型激素受体(Ri)
②活化型调节蛋白(Gs)or抑制型调节蛋白(Gi)
③腺苷酸环化酶
④蛋白激酶A(ProteinKinaseA,PKA)
⑤环腺苷酸磷酸二酯酶(cAMPphosphodiesterase)
2、活化型调节蛋白(Gs)调节模型(pp136,图5-25)
3、Gi调节模型
(二)磷脂酰肌醇途径
(三)其它G蛋白偶联型受体
1.化学感受器中的G蛋白
2.视觉感受器中的G蛋白
(四)小G蛋白
三、酶耦联型受体
(一)受体酪氨酸激酶
1、酪氨酸激酶
2、信号分子间的识别结构域
3、RAS信号途径
4.胰岛素受体介导的信号转导
(二)受体丝氨酸/苏氨酸激酶
(三)受体酪氨酸磷酯酶
(四)受体鸟苷酸环化酶
(五)细胞因子受体超家族