第五章 细胞通讯.docx

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第五章细胞通讯

第五章细胞通讯

教学目的

1、理解信号分子、第二信使、趋同、趋异等相关概念。

2、掌握细胞通讯中PKC、PKA及受体酪氨酸激酶/Ras途径

教学内容

本章从以下5个方面讨论了细胞物质的运输机理以及细胞通讯的方式和基本特点：

1．细胞通讯的基本特点

2．G蛋白偶联受体及信号转导

3．酶联受体信号转导

4．其它信号转导途径

5．信号的整合、调节与终止

计划学时及安排

本章计划6学时。

教学重点和难点

1．关于细胞通讯的基本特点,主要掌握三个问题：

信号分子（包括第二信使）及其性质和特点、受体的类型和研究方法、信号分子与受体的相互作用。

2．在G蛋白偶联受体及信号转导一节中,重点掌握PKA和PKC两个系统进行信号转导的机理,包括系统的组成、第二信使的产生、信号的级联放大、信号的解除等。

另外，对三体G蛋白的结构、循环机制应有较深地理解和认识。

3．对于酶联受体信号转导系统,主要是学习和掌握该系统的转导机制,以及各种不同的信号因子受体被激活和作用的特点。

重点理解受体酪氨酸激酶/Ras途径及引起的反应,特别是Ras蛋白的激活及所涉及的相关因子。

4．在信号的汇集、趋异与窜扰一节中介绍了信号转导途径的汇集、信号趋异、信号转导途径间的窜扰等现象,通过本节的学习,理解细胞的信号传导是一个综合性的反应，不应孤立地看待一个个的信号反应。

本章的重点是物质的跨膜运输、G蛋白偶联受体及信号转导、酶联受体信号转导、信号的整合、调节与终止。

教学方法讲授、讨论

教学过程

5．

细胞通讯（cellcommunication）

5.1细胞通讯的基本特点

概念：

细胞通讯（cellcommunication）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。

细胞的通讯与人类社会的

特点：

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。

5.1.1细胞通讯的方式与反应

■通讯方式

细胞有三种通讯方式:

①通过信号分子;

②通过相邻细胞间表面分子的粘着或连接;

③通过细胞与细胞外基质的粘着。

■细胞通讯的反应过程

细胞通讯中有两个基本概念:

●信号传导（cellsignalling）

●信号转导（signaltransduction）

细胞通讯的基本过程：

①信号分子的合成。

②信号分子从信号传导细胞释放到周围环境中。

③信号分子向靶细胞运输。

④靶细胞对信号分子的识别和检测。

⑤细胞对细胞外信号进行跨膜转导，产生细胞内的信号。

⑥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。

比较信号传导（cellsignalling）与信号转导（signaltransduction）的差别

都是关于细胞通讯的基本概念，但二者的涵义是不同的，前者强调信号的释放与传递，包括细胞通讯的前三个过程:

①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。

②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。

③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:

④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。

⑤细胞对细胞外信号进行跨膜转导，产生细胞内的信号。

⑥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。

5.1.2信号分子及信号传导

■概念：

信号分子是指生物体内的某些化学分子,既非营养物,又非能源物质和结构物质,而且也不是酶,它们主要是用来在细胞间和细胞内传递信息,如激素、神经递质、生长因子等统称为信号分子,它们的惟一功能是同细胞受体结合,传递细胞信息。

■信号分子的类型及信号传导方式

有三种类型的信号分子：

激素、局部递质、神经递质

●激素（hormone）

概念：

激素是由内分泌细胞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

●局部介质（localmediators）

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传导（paracrinesignaling）

自分泌信号传导（autocrinesignaling）

自身合成的信号分子作用于自身的现象。

●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传导（neuronalsignaling）。

■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。

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

●表面受体（surfacereceptor）：

细胞质膜上的称为表面受体（surfacereceptor●细胞内受体（intracellularreceptor）：

位于胞质溶胶、核基质中的受体称为细胞内受体（intracellularreceptor）。

■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。

有两个结合位点：

一个是与配体结合的位点；

另一个是与抑制蛋白结合的位点。

举例：

糖皮质激素受体激活

■细胞表面受体

部位：

位于细胞质膜上

类型∶

离子通道偶联受体（ion-channellinkedreceptor）；

G-蛋白偶联受体（G-proteinlinkedreceptor）；

酶联受体（enzyme-linkedreceptor）

●离子通道偶联受体（ino-channellinkedreceptor）

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。

●G-蛋白偶联受体（G-proteinlinkedreceptor）；

每一种G-蛋白偶联受体都有7个α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。

G蛋白偶联受体跨膜信号转导机理

●酶联受体（enzymelinkedreceptor）

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（catalyticreceptor）。

类型:

①缺少细胞内催化活性的酶联受体

②具有细胞内催化活性的酶联受体。

5.1.4受体与配体相互作用及研究方法

表面受体超家族（surfacereceptorsuperfamilies）

根据表面受体与质膜的结合方式在可分为：

单次跨膜；

7次跨膜；

多亚单位跨膜等三个家族。

■受体与配体相互作用的特点

●特异性（specificity）

●高亲和力（highaffinitybinding）

●饱和性（saturation）

●可逆性（reversibility）

●生理反应（physiologicalresponse）

■信号分子与受体相互作用的复杂性

相同的信号分子在不同的靶细胞中引起不同的应答

5.1.5信号转导与第二信使

■两种信号转导途径:

①间接方式：

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;

②直接方式：

直接通过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

●细胞内生化反应途径：

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

●信号级联放大（signalingcascade）

■第二信使（secondmessengers）

●概念：

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

●类型：

cAMP、cGMP、1，2-二酰甘油（diacylglycerol，DAG）、1，4，5-三磷酸肌醇（inosositol1，4，5-trisphosphate，IP3）、Ca2+

●作用：

信号转导

控制细胞的增殖、分化和生存。

5.2G蛋白偶联受体及信号转导

特点：

①系统由三个部分组成:

7次跨膜的受体、G蛋白和效应物（酶）;

②产生第二信使。

5.2.1G蛋白的结构与功能

G蛋白，即GTP结合蛋白（GTPbindingprotein），参与细胞的多种生命活动。

■异源三体G蛋白（heterotrimericGprotein）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

●G蛋白循环（Gproteincycle）

概念：

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蛋白的信号转导作用

5.2.2PKA系统（proteinkinaseAsystem，PKA）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

三部分组成：

表面受体、G蛋白和效应物

■第二信使：

cAMP

●腺苷酸环化酶（adenylatecyclase，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，因此，AC是G蛋白偶联系统中的效应物。

■G蛋白偶联受体跨膜信号转导机理

■激活型和抑制型cAMP信号途径

■蛋白激酶A与底物磷酸化

●蛋白激酶A（proteinkinaseA，PKA）

又称为依赖于cAMP的蛋白激酶A（cyclic-AMPdependentproteinkinaseA），是由四个亚基组成的四聚体。

■蛋白激酶A的细胞质功能与细胞核功能

●蛋白激酶A的细胞质功能：

糖原分解

●蛋白激酶A的细胞核功能：

调节基因表达

■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（cAMPphosphodiesterase,PDE）将cAMP的环破坏，形成5‘-AMP；

●通过抑制型的信号作用于Ri，然后通过Gi起作用。

■反应链：

激素→G-蛋白偶联受体→G-蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP→cAMP依赖的蛋白激酶A→基因调控蛋白→基因转录

5.2.3PKC系统（proteinkinaseCsystem）

磷脂肌醇信号途径（PhosphatidylinositolSignaling）：

G蛋白偶联受体系统的一种。

该通路也称IP3、DAG、Ca2+信号通路，或称为PKC（ProteinkinaseC）系统。

■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。

●信号分子

各种激素、神经递质和一些局部介质。

■第二信使的产生

类型：

IP3、DAG、Ca2+。

产生过程：

磷脂酶C的激活；

IP3/DAG的生成；

Ca2+的释放。

■信号的放大作用

蛋白激酶C（ProteinkinaseC，PKC）

◆PKC是钙和磷脂依赖性酶，它的激活需有Ca2+、DAG和脂的存在。

蛋白激酶C的激活：

◆PIP2水解释放出的DAG是水不溶的（非极性的），一直停留在质膜上。

◆一旦IP3动员释放了Ca2+,DAG在Ca2+和磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserine,PS）的存在下使PKC结合到质膜上并使之激活。

■蛋白激酶C的作用

●对糖代谢的控制

●对细胞分化的控制

●参与基因表达调控

●此外，有人认为PKC能够催化未被其他激酶催化的蛋白。

蛋白激酶C激活特定基因转录的两种途径

■第二信使Ca2+（calciumions）的作用

●细胞中Ca2+浓度及其控制

●钙调蛋白的结构

●Ca2+-钙调蛋白复合物的信号放大作用

■信号的终止

●IP3信号的解除

①IP3被水解；

②IP3被ATP磷酸化。

●Ca2+信号的解除

Ca2+信号的解除主要是通过降低胞质溶胶中的Ca2+浓度。

5.3酶联受体信号转导（signalingviaenzyme-linkedreceptor）

5.3.1鸟苷酸环化酶受体与第二信使cGMP

特点：

受体本身就是鸟苷酸环化酶；

此途径中的第二信使是cGMP。

■受体的结构

细胞内有两种形式的鸟苷酸环化酶（guanylatecyclase,GC）：

①与细胞膜结合的膜结合型GC；

②胞浆可溶型GC。

■PKG（cGMPdependentproteinkinase，PKG）

cGMP的靶蛋白是依赖于cGMP的蛋白激酶G，简称为PKG。

5.3.2受体酪氨酸激酶/Ras途径

受体酪氨酸激酶，简称RTKs（receptortyrosinekinase）

◆信号转导：

配体→受体→受体二聚化→受体的自磷酸化→激活RTK→胞内信号蛋白→启动信号传导

◆RTK-Ras信号通路：

配体→RTK→adaptor←GRF→Ras→Raf（MAPKKK）→MAPKK→MAPK→进入细胞核→其它激酶或基因调控蛋白（转录因子）的磷酸化修钸。

■受体的结构特点及类型

●结构特点：

细胞外结构域、

单次跨膜α螺旋区、

细胞内结构域。

●类型

■受体酪氨酸激酶的激活

受体酪氨酸激酶在没有同信号分子结合时是以单体存在的，并且没有活性；一旦有信号分子同细胞外结构域结合，两个单体受体分子在膜上形成二聚体，两个受体的细胞内结构域的尾部相互接触，激活它们的蛋白激酶的功能，结果使尾部的酪氨酸残基磷酸化。

磷酸化导致受体细胞内结构域的尾部装配成一个信号复合物（signalingcomplex）。

磷酸化的酪氨酸部位立即成为细胞内信号蛋白（signalingprotein）的结合位点，可能有10～20种不同的细胞内信号蛋白同受体尾部磷酸化部位结合后被激活。

信号复合物通过几种不同的信号转导途径，扩大信息，激活细胞内一系列的生化反应；或者将不同的信息综合起来引起细胞进行综合性的应答（如细胞增殖）。

■表皮生长因子受体信号转导途径

■Ras蛋白的激活

原癌基因c-ras表达产物Ras蛋白是目前研究得较为清楚的一条信号转导途径，这条通路同胰岛素受体、EGF受体相关。

●Ras是大鼠肉瘤（ratsarcoma,Ras）的英文缩写。

Ras蛋白是原癌基因c-ras的表达产物，相对分子质量为21kDa，系单体GTP结合蛋白，具有弱的GTP酶活性。

其活性则是通过与GTP或GDP的结合进行调节

Ras的活性受两个主要蛋白的控制，一个是鸟苷交换因子（guaninenucleotideexchangefactor，GEF），它的作用是促使GDP从Ras蛋白上释放出来，取而代之的是GTP，从而将Ras激活，GEF的活性受生长因子及其受体的影响。

另一个控制Ras蛋白活性的是GTP酶激活蛋白（GTPaseactivatingprotein，GAP），存在于正常细胞中，主要作用是激活Ras蛋白的GTP酶，将结合在Ras蛋白上的GTP水解成GDP，成为失活型的Ras蛋白—GDP。

所以在正常情况下，Ras蛋白基本上都与GDP结合在一起，定位在细胞质膜内表面上。

■Ras信号的级联放大

5.4其它信号转导途径

5.4.1NO的细胞信使作用

■体内NO来源

NO合酶（nitricoxidesynthase）催化精氨酸生成NO

■NO的信使作用

5.4.2细胞与ECM相互作用引起的信号

■粘着斑与信号转导（图）

5.5信号的整合、调节与终止

5.5.1信号的汇集、趋异与窜扰

信号传导途径的汇集（convergence）：

是指不同的信号分子分别作用于不同的受体，但是最后的效应物是相同的。

信号趋异（divergence）：

是指同一种信号与受体作用后在细胞内分成几个不同的信号途径进行传递，最典型的是受体酪氨酸激酶的信号转导。

信号转导途径间的"窜扰"（crosstalk）：

是指不同信号转导途径间的相互影响。

如PKA系统与受体酪氨酸激酶系统间的相互干扰。

5.5.2信号终止（termination）与受体钝化（desensitization）

■信号分子水解

■受体钝化（receptordesensitization）

■受体减量调节（receptordown-regulation）

■磷酸化酶的去磷酸化使蛋白失活

复习与思考题：

1.比较信号传导（cellsignalling）与信号转导（signaltransduction）的差别。

2.比较激活型与抑制型G蛋白偶联系统的共同点和差异。

3.EGF是怎样通过Ras进行信号级联放大的?

4.受体酪氨酸激酶是如何被激活的?

5.简述PKA、PKC信号通路的过程