第二节膜表面受体介导的信号转导.docx

1、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）： 离子通道型受体（ion-channel-linked receptor）存在于可兴奋细胞 G蛋白耦联型受体（G-protein-linked receptor） 酶耦联的受体（enzyme-linked receptor）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8-8 离子通道型受体sy

2、naptic cleft：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（trimeric GTP-binding regulatory protein）由、，3个亚基组成位于质膜胞质侧* 和亚基，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）当亚基与GDP结合时，处于关闭状态与GTP结合时，处于开启状态* 亚基具有GTP酶活性其GTP酶的活性能被RGS（regulator of G protein si

3、gnaling）增强RGS也属于GAP（GTPase activating protein）图8-12 G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8-13 G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

4、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 激活型激素受体（Rs）or 抑制型激素受体（Ri） 活化型调节蛋白（Gs）or 抑制型调节蛋白（Gi） 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 蛋白激酶A（Protein Kinase A，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*

5、 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 环腺苷酸磷酸二酯酶（cAMP phosphodiesterase）催化cAMP 5-AMP，起终止信号的作用（图8-16）图8-16 cAMP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的亚基构象改变排斥GDP，结合GTP而活化三聚体Gs蛋白 亚基 基复合物暴露出亚基上，与腺苷酸环化酶的

6、结合位点* 结合GTP的亚基，与腺苷酸环化酶结合使之活化，并将ATP cAMPGTP水解，亚基恢复原来的构象亚基与亚基重新结合使细胞回复到静止状态* 活化的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对结合GTP的亚基，起协同or拮抗作用霍乱毒素* 催化ADP核糖基，共价结合到Gs的亚基上致使亚基丧失GTP酶的活性GTP不能水解* GTP永久结合在Gs的亚基上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

7、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8-17 Gs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（cAMP response element，cAMP响应元件）是DNA上的调节区域（图8-19）图8-18 cAMP信号与糖原降解图8-19 cAMP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

8、（Ri）对腺苷酸环化酶的抑制作用可通过2个途径：通过亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性；通过亚基复合物，与游离Gs的亚基结合阻断Gs的亚基，对腺苷酸环化酶的活化（图8-20）图8-20 Gi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-） 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”（double messenger system）。图8-21磷脂酰肌醇途径IP

9、3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8-22 IP3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

10、结合钙离子，发生构象改变激活钙调素依赖性激酶（CaM-Kinase）CaM4Ca2 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，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IP2 or 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8-23 Ca2+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

11、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

12、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（Small G Protein）* 分子量只有2030KD，而得名具有GTP酶活性在多种细

13、胞反应中具有开关作用。* 第一个发现的小G蛋白，是RasRas是ras基因的产物还有Rho，SEC4，YPT1等微管蛋白亚基，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 G* 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（GTPase activating protein, GAP）三、酶耦联型受体酶偶联型受体（enzyme linke

14、d receptor），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： 通常为单次跨膜蛋白 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：受体酪氨酸激酶酪氨酸激酶连接的受体受体酪氨酸磷脂酶受体丝氨酸/苏氨酸激酶受体鸟苷酸环化酶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： 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 胞质酪氨酸激酶如，Src家族、Tec家族、ZAP70、家族、JAK家族等

15、核内酪氨酸激酶如Abl和Wee受体酪氨酸激酶：（receptor protein tyrosine kinases，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

16、酶EGF：表皮生长因子Insulin：胰岛素受体；IGF-1：胰岛素样生长因子1NGF：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50100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（Src Homology 2 结构域）约

17、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（Src Homology 3 结构域）约50100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（Pleckstrin Homology 结构域）约100120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，

18、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 SH3Sos（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Raf N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

19、酸/酪氨酸残基使之激活* MAPK为有丝分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，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8-27 RAS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、组成的，4聚体型受体* 亚基具有激酶活性可将胰岛素受体底物（IRSs）磷酸化（图8-28）* IR

20、S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8-28 IRSPLC：磷脂酶CPI3K（磷脂酰肌醇3-激酶）催化：PI（肌醇一磷酸） PI(3,4)P2 、PI(3,4,5)P32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通过激活BTK（Brutons tyrosine kinase），再激活磷脂酶C（PLC），引起磷脂酰肌醇途径。其信号通路主要有： 通过激活BTK（Brutons tyrosine kinase）再激活磷脂酶C（PLC）引起磷脂酰肌醇途径。 激活磷脂酰肌醇依赖性激酶PKD1（phosphoinosito

21、l dependent kinase）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（receptor tyrosine phosphatases）* 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家族成员包括：TGF-1 5，5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

22、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（receptor tyrosine phosphatases）：* 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（receptor guanylate cycl

23、ase）* 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（atrial natriuretic peptides，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cGMPcGMP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

24、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，JAKSTAT or RAS途径JAK（just another kinase或janus kinase）* 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

25、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（signal transducer and activator of transcription，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8-30 JAK-STAT信号途径第二节 膜表面受体介导的

26、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）： 离子通道型受体（ion-channel-linked receptor） G蛋白耦联型受体（G-protein-linked receptor） 酶耦联的受体（enzyme-linked receptor）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 激活型激素受体（Rs）or 抑制型激素受体（Ri） 活化型调节蛋白（Gs）or 抑制型调节蛋白（Gi） 腺苷酸环化酶 蛋白激酶A（Protein Kinase A，PKA） 环腺苷酸磷酸二酯酶（cAMP phosphodiesterase）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