1、第十九章第十九章細胞信號轉導的分子機制細胞信號轉導的分子機制The Molecular Mechanism of Cellular Signal Transduction主要內容主要內容細胞信號轉導概述細胞信號轉導概述細胞內信號轉導分子細胞內信號轉導分子細胞受體介導的細胞內信號轉導細胞受體介導的細胞內信號轉導信號轉導的根本規律和復雜性信號轉導的根本規律和復雜性細胞信號轉導異常與疾病細胞信號轉導異常與疾病學習指點學習指點l重重 點：點：l第二信使的概念和種類。第二信使的概念和種類。l受體的概念、種類、構造與功能。受體的概念、種類、構造與功能。l信息傳送的主要途徑。信息傳送的主要途徑。l難難 點：

2、點：l信息物質。信息物質。l受體作用的特點。受體作用的特點。l進進 展：展：l 信號轉導機制研討在醫學開展中的意義。信號轉導機制研討在醫學開展中的意義。 o 生物體內各種細胞在功能上的協調一致是經過生物體內各種細胞在功能上的協調一致是經過細胞間相互識別和相互作用來實現的。一些細細胞間相互識別和相互作用來實現的。一些細胞發出信號，而另一些細胞那么接納信號并將胞發出信號，而另一些細胞那么接納信號并將其轉變為本身功能變化，這一過程稱為細胞通其轉變為本身功能變化，這一過程稱為細胞通訊訊cell communication。o 細胞針對外源信息所發生的細胞內生物化學變細胞針對外源信息所發生的細胞內生物化

3、學變化及效應的全過程稱為信號轉導化及效應的全過程稱為信號轉導signal transduction。 年度年度 重要發現重要發現 諾貝爾獎獲得者諾貝爾獎獲得者1923年年胰島素胰島素Frederick Grant BantingJohn James Richard Macleod1936年年神經沖動的化學傳遞神經沖動的化學傳遞Henry Hallett DaleOtto Loewi1950年年腎上腺皮質激素腎上腺皮質激素Edward Calvin KendallPhilip Showalter HenchTadeus Reichstein1970年年神經末梢的神經遞質的合成、釋神經末梢的神經遞

4、質的合成、釋放及滅活放及滅活Sir Bernard KatzUlf von EulerJulius Axelrod1971年年激素作用的第二信使機制激素作用的第二信使機制Earl Wilber Sutherland1982年年前列腺素及相關的生物活性物質前列腺素及相關的生物活性物質Sune K. BergstrmBengt I. SamuelssonJohn R. Vane1986年年生長因子生長因子Stanley CohenRita Levi-Montalcini年度年度重要發現重要發現諾貝爾獎獲得者諾貝爾獎獲得者1992年年蛋白質可逆磷酸化調節機制蛋白質可逆磷酸化調節機制Edmond H.

5、 FischerEdwin G. Krebs1994年年G蛋白及其在信號轉導中的作用蛋白及其在信號轉導中的作用Alfred Gilman，Martin Rodbell2019年年一氧化氮是心血管系統的信號分一氧化氮是心血管系統的信號分子子Robert F. Furchgott，Louis J. Ignarro，Ferid Murad2000年年神經系統有關信號轉導神經系統有關信號轉導Arvid Carlsson，Paul Greengard，Eric R. Kandel2019年年細胞周期的關鍵調節分子細胞周期的關鍵調節分子Leland H. HartwellR. Timothy HuntPa

6、ul M. Nurse2019 細胞膜離子通道作用機制細胞膜離子通道作用機制Peter AgreRoderick MacKinnon2019 嗅受體及其作用機制嗅受體及其作用機制Richard Axel，Linda B. Buck2019 泛素介導的蛋白質降解泛素介導的蛋白質降解Aaron Ciechanover，Avram Hershko，Irwin Rose第一節第一節細胞信號轉導概述細胞信號轉導概述The General Information of Signal Transduction改動細胞內的某些代謝過程，或改動細胞內的某些代謝過程，或改動生長速度，或改動細胞遷移改動生長速度，或

7、改動細胞遷移或進入細胞凋亡等生物學行為或進入細胞凋亡等生物學行為 細胞外信號細胞外信號受體受體細胞內各種分子數量、分布細胞內各種分子數量、分布或活性變化或活性變化n細胞信號轉導的根本道路細胞信號轉導的根本道路 一、細胞外化學信號有可溶型和一、細胞外化學信號有可溶型和膜結合型兩種方式膜結合型兩種方式o 生物體可感受任何物理、化學和生物學生物體可感受任何物理、化學和生物學刺激信號，但最終經過換能途徑將各類刺激信號，但最終經過換能途徑將各類信號轉換為細胞可直接感受的化學信號信號轉換為細胞可直接感受的化學信號chemical signaling。o 化學信號可以是可溶性的，也可以是膜化學信號可以是可溶

8、性的，也可以是膜結合方式的。結合方式的。 o 化學信號通訊是生物順應環境不斷變異、進化化學信號通訊是生物順應環境不斷變異、進化的結果。的結果。 單細胞生物與外環境直接交換信息。單細胞生物與外環境直接交換信息。多細胞生物中的單個細胞不僅需求順應環多細胞生物中的單個細胞不僅需求順應環境變化，而且還需求細胞與細胞之間在功境變化，而且還需求細胞與細胞之間在功能上的協調一致。能上的協調一致。 n多細胞生物細胞間的聯絡多細胞生物細胞間的聯絡 細胞與細胞的直接聯絡：物質直接交換，或者細胞與細胞的直接聯絡：物質直接交換，或者是經過細胞外表分子相互作用實現信息交流。是經過細胞外表分子相互作用實現信息交流。 激素

9、調理：順應遠間隔細胞之間的功能協調的激素調理：順應遠間隔細胞之間的功能協調的信號系統。信號系統。 一可溶型信號分子作為游離分子在細胞間傳送一可溶型信號分子作為游離分子在細胞間傳送o 多細胞生物中，細胞可經過分泌化學物質多細胞生物中，細胞可經過分泌化學物質如蛋白質或小分子有機化合物而發出信如蛋白質或小分子有機化合物而發出信號，這些分子作用于靶細胞外表或細胞內的號，這些分子作用于靶細胞外表或細胞內的受體，調理靶細胞的功能，從而實現細胞之受體，調理靶細胞的功能，從而實現細胞之間的信息交流。間的信息交流。 n 可溶型信號分子可根據其溶解特性分為脂溶可溶型信號分子可根據其溶解特性分為脂溶性化學信號和水溶

10、性化學信號兩大類性化學信號和水溶性化學信號兩大類 n根據體內化學信號分子作用間隔，可以將其分為根據體內化學信號分子作用間隔，可以將其分為三類：三類：作用間隔最遠的內分泌作用間隔最遠的內分泌endocrine系統化學系統化學信號，稱為激素；信號，稱為激素；屬于旁分泌屬于旁分泌paracrine系統的細胞因子，主系統的細胞因子，主要作用于周圍細胞；有些作用于本身，稱為自要作用于周圍細胞；有些作用于本身，稱為自分泌分泌autocrine。作用間隔最短的是神經元突觸內的神經遞質作用間隔最短的是神經元突觸內的神經遞質 neurotransmitter。 神經分泌神經分泌內分泌內分泌自分泌及旁分泌自分泌及

11、旁分泌化學信號的名稱化學信號的名稱 神經遞質神經遞質激素激素細胞因子細胞因子作用距離作用距離nmmmm受體位置受體位置膜受體膜受體膜或胞內受體膜或胞內受體膜受體膜受體舉例舉例乙酰膽堿乙酰膽堿谷氨酸谷氨酸胰島素胰島素生長激素生長激素表皮生長因子表皮生長因子神經生長因子神經生長因子可溶型信號分子的分類可溶型信號分子的分類二膜結合型信號分子需求細胞間接觸才干傳送信號二膜結合型信號分子需求細胞間接觸才干傳送信號o 每個細胞的質膜外外表都有眾多的蛋白質、糖每個細胞的質膜外外表都有眾多的蛋白質、糖蛋白、蛋白聚糖分子。相鄰細胞可經過膜外表蛋白、蛋白聚糖分子。相鄰細胞可經過膜外表分子的特異性識別和相互作用而傳

12、送信號。分子的特異性識別和相互作用而傳送信號。o 當細胞經過膜外表分子發出信號時，相應的分當細胞經過膜外表分子發出信號時，相應的分子即為膜結合型信號分子，亦稱為配體，而在子即為膜結合型信號分子，亦稱為配體，而在靶細胞外表與之特異性結合的分子受體，靶細胞外表與之特異性結合的分子受體，那么經過這種分子間的相互作用而接納信號，那么經過這種分子間的相互作用而接納信號，并將信號傳入靶細胞內。并將信號傳入靶細胞內。o 這種細胞通訊方式稱為膜外表分子接觸通訊。這種細胞通訊方式稱為膜外表分子接觸通訊。 屬于這一類通訊的有：相鄰細胞間黏附因子的相互作用、T淋巴細胞與B淋巴細胞外表分子的相互作用等。 二、細胞經由

13、特異性受體接納細胞外信號二、細胞經由特異性受體接納細胞外信號o受體受體receptor是細胞膜上或細胞內能識別是細胞膜上或細胞內能識別外源化學信號并與之結合的蛋白質分子，個別外源化學信號并與之結合的蛋白質分子，個別糖脂也具有受體作用糖脂也具有受體作用 。o可 以 與 受 體 特 異 性 結 合 的 分 子 稱 為 配 體可 以 與 受 體 特 異 性 結 合 的 分 子 稱 為 配 體ligand。可溶性和膜結合型信號分子都是。可溶性和膜結合型信號分子都是常見的配體。常見的配體。一受體有細胞內受體和細胞膜受體一受體有細胞內受體和細胞膜受體o 受體按照其在細胞內的位置分為：受體按照其在細胞內的位

14、置分為：l細胞內受體細胞內受體l包括位于細胞質或胞核內的受體，其相應配體包括位于細胞質或胞核內的受體，其相應配體是脂溶性信號分子，如類固醇激素、甲狀腺素、是脂溶性信號分子，如類固醇激素、甲狀腺素、維甲酸等。維甲酸等。 l細胞外表受體細胞外表受體l水溶性信號分子和膜結合型信號分子如生長水溶性信號分子和膜結合型信號分子如生長因子、細胞因子、水溶性激素分子、粘附分子因子、細胞因子、水溶性激素分子、粘附分子等不能進入靶細胞，其受體位于靶細胞的細等不能進入靶細胞，其受體位于靶細胞的細胞質膜外表。胞質膜外表。 圖圖19-1 水溶性和脂溶性化學信號的轉導水溶性和脂溶性化學信號的轉導 二受體結合配體并轉換信號

15、二受體結合配體并轉換信號o 受體識別并與配體結合，是細胞接納外源信號受體識別并與配體結合，是細胞接納外源信號的第一步反響。的第一步反響。o 受體有兩個方面的作用：一是識別外源信號分受體有兩個方面的作用：一是識別外源信號分子并與之結合；二是轉換配體信號，使之成為子并與之結合；二是轉換配體信號，使之成為細胞內分子可識別的信號，并傳送至其他分子細胞內分子可識別的信號，并傳送至其他分子引起細胞應對。引起細胞應對。 n 細胞內受體可以直接傳送信號或經過特定的通路傳細胞內受體可以直接傳送信號或經過特定的通路傳送信號送信號 o 有許多細胞內受體是基因表達的調控蛋白，與進入細胞有許多細胞內受體是基因表達的調控

16、蛋白，與進入細胞的信號分子結合后，可以直接傳送信號，即直接調控基的信號分子結合后，可以直接傳送信號，即直接調控基因表達。因表達。o 另有一些細胞內受體可以結合細胞內產生的信號分子另有一些細胞內受體可以結合細胞內產生的信號分子如細胞應激反響中產生的細胞內信號分子，直接激如細胞應激反響中產生的細胞內信號分子，直接激活效應分子或經過一定的信號轉導通路激活效應分子。活效應分子或經過一定的信號轉導通路激活效應分子。 n 膜受體識別細胞外信號分子并轉換信號膜受體識別細胞外信號分子并轉換信號 o 膜受體識別并結合細胞外信號分子，將細胞外膜受體識別并結合細胞外信號分子，將細胞外信號轉換成為可以被細胞內分子識別

17、的信號，信號轉換成為可以被細胞內分子識別的信號，經過信號轉導通路將信號傳送至效應分子，引經過信號轉導通路將信號傳送至效應分子，引起細胞的應對。起細胞的應對。 三受體與配體的相互作器具有共同的特點配體配體- -受體結合曲線受體結合曲線高度專注性高度專注性高度親和力高度親和力可飽和性可飽和性特定的作用方式特定的作用方式可逆性可逆性三、細胞內信號轉導具有多條信號通路三、細胞內信號轉導具有多條信號通路并構成網絡調控并構成網絡調控o 細胞內存在多種信號轉導分子，這些分子依次相互識別、細胞內存在多種信號轉導分子，這些分子依次相互識別、相互作用，有序地轉換和傳送信號。由一組分子構成的相互作用，有序地轉換和傳

18、送信號。由一組分子構成的有序分子變化被稱為信號轉導通路或信號轉導途徑有序分子變化被稱為信號轉導通路或信號轉導途徑signal transduction pathway。o 每一條信號轉導通路都是由多種信號轉導分子組成，不每一條信號轉導通路都是由多種信號轉導分子組成，不同分子間有序地依次進展相互作用，上游分子引起下游同分子間有序地依次進展相互作用，上游分子引起下游分子的數量、分布或活性形狀變化，從而使信號向下游分子的數量、分布或活性形狀變化，從而使信號向下游傳送。信號轉導分子相互作用的機制構成了信號轉導的傳送。信號轉導分子相互作用的機制構成了信號轉導的根本機制。根本機制。 o 由一種受體分子轉換

19、的信號，可經過一條或多由一種受體分子轉換的信號，可經過一條或多條信號轉導通路進展傳送。而不同類型受體分條信號轉導通路進展傳送。而不同類型受體分子轉換的信號，也可經過一樣的信號通路進展子轉換的信號，也可經過一樣的信號通路進展傳送。傳送。o 不同的信號轉導通路之間亦可發生交叉調控不同的信號轉導通路之間亦可發生交叉調控cross-talking，構成復雜的信號轉導網絡，構成復雜的信號轉導網絡signal transduction network。o 信號轉導通路和網絡的構成是動態過程，隨著信號轉導通路和網絡的構成是動態過程，隨著信號的種類和強度而不斷變化。信號的種類和強度而不斷變化。 轉錄因子轉錄因

20、子染色質相關蛋白染色質相關蛋白RNARNA加工蛋白加工蛋白RNARNA轉運蛋白轉運蛋白細胞周期蛋白細胞周期蛋白細胞骨架細胞骨架NH2AAAAAm7GTranslation信號轉導網絡信號轉導網絡信號接納信號接納信號轉導信號轉導 應對反響應對反響 細胞信號轉導的根本方式表示圖細胞信號轉導的根本方式表示圖第二節第二節細胞內信號轉導分子細胞內信號轉導分子Intracellular Signal Moleculeso 細胞外的信號經過受體轉換進入細胞內，經過細胞外的信號經過受體轉換進入細胞內，經過細胞內一些蛋白質分子和小分子活性物質進展細胞內一些蛋白質分子和小分子活性物質進展傳送，這些可以傳送信號的分

21、子稱為信號轉導傳送，這些可以傳送信號的分子稱為信號轉導分子分子signal transducer。o 根據作用特點，信號轉導分子主要有三大類：根據作用特點，信號轉導分子主要有三大類：小分子第二信使、酶、調理蛋白。小分子第二信使、酶、調理蛋白。 o 信號轉導分子依次相互作用，從而構成上游分信號轉導分子依次相互作用，從而構成上游分子和下游分子的關系。子和下游分子的關系。 o 受體及信號轉導分子傳送信號的根本方式包括受體及信號轉導分子傳送信號的根本方式包括 ：改動下游信號轉導分子的構象改動下游信號轉導分子的構象改動下游信號轉導分子的細胞內定位改動下游信號轉導分子的細胞內定位信號轉導分子復合物的構成或

22、解聚信號轉導分子復合物的構成或解聚改動小分子信使的細胞內濃度或分布改動小分子信使的細胞內濃度或分布一、第二信使結合并激活下游信號一、第二信使結合并激活下游信號轉導分子轉導分子環腺苷酸環腺苷酸cAMP、環鳥苷酸、環鳥苷酸cGMP、甘油二酯甘油二酯DAG、三磷酸肌醇、三磷酸肌醇IP3、磷脂酰、磷脂酰肌醇肌醇-3,4,5-三磷酸三磷酸PIP3、Ca2+等可以作為外源等可以作為外源信息在細胞內的信號轉導分子，稱為細胞內小分子信息在細胞內的信號轉導分子，稱為細胞內小分子信使，或稱為第二信使信使，或稱為第二信使second messenger。 一小分子信使傳送信號具有類似的特點一小分子信使傳送信號具有類

23、似的特點 在完好細胞中，其濃度或分布可在細胞外信號的在完好細胞中，其濃度或分布可在細胞外信號的作用下發生迅速改動作用下發生迅速改動 該分子類似物可模擬細胞外信號的作用該分子類似物可模擬細胞外信號的作用 阻斷該分子的變化可阻斷細胞對外源信號的反響阻斷該分子的變化可阻斷細胞對外源信號的反響 作為別構效應劑在細胞內有特定的靶蛋白分子作為別構效應劑在細胞內有特定的靶蛋白分子 o 多數小分子信使的上游信號轉導分子是酶類。多數小分子信使的上游信號轉導分子是酶類。這些酶被其本身的上游信號轉導分子激活，從這些酶被其本身的上游信號轉導分子激活，從而催化小分子信使的生成，使其濃度在細胞內而催化小分子信使的生成，使

24、其濃度在細胞內迅速升高。迅速升高。 n 上游信號轉導分子使第二信使的濃度升高上游信號轉導分子使第二信使的濃度升高或分布變化或分布變化 o 第二信使的濃度變化是傳送信號的重要機制，第二信使的濃度變化是傳送信號的重要機制，其濃度在細胞接納信號后變化非常迅速，可以其濃度在細胞接納信號后變化非常迅速，可以在數分鐘內被檢測出來。而細胞內存在相應的在數分鐘內被檢測出來。而細胞內存在相應的水解酶，可迅速將它們去除，使信號迅速終止，水解酶，可迅速將它們去除，使信號迅速終止，細胞回到初始形狀，再接受新的信號。細胞回到初始形狀，再接受新的信號。o 只需當其上游分子酶繼續被激活，才干使只需當其上游分子酶繼續被激活，

25、才干使小分子信使繼續維持在一定的濃度。小分子信使繼續維持在一定的濃度。 n 小分子信使濃度可迅速降低小分子信使濃度可迅速降低 o 小分子信使都是蛋白質的別構激活劑，當其結小分子信使都是蛋白質的別構激活劑，當其結合于下游蛋白分子后，經過改動蛋白質的構象合于下游蛋白分子后，經過改動蛋白質的構象而將其激活，從而使信號進一步傳送。而將其激活，從而使信號進一步傳送。 n 小分子信使激活下游信號轉導分子小分子信使激活下游信號轉導分子 二環核苷酸是重要的細胞內第二信使二環核苷酸是重要的細胞內第二信使o 目前知的細胞內環核苷酸類第二信使有目前知的細胞內環核苷酸類第二信使有cAMP和和cGMP兩種。兩種。 o

26、cAMP和和cGMP的構造及其代謝的構造及其代謝1. cAMP和和cGMP的上游信號轉導分子是相應的的上游信號轉導分子是相應的核苷酸環化酶核苷酸環化酶 adenylate cyclase，AC guanylate cyclase，GC2. 磷酸二酯酶催化環核苷酸水解磷酸二酯酶催化環核苷酸水解 o 細胞中存在多種催化環核苷酸水解的磷酸二酯細胞中存在多種催化環核苷酸水解的磷酸二酯酶酶phosphodiesterase，PDE。o 在脂肪細胞中，胰高血糖素在升高在脂肪細胞中，胰高血糖素在升高cAMP程度程度的同時會添加的同時會添加PDE活性，促進活性，促進cAMP的水解，的水解，這是調理這是調理cA

27、MP濃度的重要機制。濃度的重要機制。o PDE對對cAMP和和cGMP的水解具有相對特異性。的水解具有相對特異性。 3環核苷酸在細胞內調理蛋白激酶活性環核苷酸在細胞內調理蛋白激酶活性o 環核苷酸作為第二信使的作用機制：環核苷酸作為第二信使的作用機制：cAMP和和cGMP在細胞可以作用于蛋白質分子，使后者在細胞可以作用于蛋白質分子，使后者發生構象變化，從而改動活性。發生構象變化，從而改動活性。o 蛋白激酶是一類重要的信號轉導分子，也是許蛋白激酶是一類重要的信號轉導分子，也是許多小分子第二信使直接作用的靶分子。多小分子第二信使直接作用的靶分子。 蛋白激酶蛋白激酶A是是cAMP的靶分子的靶分子o c

28、AMP作用于作用于cAMP依賴性蛋白激酶依賴性蛋白激酶cAMP-dependent protein kinase，cAPK，即蛋白激，即蛋白激酶酶Aprotein kinase A，PKA。 o PKA活化后，可使多種蛋白質底物的絲氨酸或活化后，可使多種蛋白質底物的絲氨酸或蘇氨酸殘基發生磷酸化，改動其活性形狀，底蘇氨酸殘基發生磷酸化，改動其活性形狀，底物分子包括一些糖、脂代謝相關的酶類、離子物分子包括一些糖、脂代謝相關的酶類、離子通道和某些轉錄因子通道和某些轉錄因子 。cAMP激活激活 PKA影響糖代謝表示圖影響糖代謝表示圖蛋白激酶蛋白激酶G是是cGMP的靶分子的靶分子 o cGMP作用于作用

29、于cGMP依賴性蛋白激酶依賴性蛋白激酶cGMP-dependent protein kinase，cGPK，即蛋白激，即蛋白激酶酶Gprotein kinase G，PKG。o PKG是由一樣亞基構成的二聚體。與是由一樣亞基構成的二聚體。與PKA不同，不同，PKG的調理構造域和催化構造域存在于同一個的調理構造域和催化構造域存在于同一個亞基內。亞基內。PKG在心肌及平滑肌收縮調理方面具在心肌及平滑肌收縮調理方面具有重要作用。有重要作用。 cGMP激活激活PKG表示圖表示圖4蛋白激酶不是蛋白激酶不是cAMP和和cGMP的獨一靶分子的獨一靶分子o 環核苷酸作為別構效應劑還可以作用于細胞內環核苷酸作為

30、別構效應劑還可以作用于細胞內其他非蛋白激酶類分子。其他非蛋白激酶類分子。o 一些離子通道也可以直接受一些離子通道也可以直接受cAMP或或cGMP的別的別構調理。構調理。 視桿細胞膜上富含視桿細胞膜上富含cGMP-門控陽離子通道門控陽離子通道 嗅覺細胞核苷酸嗅覺細胞核苷酸-門控鈣通道門控鈣通道 三脂類也可衍生出胞內第二信使三脂類也可衍生出胞內第二信使o具有第二信使特征的脂類衍生物具有第二信使特征的脂類衍生物: 二脂酰甘油二脂酰甘油diacylglycerol，DAG 花生四烯酸花生四烯酸arachidonic acid，AA 磷脂酸磷脂酸phosphatidic acid， PA 溶血磷脂酸溶血

31、磷脂酸lysophosphatidic acid，LPA 4-磷酸磷脂酰肌醇磷酸磷脂酰肌醇PI-4-phosphate，PIP 磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸二磷酸(phosphatidylinositol -4,5-diphosphate，PIP2) 肌醇肌醇-1,4,5-三磷酸三磷酸Inositol-1,4,5-triphosphate，IP3 o這些脂類衍生物都是由體內磷脂代謝產生的。這些脂類衍生物都是由體內磷脂代謝產生的。 磷脂酰肌醇激酶和磷脂酶催化生成第二信使磷脂酰肌醇激酶和磷脂酶催化生成第二信使o 磷脂酰肌醇激酶類，催化磷脂酰肌醇磷酸化。磷脂酰肌醇激酶類，催化磷脂酰肌醇磷酸化

32、。根據肌醇環的磷酸化羥基位置不同，這類激酶根據肌醇環的磷酸化羥基位置不同，這類激酶有有PI-3K、PI-4K和和PI-5K等。等。o 磷脂酰肌醇特異性磷脂酶磷脂酰肌醇特異性磷脂酶C PLC可將磷脂可將磷脂酰肌醇酰肌醇-4,5-二磷酸二磷酸PIP2分解成為分解成為DAG和和IP3。 磷脂酶和磷脂酰肌醇激酶催化第二信使的生成磷脂酶和磷脂酰肌醇激酶催化第二信使的生成2脂類第二信使作用于相應的靶蛋白分子脂類第二信使作用于相應的靶蛋白分子 o DAG是脂溶性分子，生成后仍留在質膜上。是脂溶性分子，生成后仍留在質膜上。o IP3是水溶性分子，可在細胞內分散至內質網或肌質是水溶性分子，可在細胞內分散至內質網

33、或肌質網膜上，并與其受體結合。網膜上，并與其受體結合。 IP3的靶分子是鈣離子通道的靶分子是鈣離子通道o IP3為水溶性，生成后從細胞質膜分散至細胞質為水溶性，生成后從細胞質膜分散至細胞質中，與內質網或肌質網膜上的中，與內質網或肌質網膜上的IP3受體結合。受體結合。IP3 IP3受體受體鈣離子通道開放，細胞內鈣釋放鈣離子通道開放，細胞內鈣釋放細胞內鈣離子濃度迅速添加細胞內鈣離子濃度迅速添加DAG和鈣離子的靶分子是蛋白激酶和鈣離子的靶分子是蛋白激酶Co蛋白激酶Cprotein kinase C，PKC，屬于絲/蘇氨酸蛋白激酶，廣泛參與細胞的各項生理活動。 oPKC作用的底物包括質膜受體、膜蛋白、

34、多種作用的底物包括質膜受體、膜蛋白、多種酶和轉錄因子等，參與多種生理功能的調理。酶和轉錄因子等，參與多種生理功能的調理。o目前發現的目前發現的PKC同工酶有同工酶有12種以上，不同的同種以上，不同的同工酶有不同的酶學特性、特異的組織分布和亞細工酶有不同的酶學特性、特異的組織分布和亞細胞定位，對輔助激活劑的依賴性亦不同。胞定位，對輔助激活劑的依賴性亦不同。催化構造域催化構造域Ca2+DAG磷磷脂脂酰酰絲絲氨氨酸酸調調節節結結 構構 域域催化構造域催化構造域底物底物Ca2+DAG磷磷脂脂酰酰絲絲氨氨酸酸調理構造域調理構造域假底物結合區假底物結合區DAG活化活化PKC的作用機制表示圖的作用機制表示圖

35、四鈣離子可以激活信號轉導相關的酶類四鈣離子可以激活信號轉導相關的酶類1鈣離子在細胞中的分布具有明顯的區域特征鈣離子在細胞中的分布具有明顯的區域特征 細胞外液游離鈣濃度高細胞外液游離鈣濃度高1.121.23mmol/L；細胞內液的鈣離子含量很低，且細胞內液的鈣離子含量很低，且90%以上儲存于細以上儲存于細胞內鈣庫內質網和線粒體內；胞液中游離胞內鈣庫內質網和線粒體內；胞液中游離Ca2+的含量極少根底濃度只需的含量極少根底濃度只需0.010.1mol/L。 o 導致胞液游離導致胞液游離Ca2+濃度升高的反響有兩種：濃度升高的反響有兩種： 一是細胞質膜鈣通道開放，引起鈣內流；一是細胞質膜鈣通道開放，引

36、起鈣內流；二是細胞內鈣庫膜上的鈣通道開放，引起鈣釋放。二是細胞內鈣庫膜上的鈣通道開放，引起鈣釋放。 o 胞液胞液Ca2+可以再經由細胞質膜及鈣庫膜上的鈣可以再經由細胞質膜及鈣庫膜上的鈣泵泵Ca2+-ATP酶前往細胞外或胞內鈣庫，以酶前往細胞外或胞內鈣庫，以耗費能量的方式維持細胞質內的低鈣形狀。耗費能量的方式維持細胞質內的低鈣形狀。 2鈣離子的下游信號轉導分子是鈣調蛋白鈣離子的下游信號轉導分子是鈣調蛋白o 鈣調蛋白鈣調蛋白calmodulin，CaM可看作是細可看作是細胞內胞內Ca2+的受體。的受體。乙酰膽堿、兒茶酚胺、乙酰膽堿、兒茶酚胺、加壓素、血管緊張素加壓素、血管緊張素和胰高血糖素等和胰高

37、血糖素等 胞液胞液Ca2+濃度升高濃度升高 CaMCaMCa2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ o CaM發生構象變化后，作用于發生構象變化后，作用于Ca 2+/CaM-依賴依賴性激酶性激酶CaM-K 。 專注功能專注功能CaM-K 多功能多功能CaM-K肌球蛋白輕鏈激酶肌球蛋白輕鏈激酶:調理肌肉收縮調理肌肉收縮磷酸化酶激酶磷酸化酶激酶:調理糖原分解調理糖原分解延伸因子延伸因子2激酶激酶:調理蛋白合成調理蛋白合成Ca2+/CaM-依賴性激酶依賴性激酶 I Ca2+/CaM-依賴性激酶依賴性激酶 II 3鈣調蛋白不是鈣離子的獨一靶分子鈣調蛋白不是鈣離子的獨一靶分子o Ca2+還結合還結合PKC、

38、AC和和cAMP-PDE等多種信等多種信號轉導分子，經過別構效應激活這些分子。號轉導分子，經過別構效應激活這些分子。 五五NO等小分子也具有信使功能等小分子也具有信使功能 o NO合酶介導合酶介導NO生成生成 NO合酶合酶 胍氨酸胍氨酸精氨酸精氨酸NHH2NNH2+H2N+COO-NHH2NOH2N+COO-NOo NO的生理調理作用主要經過激活鳥苷酸環化酶、的生理調理作用主要經過激活鳥苷酸環化酶、ADP-核糖轉移酶和環氧化酶完成。核糖轉移酶和環氧化酶完成。 NO與可溶性鳥苷酸環化酶分子中的血紅素鐵結合與可溶性鳥苷酸環化酶分子中的血紅素鐵結合生成的生成的cGMP引起鳥苷酸環化酶構象改動引起鳥苷

39、酸環化酶構象改動.酶活性增高酶活性增高cGMP作為第二信使，產生生理效應作為第二信使，產生生理效應GTPo 除了除了NO以外，一氧化碳以外，一氧化碳carbon monoxide，CO、硫化氫、硫化氫sulfureted hydrogen，H2S的第二信使作用近年來也得到證明。的第二信使作用近年來也得到證明。 二、許多酶可經過其催化的反響而二、許多酶可經過其催化的反響而傳送信號傳送信號o細胞內的許多信號轉導分子都是酶。細胞內的許多信號轉導分子都是酶。o作為信號轉導分子的酶主要有兩大類。作為信號轉導分子的酶主要有兩大類。o一是催化小分子信使生成和轉化的酶，如腺苷酸一是催化小分子信使生成和轉化的酶

40、，如腺苷酸環化酶、鳥苷酸環化酶、磷脂酶環化酶、鳥苷酸環化酶、磷脂酶C、磷脂酶、磷脂酶DPLD等；等；o二是蛋白激酶，作為信號轉導分子的蛋白激酶主二是蛋白激酶，作為信號轉導分子的蛋白激酶主要是蛋白酪氨酸激酶和蛋白絲要是蛋白酪氨酸激酶和蛋白絲/蘇氨酸激酶。蘇氨酸激酶。 一蛋白激酶一蛋白激酶/蛋白磷酸酶是信號通路開關分子蛋白磷酸酶是信號通路開關分子o 蛋白激酶蛋白激酶protein kinase與蛋白磷酸酶與蛋白磷酸酶protein phosphatase催化蛋白質的可逆性磷酸化修飾，對催化蛋白質的可逆性磷酸化修飾，對下游分子的活性進展調理。下游分子的活性進展調理。o 蛋白質的磷酸化修飾能夠提高其活

41、性，也能夠降低蛋白質的磷酸化修飾能夠提高其活性，也能夠降低其活性，取決于構象變化能否有利于反響的進展。其活性，取決于構象變化能否有利于反響的進展。o 各種蛋白激酶和蛋白磷酸酶在細胞內僅僅選擇性作各種蛋白激酶和蛋白磷酸酶在細胞內僅僅選擇性作用于有限的底物，它們的催化作用特異性及其在細用于有限的底物，它們的催化作用特異性及其在細胞內的分布特異性決議了信號轉導通路的準確性。胞內的分布特異性決議了信號轉導通路的準確性。 蛋白質的可逆磷酸化修飾是最重要的信號通路開關蛋白質的可逆磷酸化修飾是最重要的信號通路開關酶的磷酸化與脫磷酸化酶的磷酸化與脫磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸

42、酶磷蛋白磷酸酶 ATPADP蛋白激酶蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-磷酸化的磷酸化的酶蛋白酶蛋白1. 蛋白絲氨酸蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶和蛋白酪氨酸激酶是主要蘇氨酸激酶和蛋白酪氨酸激酶是主要的蛋白激酶的蛋白激酶o 蛋白激酶是催化蛋白激酶是催化ATP -ATP -磷酸基轉移至靶蛋白的磷酸基轉移至靶蛋白的特定氨基酸殘基上的一大類酶。已超特定氨基酸殘基上的一大類酶。已超800800種。種。 激酶激酶磷酸基團的受體磷酸基團的受體蛋白絲氨酸蛋白絲氨酸/ /蘇氨酸激酶蘇氨酸激酶蛋白酪氨酸激酶蛋白酪氨酸激酶蛋白組蛋白組/ /賴賴/ /精氨酸激酶精氨酸激酶蛋白半胱氨酸激酶蛋白半胱氨酸激酶蛋白天冬氨酸蛋

43、白天冬氨酸/ /谷氨酸激酶谷氨酸激酶絲氨酸絲氨酸/ /蘇氨酸羥基蘇氨酸羥基酪氨酸的酚羥基酪氨酸的酚羥基咪唑環，胍基，咪唑環，胍基，- -氨基氨基巰基巰基酰基酰基蛋白激酶的分類蛋白激酶的分類2. 蛋白磷酸酶衰減或終止蛋白激酶誘導的效應蛋白磷酸酶衰減或終止蛋白激酶誘導的效應o 蛋白質磷酸酶蛋白質磷酸酶(phosphatidase)使磷酸化的蛋白使磷酸化的蛋白分子發生去磷酸化，與蛋白激酶共同構成了蛋分子發生去磷酸化，與蛋白激酶共同構成了蛋白質活性的調控系統。白質活性的調控系統。o 無論蛋白激酶對于其下游分子的作用是正調理無論蛋白激酶對于其下游分子的作用是正調理還是負調理，蛋白磷酸酶都將對蛋白激酶所引

44、還是負調理，蛋白磷酸酶都將對蛋白激酶所引起的變化產生衰減或終止效應。起的變化產生衰減或終止效應。蛋白磷酸酶衰減或終止蛋白激酶誘導的效應蛋白磷酸酶衰減或終止蛋白激酶誘導的效應PTKPTK無活性無活性活化活化P自自我我磷磷酸酸化化PTPPTPSSP無活性無活性活化活化Src family PTK無活性無活性Src family PTKPTPPPTK活化活化 活化活化信號信號抑制抑制信號信號o 根據蛋白磷酸酶所作用的氨基酸殘基而分類：根據蛋白磷酸酶所作用的氨基酸殘基而分類： 蛋白絲氨酸蛋白絲氨酸/ /蘇氨酸磷酸酶蘇氨酸磷酸酶 蛋白酪氨酸磷酸酶蛋白酪氨酸磷酸酶 個別的蛋白磷酸酶具有雙重作用，即可同個別

45、的蛋白磷酸酶具有雙重作用，即可同時作用于酪氨酸和絲時作用于酪氨酸和絲/ /蘇氨酸殘基。蘇氨酸殘基。 二許多信號通路涉及蛋白絲二許多信號通路涉及蛋白絲/蘇氨酸激蘇氨酸激酶的作用酶的作用 o 細胞內重要的蛋白絲細胞內重要的蛋白絲/蘇氨酸激酶包括蘇氨酸激酶包括o 受環核苷酸調控的受環核苷酸調控的PKA和和PKGo 受受DAG/Ca2+調控的調控的PKCo 受受Ca2+/CaM調控的調控的Ca2+/CaM-PKo 受受PIP3調控的調控的PKBo 受絲裂原激活的蛋白激酶受絲裂原激活的蛋白激酶mitogen activated protein kinase, MAPK。 1. MAPK調控細胞的多種重要

46、的生理功能調控細胞的多種重要的生理功能o 哺乳動物細胞重要的哺乳動物細胞重要的MAPK亞家族：亞家族： 細胞外調理激酶細胞外調理激酶extracellular regulated kinase，ERK c-Jun N -末端激酶末端激酶/應激激活的蛋白激酶應激激活的蛋白激酶c-Jun N-terminal kinase/stress-activated protein kinase，JNK/SAPK p-38-MAPK o ERK參與細胞增殖與分化的調控，多種生長因參與細胞增殖與分化的調控，多種生長因子受體、營養相關因子受體等都需求子受體、營養相關因子受體等都需求ERK的活的活化來完成信號轉導

47、過程。化來完成信號轉導過程。o JNK家族是細胞對各種應激原誘導的信號進展家族是細胞對各種應激原誘導的信號進展轉導的關鍵分子，參與細胞對輻射、浸透壓、轉導的關鍵分子，參與細胞對輻射、浸透壓、溫度變化等的應激反響。溫度變化等的應激反響。o p38-MAPK亞家族介導炎癥、凋亡等應激反響。亞家族介導炎癥、凋亡等應激反響。 2. MAPK級聯激活是多種信號通路的中心環節級聯激活是多種信號通路的中心環節o MAPK上游的兩級信號轉導分子也是蛋白激酶，稱為上游的兩級信號轉導分子也是蛋白激酶，稱為MAPKKMAP kinase kinase和和MAPKKKMAP kinase kinase kinase。

48、o MAPKK和和MAPK本身也是經過磷酸化修飾而被激活。本身也是經過磷酸化修飾而被激活。 o 細胞遭到生長因子或其他要素刺激時，其上游信號轉導細胞遭到生長因子或其他要素刺激時，其上游信號轉導分子被依次活化，進而將分子被依次活化，進而將MAPKKK激活，激活，MAPKKK經經過磷酸化修飾而激活過磷酸化修飾而激活MAPKK，后者再修飾激活，后者再修飾激活MAPK，從而構成逐級磷酸化的級聯激活反響。從而構成逐級磷酸化的級聯激活反響。 MAPK的級聯激活的級聯激活MAPKKKMAPKKMAPKThrTyrThr TyrPPphosphataseoffonMAPKo MAPK被激活后轉移至細胞核內，使

49、一些轉錄被激活后轉移至細胞核內，使一些轉錄因子發生磷酸化，改動細胞內基因表達的形狀。因子發生磷酸化，改動細胞內基因表達的形狀。另外，它也可以使一些其它的酶發生磷酸化使另外，它也可以使一些其它的酶發生磷酸化使之活性發生改動。之活性發生改動。o MAPK家族成員的底物大部分是轉錄因子、蛋家族成員的底物大部分是轉錄因子、蛋白激酶等。白激酶等。 o MAPK調控的生物學效應：參與多種細胞功能調控的生物學效應：參與多種細胞功能的調控，尤其是在細胞增殖、分化及凋亡過程的調控，尤其是在細胞增殖、分化及凋亡過程中，是多種信號轉導途徑的共同作用部位。中，是多種信號轉導途徑的共同作用部位。ERK途徑包括途徑包括R

50、af-MEK-MAPK級聯反響級聯反響o ERK亞家族包括亞家族包括ERK1、ERK2和和ERK3等。等。o ERK的級聯激活過程：的級聯激活過程： RafMAPKKKMEKMAPKKERKMAPK JNK/SAPK途徑參與應激途徑參與應激(反響反響) o JNK/SAPK的級聯激活過程：的級聯激活過程： MEKKMAPKKK JNKKMAPKK JNK/SAPKMAPK P38-MAPK亞家族介導炎癥、凋亡等應激反響亞家族介導炎癥、凋亡等應激反響 o P38-MAPK的級聯激活過程：的級聯激活過程： 凋亡信號調理激酶凋亡信號調理激酶apoptosis signal regulating ki

51、nase 1，ASK1MAPKKK MKK3/MKK6MAPKK P38-MAPK 三蛋白酪氨酸激酶轉導細胞增殖與分化信號三蛋白酪氨酸激酶轉導細胞增殖與分化信號o 蛋白質酪氨酸激酶蛋白質酪氨酸激酶Protein Tyrosine kinase，PTK催化蛋白質分子中的酪氨酸殘基磷酸化。催化蛋白質分子中的酪氨酸殘基磷酸化。o 酪氨酸磷酸化修飾的蛋白質大部分對細胞增殖具有正向酪氨酸磷酸化修飾的蛋白質大部分對細胞增殖具有正向調理作用，無論是生長因子作用后正常細胞的增殖、惡調理作用，無論是生長因子作用后正常細胞的增殖、惡性腫瘤細胞的增殖，還是性腫瘤細胞的增殖，還是T細胞、細胞、B細胞或肥大細胞的細胞或

52、肥大細胞的活化都伴隨著瞬間發生的多種蛋白質分子的酪氨酸磷酸活化都伴隨著瞬間發生的多種蛋白質分子的酪氨酸磷酸化。化。 1. 部分膜受體具有部分膜受體具有PTK功能功能o 這些受體被稱為受體型這些受體被稱為受體型PTK。o 它們在構造上均為單次跨膜蛋白質，其胞外部分為配它們在構造上均為單次跨膜蛋白質，其胞外部分為配體結合區，中間有跨膜區，細胞內部分含有體結合區，中間有跨膜區，細胞內部分含有PTK的催的催化構造域。化構造域。o 受體型受體型PTK與配體結合后構成二聚體，同時激活其酶與配體結合后構成二聚體，同時激活其酶活性，使受體胞內部分的酪氨酸殘基磷酸化本身磷活性，使受體胞內部分的酪氨酸殘基磷酸化本

53、身磷酸化。磷酸化的受體募集含有酸化。磷酸化的受體募集含有SH2構造域的信號分構造域的信號分子，從而將信號傳送至下游分子。子，從而將信號傳送至下游分子。 生長因子類受體屬于生長因子類受體屬于PTK 部分受體型部分受體型PTK構造表示圖構造表示圖2. 細胞內有多種非受體型的細胞內有多種非受體型的PTKo 這些這些PTK本身并不是受體。本身并不是受體。o 有些有些PTK是直接與受體結合，由受體激活而向下游傳是直接與受體結合，由受體激活而向下游傳送信號。送信號。o 有些那么是存在于胞質或胞核中，由其上游信號轉導有些那么是存在于胞質或胞核中，由其上游信號轉導分子激活，再向下游傳送信號。分子激活，再向下游

54、傳送信號。 基因家族名稱基因家族名稱舉例舉例細胞內定位細胞內定位主要功能主要功能SRC家族家族Src、Fyn、Lck、Lyn等等常與受體結合存常與受體結合存在于質膜內側在于質膜內側接受受體傳遞的信號發生磷酸化接受受體傳遞的信號發生磷酸化而激活，通過催化底物的酪氨酸而激活，通過催化底物的酪氨酸磷酸化向下游傳遞信號磷酸化向下游傳遞信號ZAP70家族家族ZAP70、Syk與受體結合存在與受體結合存在于質膜內側于質膜內側接受接受T淋巴細胞的抗原受體或淋巴細胞的抗原受體或B淋巴細胞的抗原受體的信號淋巴細胞的抗原受體的信號TEC家族家族Btk、Itk、Tec等等存在于細胞質存在于細胞質位于位于ZAP70和

55、和Src家族下游接受家族下游接受T淋巴細胞的抗原受體或淋巴細胞的抗原受體或B淋巴細淋巴細胞的抗原受體的信號胞的抗原受體的信號JAK家族家族JAK1、JAK2、JAK3等等與一些白細胞介與一些白細胞介素受體結合存在素受體結合存在于質膜內側于質膜內側介導白細胞介素受體活化信號介導白細胞介素受體活化信號核內核內PTK Abl、Wee細胞核細胞核參與轉錄過程和細胞周期的調節參與轉錄過程和細胞周期的調節非受體型非受體型PTK的主要作用的主要作用三、信號轉導蛋白可經過蛋白質相三、信號轉導蛋白可經過蛋白質相互作用傳送信號互作用傳送信號o信號轉導通路中有許多信號轉導分子是沒有酶活信號轉導通路中有許多信號轉導分

56、子是沒有酶活性的蛋白質，它們經過分子間的相互作用被激活、性的蛋白質，它們經過分子間的相互作用被激活、或激活下游分子。或激活下游分子。o這些信號轉導分子主要包括這些信號轉導分子主要包括G蛋白、銜接蛋白和蛋白、銜接蛋白和支架蛋白。支架蛋白。 一一G蛋白的蛋白的GTP/GDP結合形狀決議信結合形狀決議信號的傳送號的傳送 o 鳥苷酸結合蛋白鳥苷酸結合蛋白guanine nucleotide binding protein，G protein簡稱簡稱G蛋白，亦稱蛋白，亦稱GTP結結合蛋白。合蛋白。o 分別結合分別結合GTP和和GDP時，時，G蛋白處于不同的構蛋白處于不同的構象。象。o 結合結合GTP時處

57、于活化方式，可以與下游分子結時處于活化方式，可以與下游分子結合，并經過別構效應而激活下游分子。合，并經過別構效應而激活下游分子。o G蛋白本身均具有蛋白本身均具有GTP酶活性，可將結合的酶活性，可將結合的GTP水解為水解為GDP，回到非活化形狀，停頓激活，回到非活化形狀，停頓激活下游分子。下游分子。 o G蛋白主要有兩大類：蛋白主要有兩大類： 三聚體三聚體G蛋白：與蛋白：與7次跨膜受體結合，以次跨膜受體結合，以亞基亞基G和和、亞基亞基(G)三聚體的方三聚體的方式存在于細胞質膜內側。式存在于細胞質膜內側。 低分子量低分子量G蛋白蛋白21kD 三聚體三聚體G蛋白介導蛋白介導G蛋白偶聯受體傳送的信號

58、蛋白偶聯受體傳送的信號亞基亞基G、亞基亞基(G) 具有多個具有多個功能位點功能位點亞基具有亞基具有GTP酶活性酶活性與受體結合并受其活化調理的部位與受體結合并受其活化調理的部位亞基結合部位亞基結合部位GDP/GTP結合部位結合部位與下游效應分子相互作用部位與下游效應分子相互作用部位主要作用是與主要作用是與亞基構成復合體并定位于質膜內側；亞基構成復合體并定位于質膜內側；在哺乳細胞，在哺乳細胞，亞基也可直接調理某些效應蛋白。亞基也可直接調理某些效應蛋白。 o G蛋白經過蛋白經過G蛋白偶聯受體蛋白偶聯受體G protein-coupled receptors，GPCRs與各種下游效應分子，如與各種下

59、游效應分子，如離子通道、腺苷酸環化酶、離子通道、腺苷酸環化酶、PLC聯絡，調理各聯絡，調理各種細胞功能。種細胞功能。 2. 低分子量低分子量G蛋白是信號轉導通路中的轉導分子蛋白是信號轉導通路中的轉導分子o 低分子量低分子量G蛋白蛋白21kD，它們在多種細胞信，它們在多種細胞信號轉導通路中的轉導分子。號轉導通路中的轉導分子。 o Ras是第一個被發現的小是第一個被發現的小G蛋白，因此這類蛋白蛋白，因此這類蛋白質被稱為質被稱為Ras超家族。超家族。o 目前知的目前知的Ras家族成員已超越家族成員已超越50種，在細胞內分種，在細胞內分別參與不同的信號轉導通路。別參與不同的信號轉導通路。 o 在細胞中

60、還存在一些調理因子，專門控制小在細胞中還存在一些調理因子，專門控制小G蛋白活性：蛋白活性：加強其活性的因子：如鳥嘌呤核苷酸交換因加強其活性的因子：如鳥嘌呤核苷酸交換因子子guanine nucleotide exchange factor，GEF和鳥苷酸釋放蛋白和鳥苷酸釋放蛋白guanine nucleotide release protein，GNRP；降低其活性的因子：如鳥嘌呤核苷酸解離抑降低其活性的因子：如鳥嘌呤核苷酸解離抑制因子制因子guanine nucleotide dissociation inhibitor，GDI和和GTP酶活化蛋白酶活化蛋白GAP等。等。 二銜接蛋白和支架蛋