關于細胞通信和信號第1頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五目錄第一節(jié)基本概念第二節(jié)膜表面受體介導的信號轉導①離子通道型受體介導②G蛋白耦聯(lián)型受體介導③酶耦聯(lián)的受體介導第三節(jié)胞內受體介導的信號傳導

甾類，NO第2頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五第3頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五GenetranscriptionCellproliferationCellsurvivalCelldeathCelldifferentiationCellfunctionCellmotilityImmuneresponsesFUNCTIONS

OFCELLCOMMUNICATION第4頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五一、幾個容易混淆的概念

細胞信號發(fā)放（cellsignaling）：細胞釋放信號分子，將信息傳遞給其它細胞。細胞通訊（cellcommunication）：細胞發(fā)出的信息通過介質傳遞到另一個細胞產生相應反應的過程。細胞識別（cellrecognition）：細胞之間通過細胞表面的信息分子相互作用，引起細胞反應的現(xiàn)象。信號轉導（signaltransduction）：指外界信號（如光、電、化學分子）作用于細胞表面受體，引起胞內信使的濃度變化，進而導致細胞應答反應的一系列過程。第5頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五二、細胞信號分子種類：短肽、蛋白質、氣體分子（NO、CO）、氨基酸、核苷酸、脂類、膽固醇衍生物。特點：①特異性；②高效性；③可被滅活。第6頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五水溶性信號分子（如神經(jīng)遞質）不能穿過靶細胞膜，只能經(jīng)膜上的信號轉換機制實現(xiàn)信號傳遞，又稱第一信使（primarymessenger）。脂溶性信號分子（如甾類激素和甲狀腺素）可直接穿膜進入靶細胞，與胞內受體結合形成激素-受體復合物，調節(jié)基因表達。第二信使（secondarymessenger）主要有：cAMP、cGMP、IP3、DG、Ca2+。作用：信號轉換、信號放大。第7頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五三、受體（receptor）能夠識別和選擇性結合某種配體（信號分子）的大分子物質，多為糖蛋白，至少包括兩個功能區(qū)域：配體結合區(qū)域和產生效應的區(qū)域。受體的特征：①特異性；②飽和性；③高度的親和力。分為：細胞內受體（intracellularreceptor）、細胞表面受體（cellsurfacereceptor）。第8頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五細胞對信號的反應不僅取決于其受體的特異性，而且與細胞的固有特征有關。有時相同的信號可產生不同的效應，如Ach可引起骨骼肌收縮、降低心肌收縮頻率，引起唾腺細胞分泌。有時不同信號產生相同的效應，如腎上腺素、胰高血糖素，都能促進肝糖原降解而升高血糖。第9頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五第10頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五四、蛋白激酶是一類磷酸轉移酶，能將ATP的γ磷酸基轉移到底物特定的氨基酸殘基上，使蛋白質磷酸化。分為5類，其中了解較多的是蛋白酪氨酸激酶、蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶。作用：通過磷酸化調節(jié)蛋白質的活性；通過蛋白質的逐級磷酸化，使信號逐級放大，引起細胞反應。第11頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五Proteinkinases

第12頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五五、細胞通訊的主要類型三種主要方式：細胞間隙連接、膜表面分子接觸通訊、化學通訊。（一）細胞間隙連接兩個相鄰的細胞以連接子（connexon）相聯(lián)系。連接子中央為直徑1.5nm的親水性孔道。允許小分子物質如Ca2+、cAMP通過，有助于相鄰同型細胞對外界信號的協(xié)同反應，如可興奮細胞的電耦聯(lián)現(xiàn)象（電緊張突觸）。第13頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五connexon第14頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五（二）膜表面分子接觸通訊即細胞識別（cellrecognition）。如：精子和卵子之間的識別，T與B淋巴細胞間的識別。第15頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五（三）化學通訊細胞分泌一些化學物質（如激素）至細胞外，作為信號分子作用于靶細胞，調節(jié)其功能，可分為4類。第16頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五1.內分泌（endocrine）：內分泌激素隨血液循環(huán)輸至全身，作用于靶細胞。特點：①低濃度10-8-10-12M，②全身性，③長時效。2.旁分泌（paracrine）：信號分子通過擴散作用于鄰近的細胞。包括：①各類細胞因子（如表皮生長因子）；②氣體信號分子（如：NO）。3.突觸信號發(fā)放：神經(jīng)遞質經(jīng)突觸作用于特定的靶細胞。4.自分泌（autocrine）：信號發(fā)放細胞和靶細胞為同類或同一細胞，常見于癌變細胞。第17頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五第18頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)膜表面受體介導的信號轉導膜表面受體主要有三類：①離子通道型受體（ion-channel-linkedreceptor）；②G蛋白耦聯(lián)型受體（G-protein-linkedreceptor）；③酶耦聯(lián)的受體（enzyme-linkedreceptor）。第一類存在于可興奮細胞。后兩類存在于大多數(shù)細胞，在信號轉導的早期表現(xiàn)為激酶級聯(lián)（kinasecascade）事件，即為一系列蛋白質的逐級磷酸化，籍此使信號逐級傳送和放大。第19頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五Cellsurfacereceptors第20頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五受體本身為離子通道，即配體門通道（ligand-gatedchannel）。主要存在于神經(jīng)、肌肉等可興奮細胞，其信號分子為神經(jīng)遞質。分為：

陽離子通道，如乙酰膽堿、谷氨酸和五羥色胺的受體；

陰離子通道，如甘氨酸和γ－氨基丁酸的受體。一、離子通道型受體第21頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五Chemicalsynapse第22頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五Acetylcholinereceptor第23頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五Threeconformationoftheacetylcholinereceptor第24頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五Ion-channellinkedreceptorsinneurotransmission第25頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五G蛋白：即：trimericGTP-bindingregulatoryprotein。組成：αβγ三個亞基，α和γ亞基屬于脂錨定蛋白。作用：分子開關，α亞基結合GDP處于關閉狀態(tài)，結合GTP處于開啟狀態(tài)。α亞基具有GTP酶活性，能催化所結合的ATP水解，恢復無活性的三聚體狀態(tài)，其GTP酶的活性能被GAP增強。

二、G蛋白耦聯(lián)型受體第26頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五G蛋白耦聯(lián)型受體：7次跨膜蛋白，胞外結構域識別信號分子，胞內結構域與G蛋白耦聯(lián)，調節(jié)相關酶活性，在細胞內產生第二信使。類型：①多種神經(jīng)遞質、肽類激素和趨化因子的受體，②味覺、視覺和嗅覺感受器。相關信號途徑：cAMP途徑、磷脂酰肌醇途徑。第27頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五GTP-bindingregulatoryprotein第28頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五通過調節(jié)cAMP的濃度，將細胞外信號轉變?yōu)榧毎麅刃盘枴Ｖ饕M分：①激活型受體（Rs）或抑制型受體（Ri）；②活化型調節(jié)蛋白（Gs）或抑制型調節(jié)蛋白（Gi）；G-proteinlinkedreceptor第29頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五③

腺苷酸環(huán)化酶：跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，催化ATP生成cAMP。第30頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五④蛋白激酶A（ProteinKinaseA，PKA）：由兩個催化亞基和兩個調節(jié)亞基組成。cAMP與調節(jié)亞基結合，使調節(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。第31頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五⑤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第32頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五Gs調節(jié)模型:激素與Rs結合，Rs構象改變，與Gs結合，Gs的α亞基排斥GDP，結合GTP而活化，Gs解離出α和βγ。α亞基活化腺苷酸環(huán)化酶，將ATP轉化為cAMP。βγ亞基復合物也可直接激活某些胞內靶分子。例：霍亂毒素能催化ADP核糖基共價結合到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Na+和水持續(xù)外流，產生嚴重腹瀉而脫水。第33頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五第34頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五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→基因調控蛋白磷酸化→基因轉錄。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結合蛋白磷酸化，調節(jié)相關基因的表達。CRE（cAMPresponseelement）是DNA上的調節(jié)區(qū)域。第35頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五Glycogenbreakdowninskeletalmuscle第36頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五cAMPactivateproteinkinaseA,whichphosphorylateCREB（CREbindingprotein）proteinandinitiategenetranscription.CREiscAMPresponseelementinDNA.第37頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五Gi調節(jié)模型①通過α亞基與腺苷酸環(huán)化酶結合，直接抑制酶的活性；②通過βγ亞基復合物與游離Gs的α亞基結合，阻斷Gs的α亞基對腺苷酸環(huán)化酶的活化。百日咳毒素抑制Gi的活性。第38頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五胞外信號分子與細胞表面G蛋白耦聯(lián)受體結合，激活質膜上的磷脂酶C（PLC-β），使質膜上4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（diacylglycerol,

DG）。DG激活蛋白激酶C（PKC），繼而激活不同底物蛋白絲氨酸或蘇氨酸磷酸化。IP3開啟胞內IP3門控鈣通道，Ca2+濃度升高，激活鈣調蛋白。(鈣火花)（二）磷脂酰肌醇途徑第39頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五InositolphospholipidsignalingMimickedbyionomycin第40頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五PIP2Hydrolysis第41頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五鈣調蛋白（calmodulin，CaM）：結合鈣離子將靶蛋白（如：CaM-Kinase）活化。蛋白激酶C位于細胞質，Ca2+濃度升高時，PKC轉位到質膜內表面，被DG活化，PKC屬蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶。

IP3信號的終止：通過去磷酸化形成IP2、或磷酸化為IP4

。Ca2+被質膜上的鈣泵和Na+-Ca2+交換器抽出細胞，或被內質網(wǎng)膜上的鈣泵抽回內質網(wǎng)。DG終止信使作用途徑：一被DG激酶磷酸化成為磷脂酸，進入磷脂酰肌醇循環(huán)；二是被DG酯酶水解成單酯酰甘油。第42頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五第43頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五ControlsonCytosolicCalcium第44頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五（三）其它G蛋白偶聯(lián)型受體1．化學感受器中的G蛋白存在于嗅覺和味覺化學感受器中，類型繁多，不同細胞具有不同的受體，感受不同的氣味。氣味分子與G蛋白偶聯(lián)型受體結合，可激活腺苷酸環(huán)化酶，產生cAMP，開啟cAMP門控陽離子通道（cAMP-gatedcationchannel），引起鈉離子內流，膜去極化，產生神經(jīng)沖動，最終形成嗅覺或味覺。第45頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五2．視覺感受器中的G蛋白黑暗條件下視桿細胞中cGMP濃度較高，cGMP門控鈉離子通道開放，鈉離子內流，膜去極化，突觸持續(xù)向次級神經(jīng)元釋放遞質。有光時cGMP濃度下降的負效應起傳遞光刺激的作用。光信號→Rh激活→Gt活化→cGMP磷酸二酯酶激活→胞內cGMP減少→Na+離子通道關閉→離子濃度下降→膜超極化→神經(jīng)遞質釋放減少→視覺反應。視紫紅質（rhodopsin,Rh）為7次跨膜蛋白，由視蛋白和視黃醛組成。第46頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五RoleofcGMPinPhotoreception第47頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五G蛋白偶聯(lián)型受體的鈍化細胞通過受體鈍化適應持續(xù)刺激：①受體失活（receptorinactivation）；②受體隱蔽（receptorsequestration）；③受體下行調節(jié)（receptordown-regulation）。第48頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五小G蛋白（SmallGProtein）因分子量只有20~30KD而得名，同樣具有GTP酶活性，起分子開關作用。類型：Ras、Rho、SEC4、YPT1、微管蛋白β亞基。特點：結合GTP活化、GTP水解成為GDP時（自身為GTP酶）則回復到非活化狀態(tài)。其功能與Gα類似。調節(jié)因子：鳥苷酸交換因子（GEF）、鳥苷酸解離抑制因子（GDI）、GTP酶活化蛋白（GAP）等。（四）小G蛋白第49頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五分為兩種情況：本身具有激酶活性，如EGF，PDGF，CSF等的受體；本身沒有酶活性，但可以連接非受體酪氨酸激酶，如細胞因子受體超家族。已知六類：①受體酪氨酸激酶、②受體絲氨酸/蘇氨酸激酶、③受體酪氨酸磷脂酶、④酪氨酸蛋白激酶連接的受體、⑤受體鳥苷酸環(huán)化酶、⑥組氨酸激酶連接的受體（與細菌的趨化性有關）。三、酶耦聯(lián)型受體

enzymelinkedreceptor第50頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五酶偶聯(lián)型受體的共同點：①單次跨膜蛋白；②接受配體后發(fā)生二聚化，起動下游信號轉導。第51頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五（一）受體酪氨酸激酶1、酪氨酸激酶①胞質酪氨酸激酶：如Src、Tec、ZAP70、JAK；②核內酪氨酸激酶：如：Abl、Wee；③受體酪氨酸激酶（RPTKs）：為單次跨膜蛋白，配體（如EGF）與受體結合。導致二聚化，二聚體內彼此相互磷酸化胞內段酪氨酸殘基。第52頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五Receptor

tyrosinekinases第53頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五Receptortyrosinekinases第54頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五2、信號分子間的識別結構域SH2結構域（SrcHomology2結構域）：介導信號分子與含磷酸酪氨酸蛋白分子的結合。SH3結構域（SrcHomology3結構域）：介導信號分子與富含脯氨酸的蛋白分子的結合。PH結構域（PleckstrinHomology結構域）：與磷脂類分子PIP2、PIP3、IP3等結合。受體酪氨酸激酶介導的信號途徑主要有RAS途徑、PI3K途徑、磷脂酰肌醇途徑等。第55頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五RPTK結合信號分子，形成二聚體，并發(fā)生自磷酸化，活化的RPTK激活RAS，RAS引起蛋白激酶的磷酸化級聯(lián)反應，最終激活有絲分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activatedproteinkinase，MAPK），活化的MAPK進入細胞核，可使許多底物蛋白的絲氨酸/蘇氨酸殘基磷酸化，如將Elk-1激活，促進c-fos，c-jun的表達。3、RAS信號途徑第56頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五RPTK-Ras信號途徑可概括如下：配體→RPTK→adaptor→GEF→Ras→Raf（MAPKKK）→MAPKK→MAPK→進入細胞核→轉錄因子→基因表達。Ras釋放GDP需要鳥苷酸交換因子（GEF，如Sos）參與；Sos有SH3結構域，但沒有SH2結構域，不能直接和受體結合，需要接頭蛋白（如Grb2）的連接。Ras的GTP酶活性不強，需要GAP的參與。第57頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五Ras-GEFRafisaPKthattriggersMAP-Kpathwayc-fos,c-junCellproliferationRPTK-RasPathway第58頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五

MEKHomosapiensMAPkinasekinaseMitogen-activatedproteinkinases（MAPK）includethreesubgroups,extracellular-signal-regulatedkinase（ERK）,c-Junaminoterminalkinase（JNK）andp38MAPK.RPTK-RasPathway第59頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五第60頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五第61頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五第62頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五第63頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五PI3KPATHWAY第64頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五PDKisphosphoinositoldependentkinaseAktisPKB,influencecellsurvival第65頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五配體是轉化生長因子-βs。（transforminggrowthfactor-βs，TGF-βs。）家族成員。包括TGF-β1-5。依細胞類型不同，可抑制細胞增殖、刺激胞外基質合成、刺激骨骼的形成、通過趨化性吸引細胞、作為胚胎發(fā)育過程中的誘導信號等。（二）受體絲氨酸/蘇氨酸激酶第66頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五作用：使特異的胞內信號蛋白的磷酸酪氨酸殘基去磷酸化，控制磷酸酪氨酸殘基的壽命，使靜止細胞具有較低的磷酸酪氨酸殘基的水平。與酪氨酸激酶一起協(xié)同工作，如參與細胞周期調控。白細胞表面的CD45屬這類受體，對具體配體尚不了解。和酪氨酸激酶一樣存在胞質酪氨酸磷酯酶。（三）受體酪氨酸磷酯酶第67頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五分布在腎和血管平滑肌細胞表面，配體為心房排鈉肽（atrialnatriureticpeptide，ANP）或BNP。當血壓升高時，心房肌細胞分泌ANP，促進腎細胞排水、排鈉，同時導致血管平滑肌細胞松弛，結果使血壓下降。信號途徑為：配體→受體鳥苷酸環(huán)化酶→cGMP→依賴cGMP的蛋白激酶G（PKG）→靶蛋白的絲氨酸/蘇氨酸殘基磷酸化而活化。（四）受體鳥苷酸環(huán)化酶第68頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五包括各類細胞因子（如干擾素）的受體，在造血細胞和免疫細胞通訊上起作用。受體本身不具有酶活性，但可連接胞內酪氨酸蛋白激酶（如JAK），信號途徑為JAK－STAT或RAS途徑。JAK（januskinase）屬非受體酪氨酸激酶家族。JAK的底物為STAT，即信號轉導子和轉錄激活子（signaltransducerandactivatoroftranscription，STAT）。（五）細胞因子受體超家族第69頁，共78頁，2023年，2月20日，星期五JAK/STATPathway1.配體與受體結合導致受體二聚化；2.二聚化受體激活JAK；3.JAK將STAT磷酸化；4.STAT形成二聚體，暴露出入核信號；5.STAT進入核內