细胞的信号转导和整合

嗅觉系统

气味分子与嗅觉系统中的嗅觉神经元上的纤毛 质膜上的气味分子受体蛋白结合，通过G蛋白 偶联受体介导的信号途径产生高水平cAMP， cAMP引起纤毛质膜上环核苷酸门控通道开启， 引起Na电流，膜电位变化，生物电信号沿着 神经元轴突传向脑中嗅球，传向嗅觉中枢，产 生嗅觉。
味觉系统

味觉分子（sugar）与味觉细胞上的受体蛋 白结合后，通过G蛋白偶联受体介导的信号 转导途径产生cAMP；接着cAMP触发蛋白激 酶A转导途径：活化的蛋白激酶A使质膜上 的K离子通道关闭，于是质膜对K离子通透 性减小，导致电压门控Ca离子通道开启， Ca离子扩散进入味觉细胞；胞内Ca浓度增 加引起突触小泡向质膜方向运动并释放神 经递质；神经递质与感觉神经元末梢膜受 体结合，将化学信号转化成电信号传入中 枢产生味觉。
6.4.2 大脑皮质功能特征
皮质功能单侧化（不对称性） 左半球：语言、数学、逻辑思维、相互关联 的信息加工； 右半球：模型识别、脸部识别、空间关系、 非语言思考、一般情感处理以及多种信息同时 处理、应激反应、音调类型 信息在大脑皮层中的加工

6.4.3 人类大脑的进化
大脑结构的比较 脑容量：黑猩猩的3倍 大脑新皮质：高度褶皱 皮质细胞组成：层数最多 皮质祖细胞：分裂次数最多 局部特征：灵长类动物视觉发达（人眼狗鼻） 皮质功能不对称性：由不对称基因调控 智力与大脑皮质发育：智力与皮质活化程度相关 与大脑功能相关基因的进化

NO信号分子的作用机制
Fig. NO在导致血管平滑肌舒张中的作用
血管神经末梢释放乙酰胆碱作用于血管内皮细胞， 被激活的血管内皮细胞产生并释放NO，通过扩散进 入临近平滑肌细胞，导致血管平滑肌舒张
Baidu Nhomakorabea
6.3 通过突触传导神经信号
6.3.1 神经元结构 由细胞体、轴突和树突三部分 基本结构和功能： 1.胞体有尼氏体的核外染色质； 2.树突为胞体突起，多而细，增加接受信息面； 3.每个神经元只有一个轴突； 4.树突是信息的接收端，轴突是信息的输出端。 即在神经元中信息传导具有方向性。
视觉系统

光线照射视杆细胞活化视紫红质；活化的视 紫红质活化转导蛋白G蛋白；G蛋白活化磷脂 二酯酶（PDE）；活化的PDE促使cGMP水解 成GMP，使原结合在Na离子通道上的cGMP 离开，因此Na离子通道关闭，膜对Na离子通 透性降低，视杆细胞膜内电位向负值加大方 向变化，阻断了谷氨酸释放，停止了它对双 极神经细胞和神经节细胞的“抑制”，视杆 细胞将光能转化成生物电，沿着双极神经细 胞、神经节细胞和视神经轴突传到大脑，产 生视觉。
（3）. 类固醇激素受体

在缺少激素时，抑制蛋白与LBD结合。当胞外 的激素通过扩散进入细胞质中与LBD结合，引 起LBD构象变化，将抑制蛋白从受体上释放出 来，结合有激素的受体是一种活化的转录因子， 它被转移至细胞核后其DBD就结合到糖皮质激 素应答元件（GRE）上，LBD和位于受体N端 的AD共同刺激靶基因转录。

6.3.4 突触如何传递信息

动作电位传到轴突末梢使突触前膜电压门控Ca离子 通道开启，Ca离子由胞外流入胞内。内流Ca离子降 低轴浆黏度，又促使突触小泡与前膜黏合并在黏合 处出现破口，泡内神经递质释放到间隙。电信号转 化为化学信号。而末梢内的高浓度Ca离子可通过NaCa通道运往胞外。接着间隙中的神经递质与后膜上 特异性受体或门控通道蛋白结合，突出后膜上的某 些离子通道通透性改变产生突触后电位。化学信号 又变成了电信号。同时结合的神经递质经酶水解重 新回到小泡。
6.3.2 神经元动作电位

静息电位 动作电位

6.3.3 突触的结构 突触（synapse）：指神经元之间或神经元与 效应器（接受神经冲动而完成反射活动者，如 肌肉、腺体等）细胞之间传导信息的结构。 突出的结构：前膜、间隙、后膜；突触小泡中 含神经递质 神经递质：神经元分泌的、传递神经信息的信 使；兴奋性：ACh、多巴胺、去甲骨肾上腺素 抑制性：γ-氨基丁酸、甘氨酸
G蛋白

G-蛋白(G-protein)是一种鸟苷酸结合蛋白，是由α、 β和γ三个亚基组成的异三聚体，β和γ亚基总是紧 密结合在一起作为一个功能单位Gβγ


G-蛋白介导的信号转导的机制：G-蛋白循环。
Gα亚基可分为Gs,Go,Gi,Gq等，其活性可被霍乱毒 素（CT）或百日咳毒素（PT）修饰。 G-pr的效应物：离子通道、腺苷酸环化酶、磷脂 酶C、磷脂酶A2等
细胞内信使 （ INTRACELLULAR MESSENGER ）
cAMP cGMP IP3和DAG Ca2+ NO
6.1.1 活化腺苷环化酶的G蛋白偶联受体
M.Rodbell和A.Gilman荣获1994年诺贝尔生理学及医学奖
1.cAMP信号通 路 （1）细胞外信 号结合所诱导 的G蛋白的活化
1.cAMP信号通路 （1）细胞外信号结 合所诱导的G蛋白的 活化
（2）G蛋白活化腺苷酸环化酶， 合成cAMP
cAMP的降解
（3）cAMP特异地活化cAMP依赖的蛋白激酶
（4） 被活化的蛋白 激酶A（催化亚基）转为 进入细胞核，使基因调 控蛋白（cAMP应答结合 蛋白，CREB）磷酸化， 磷酸化的基因调控蛋白 与靶基因调控序列结合， 增强靶基因的表达。

NO通过扩散进入血管平滑肌细胞，与NO受体 结合，激发细胞内可溶性鸟苷环化酶活性，鸟 苷环化酶催化GTP生成cGMP和PPi； cGMP导致蛋白激酶G（PKG）活化，该酶触发 的通路使肌肉松弛和血管舒张； 刺激ANF（心钠素）位于平滑肌细胞表面的受 体，同样可刺激内源鸟苷酸环化酶激活，导致 cGMP量增加，肌肉松弛。
6.2 细胞内受体介导的信号转导
6.2.1 定位于细胞内的亲脂性分子的受体 1. 受体存在部位 细胞质：糖皮质激素和盐皮质激素 细胞核：雌激素、孕酮、甲状腺素
细胞内受体的本质：激素激 活的基因调控蛋白。 三部分组成： C-端激素结合位点 中部的DNA或Hsp90结合位 点 N-端转录激活结构域 Fig. 细胞内受体蛋白超家族

细胞信号

1、生物大分子的结构信号： 蛋白质、多糖、核酸的结构信息

2、物理信号：电、光、磁
3、化学信号： 细胞间通讯的信号分子：激素、神经递质与神经肽、 局部化学介导因子、抗体、淋巴因子 4、细胞内通讯的信号分子 ：cAMP, cGMP, Ca2+, IP3, DG、NO


受体： 是细胞表面或亚细胞组分中的一种分子，可以识 别并特异地与有生物活性的化学信号物质（配体） 结合，从而激活或启动一系列生物化学反应，最 后导致该信号物质特定的生物效应。 两个功能： 1、识别特异的配体；2、把识别和接受的信号准 确无误的放大并传递到细胞内部，产生特定的细 胞反应。 结合特点： 1、同一配体可能有两种或两种以上的不同受体； 2、配体与受体结合的饱和性 受体数目恒定；但是相对的
第六章
细胞的信号转导与整合
主要内容
6.1 细胞表面受体介导的信号转导 6.2 细胞内受体介导的信号转导
6.3 通过突触传导神经信号 6.4 脑科学
总论（概念）
信号传导（signal transduction）：指信号从一种 物理的或化学的形式转化为另一种形式。或指通 过一种胞外的信号与受体结合而引发的一系列过 程，并最终触发一种或多种特意的细胞应答。 细胞信号分子（singnal molecule）：指任何存在 于胞外或胞内可以介导细胞对其外界环境或其他 细胞做出应答的分子。 第一信使：细胞外信号分子 第二信使：指第一信使与受体作用后在胞内最早 产生的信号分子。
近似昼夜规律 生物钟：24小时11分 输入途径-----光照、温度、声音等引起其运作 生物钟本身------基因调控的震荡机制 输出途径 语言和说话 发声：Broca区 听到说话：Wernicke区

情绪 杏仁核、海马、嗅球；大脑皮质叶一些内部 部分和丘脑、下丘脑的某些部分 调节情绪-----额叶皮质 记忆和学习 短时记忆 长时记忆 意识

6.4 脑科学和认知科学

6.4.1 人脑的结构 6.4.2 大脑皮质功能特征 6.4.3 人类大脑的进化 6.4.4 脑的高级功能



6.4.1 人脑的结构

人脑：由神经元和神经胶质细胞组成（前后中） 脑干：由中脑、脑桥和延脑组成，是呼吸中枢 和活命中枢。 延脑：控制呼吸、心脏和血管功能以及吞咽、 呕吐和消化等内脏功能 脑桥：参与调节延脑的呼吸中枢 中脑：包含若干接收和整合多种感觉信息的 中心


细胞表面受体与跨膜信号转导的 三种模式
1、激动剂控制的离子通道型受体 2、G蛋白偶联型受体 3、具有酶活性的受体
离子通道型受体
共同特点是： 是有多亚基组成受体/离子通道复合 体，除本身有信号接受部位外，又 是离子通道，其跨膜信号转导无需 中间步骤，反应快，一般只需几毫 秒
（1）配体（非电压）依赖性复合体； nAchR （2）电压依赖性复合体
6.1.2 活化磷脂酶C的G蛋白偶联受 体
6.1.3 通过G蛋白偶联受体活化基因转录
举例：配体与G蛋白偶联受体结合活
化基因表达的过程
1.配体与G蛋白偶联受体结合激活腺苷环化酶， 催化ATP生成cAMP； 2.cAMP活化蛋白激酶PKA； 3.进入细胞核的活化PKA在ATP参与下使cAMP 应答元件结合蛋白（CREB）磷酸化； 4.磷酸化的CREB蛋白与含有CRE的靶基因结合， 并与CBP/P300相互作用控制基因的转录。
6.2.2 存在于细胞之中的NO受体
ACh刺激ACh的GPCR导致磷脂酶C活化将PIP2 降解为IP3和DAG； IP3触发内质网膜上的IP3-Ca离子通道开启导 致细胞质中Ca离子升高； Ca离子/CaM（钙条蛋白）复合物激活NO合成 酶的活性； 在NO合成酶的作用下，以L-精氨酸为底物，以 NADPH为电子供体，等量生成NO和L-瓜氨酸；
6.1.4 基于G蛋白信号转导的感受器响应
两位美国科学家理查德· 阿克塞尔和琳 达· 巴克荣获2004年的诺贝尔生理学及医 学奖。他们所进行的的研究阐释了我们 的嗅觉系统是如何运作的。他们发现了 一个大型的基因家族。这一基因家族由 1000种不同的基因组成(占我们基因总数 的百分之三)，这些基因构成了相当数量 的嗅觉受体种类。这些受体位于嗅觉受 体细胞之内，这些细胞在鼻上皮的上端， 可以探测到吸入的气味分子。
6.1 细胞表面受体介导的信号转导
6.1.1 活化腺苷环化酶的G蛋白偶联受体
6.1.2 活化磷脂酶C的G蛋白偶联受体
6.1.3 通过G蛋白偶联受体活化基因转录 6.1.4 基于G蛋白信号转导的感受器响应
跨膜信号转导过程包括：

胞外信号被质膜上的特异性受体蛋白识 别，受体被活化； 通过胞内信号转导物(蛋白激酶，第二信 使等) 的相互作用传递信号； 信号导致效应物蛋白的活化，引发细胞 应答（如激活核内转录因子，调节基因 表达）。
小脑：接收整合大脑发出的有关运动指令，协 调运动和平衡；接收听觉和视觉信息；协调知 觉和识别功能并进行纠错，与学习记忆有关 间脑：包括上丘脑、丘脑和下丘脑 上丘脑：松果腺和脉络从 丘脑：感觉信息传入大脑的输入中心；运动 信息的主要输出中心；调节人的情绪和觉醒。 下丘脑：负责内环境调节


大脑：左右半球 半球：大脑皮质（外面覆盖的灰质）、内部 的白质（髓质）和深部的基底神经节 实施高级功能的关键部位

6.4.4 脑的高级功能

觉醒和睡眠 觉醒（arousal）：指一种可以感知外部世界、 大脑处于正常工作的生理状态。 睡眠（sleep）：指一种不断的接受外部的刺 激却没有感知到刺激存在时的生理状态。 网状激动系统（RAS）在调控，RAS被抑制就 由觉醒转入睡眠 血清素（5-羟色胺）--睡眠神经递质 牛奶 褪黑色素白天夜里多