细胞的跨膜信号转导课件

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3.3 细胞的跨膜信号转导

第二节细胞的跨膜信号传导
真核细胞内主要的跨膜信息传导途径： u G-蛋白耦联受体介导的跨膜信号传导 u 离子通道型受体介导 u 酶耦联受体介导
一、 Signal trnsduction mediated by G-ptotein-
linked receptor
（一) G蛋白耦联受体 receptor：一类Mw:290kD，α2βγδ 五聚体，形成中间一个孔道样结构。有4个跨膜螺旋/亚单位，孔道的内壁由5个亚单位的M2螺旋构成。孔道：Na＋， K＋均可通过
u Ach 与2个α亚单位结合，通道开放， Na+内流，少量K+外流，产生终板电位。
u 分布：肌细胞终板膜、神经细胞的突触后膜等， →终板电位、突触后电位及感受器电位。
2、分布：神经轴突和骨骼肌、心肌细胞的质膜中 →动作电位。
钠通道的α亚单位
S5，S6之间的胞外环构成孔道内壁
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失活：与结构域Ⅲ和Ⅳ 之间胞内环有关
（三）机械门控通道
Mechanically-gated channel: 存在于对机械刺激敏感的细胞如内耳毛细胞、下丘脑的渗透压敏感神经元。
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（二）电压门控通道
1、开放与关闭：由膜电位决定，即通道存在一些对膜电位改变敏感的结构域或基团，后者诱发通道分子功能状态改变，改变相应的离子跨膜扩散→细胞生物电活动改变。电压门控钠通道：α、β1、β2三个亚单位组成，α亚单位是形成孔道的亚单位。
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细胞的基本功能—细胞的跨膜信号转导功能(正常人体机能课件)

2.酪氨酸激酶受体
• 酪氨酸激酶受体（tyrosine kinase receptor,TKP）也称受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinase），是指受体分子的膜内侧部分本身具有酪氨酸激酶活动的受体。
• 酪氨酸激酶受体的膜外侧部分可与胰岛素、各类生长因子等信号分子结合，进而激活膜内侧部分的酪氨酸激酶，酪氨酸激酶使细胞产生一系列生物化学反应，从而使细胞产生生理效应，实现细胞信号转导。此过程不需要G 蛋白参加，没有第二信使产生及细胞内蛋白激酶的激活。
GTP GDP
GTP
ATP cAMP
GDP GTP
5`AMP PDE
细胞内
生理效应
PKA ATP ADP
蛋白质 P
离子通道介导的跨膜信号转导
01
02
跨膜信号转导离子通道介导的跨膜信号转导
03
化学门控通道
1.跨膜信号转导
各种形式的信号物质作用于细胞时，大多数信号物质如神经递质、含氮激素、细胞因子等本身并不能进入细胞内，而是与细胞膜上相应的受体结合后，通过膜的信号转导系统，将细胞外物质所携带的信息传递到细胞内，从而引起细胞的相应功能活动的改变，这一过程称为跨膜信号转导。
G蛋白介导的跨膜信号转导
01
G蛋白耦联受体
02
受体-G蛋白-AC途径
1.G蛋白耦联受体
• G蛋白耦联受体：G 蛋白耦联受体也称为促代谢型受体，这类受体与信号分子结合后通过G 蛋白即激活GTP结合蛋白，发挥生物学效应。
2.受体-G蛋白-AC途径
• G 蛋白耦联受体与信号分子结合后，通过激活细胞膜上的G蛋白进而激活G 蛋白效应器酶（如腺苷酸环化酶），G蛋白效应器酶再进一步催化某些物质（如ATP、PIP２）生成具有生物活性的小分子信号物质即第二信使（如cAMP、IP３、DG等），第二信使再通过结合蛋白激酶或离子通道而发挥生物学效应，最终完成细胞跨膜信号转导过程。

细胞的跨膜信号转导

细胞的跨膜信号转导1、跨膜信号转导或跨膜信号传递的共性各种外界信号(物理、生物、化学等信号)↓膜蛋白构型变化↓信号传递到膜内↓靶细胞功能变化(如电变化)２、跨膜信号转导的方式有3种:①离子通道介导②G蛋白耦联介导③酶耦联受体介导3、受体定义:能与激素、神经递质、药物或细胞内的信号分子结合并引起其功能的改变的生物大分子分类:部位——胞膜、胞浆、胞核受体配基——胆碱能、肾上腺素能、多巴胺能受体结构——离子通道、Ｇ蛋白、酶、转录调控受体特征: ①高度特异性②饱与性③竞争抑制④亲与力⑤可逆性⑥高效性功能:①识别与结合②传递信息一、由离子通道介导的跨膜信号传导(一)、化学门控通道——配体门控通道定义:当膜外特定的化学信号(配体)与膜上的受体结合后通道就开放,因而称为化学门控通道或配体门控通道,也称为通道型受体分布:神经元突触后膜,肌细胞终板膜受体—化学信号结合位点-促离子型受体转到途径:化学信号膜通道蛋白↘↙通道蛋白变构↓通道开放↓离子异化扩散↓完成跨膜信号传导↓产生效应(二)、电压门控通道分布在除突触后膜与终板膜以外的细胞膜(三)、机械门控通道定义:感受机械刺激引发细胞功能改变的通道结构二、由G蛋白耦联受体介导的跨膜信号转导1、G蛋白耦联受体就是一种与细胞内侧Ｇ蛋白的激活有关的独立受体蛋白质分子2、G蛋白就是鸟苷酸结合蛋白:G蛋白未被激活时,她与一个分子的GDP结合,G蛋白的激活很短暂3、G蛋白效应器,:催化生成第二信使的酶与离子通道４、蛋白激酶:丝氨酸∕苏氨酸激酶可就是底物蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化, 包括:蛋白激酶A、蛋白激酶G、蛋白激酶C5、几条主要跨膜信号转导途径①受体－G蛋白－AC信号转导途径Gs ＡTP→cＡＭP↑﹢↗↘﹢﹢↗↘配体+受体Ａ C PKA﹢↘↗﹣﹣↘↗GｉＡTP→ｃAMＰ↑②受体-Ｇ蛋白－ＰＬＣ信号转导途径IP3+IP３受体→内质网或肌浆网释放Ga+ＰLC ↗PIL2→→→Gｉ﹨Gp↘DG→→受体。

第三章细胞的跨膜信号转导

➢ Activation: 非活化的G蛋白在膜内是与受体分离的，其a亚单位与
GDP相结合。当配体与受体结合后，受体和G蛋白结合，并使之激活；激活的G蛋白a亚单位对GTP具有高度亲和力，与GTP结合后，解离出 GDP。a亚单位与GTP的结合使三聚体G蛋白分成两部分，即a-GTP复合物和b-g二聚体，两部分均可进一步激活它们的靶蛋白。
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Second messengers
cAMP NO
cGMP Ca2+
IP3
DG
Others
第二信使是细胞外信号分子作用于细胞膜后产生
的细胞内信号分子，它们的作用是将细胞外信号分子作用于细胞膜的信息“传达”给胞内的靶蛋白，包括各种蛋白激酶和离子通道。
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Protein kinases
2012-2
一、细胞可感受什么样的细胞外信号？
➢ 化学信号：是细胞最常感受到的刺激信号 ➢ 物理信号：温度、机械力、生物电等
在动物进化的过程中，这些物理性刺激信号大都由一些在结构上和功能上高度分化了的特殊的感受器（如视网膜、耳蜗、前庭器官、肌梭、环层小体等）来感受。
可兴奋细胞具有接受邻近发生的电变化而引发自身新的电反应的能力。
蛋白激酶（protein kinase）可分为两大类： ➢ 丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶（serine/threonine kinase）：
可使底物蛋白中的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，占蛋白激酶中的大多数。
➢ 酪氨酸蛋白激酶（tyrosine kinase）：
数量较少，主要在酶耦联受体的信号转导路径中发挥作用。
电压门控通道（voltage-gated ion channel）和机械门控通道（mechanically gated ion channel）尽管在事实上是接受电信号和机械信号的受体，但通常不称作受体。

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信号途径：配体+受体→G蛋白→效应器分子→第二信使→靶分子→生物学效应
12345 67
G蛋白
配体包括肾上腺素、组胺、5-羟色胺等生物胺，血管紧
张素、促甲状腺激素等多肽和蛋白类激素、乙酰胆碱、
嗅觉物质、视紫红质等100学多习交种流P。PT
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2. G蛋白偶联受体介导的信号转导
（一）参与转导的信号分子（二）主要的G蛋白偶联受体信号转导途径（三） G蛋白偶联受体的信号转导特点
❖ 慢效应：调控基因表达
转录因子磷酸化
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跨膜信号转导的主要途径
膜受体介导：离子通道受体
（环状受体）
G蛋白偶联受体
（七跨膜α-螺旋型受体）
酶偶联受体（胞内转录因子型受体）
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1.离子通道受体介导的信号转导
离子通道型受体属于化学门控通道，其接受的化学信号绝大多数是神经递质，故也称递质门控通道(transmitter-gated ion channel) ；
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（一）参与转导的信号分子
1. G蛋白偶联受体 2. G蛋白（鸟苷酸结合蛋白） 3. G 蛋白效应器 4. 第二信使
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（一）参与转导的信号分子
1. G蛋白偶联受体：与配体结合后，通过构象变化结合并激活G蛋白。
通过G蛋白发挥作用→称为G蛋白偶联受体；不具备通道结构，无酶活性；种类繁多，每种受体都由一条包含7次跨膜α螺旋
❖配体：能与受体特异性结合的信号分子
❖脂溶性分子：可直接穿膜进入靶细胞 ❖水溶性分子：不能穿过靶细胞膜，只能经膜上的信号转
换机制实现信号传递，所以又称为第一信使(primary messenger)。
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5
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6
构成信号转导系统的要素
❖第二信使(second messenger)：受体被激活后在细胞内产生的、能介导信号转导通路的活性物质。
CaM
PKC
Ca2+ /CaM-PK
底物(酶) 磷酸化调节底物(酶) 的活性。
第二信使的效应模式：
可逆磷酸化
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蛋白激酶A （PKA）
cAMP-Dependent Protein Kinase
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PKA的功能
❖快效应：底物磷酸化糖原合酶 P 失活
糖原磷酸化酶 P 激活
胞内效应产生
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构成信号转导系统的要素
❖受体：是一类存在于靶细胞膜上或胞内可识别并结合外源信号分子（配体），进而引起靶细胞内产生相应的生物效应的分子。其化学本质是蛋白质，个别为糖脂。
❖胞内受体：少数疏水性信号分子穿过质膜进入胞内（如：类固醇激素、甲状腺激素、维生素D等）
❖膜受体：大部分亲水性的刺激信号作用于膜表面受体
受体由均一或非均一的亚基构成寡聚体，且围成一跨膜离子通道，激活后可引起离子的跨膜流动，触发生理反应
特点（比较G蛋白偶联通路）
①通过产生跨膜电变化传递信号
②路径简单、速度快
③作用较局限
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ACh
↓
与终板膜膜上通道型受体（N型ACh受体）特异性结合
↓ ACh受体通道构型改变（离子通道打开）
细胞的跨膜信号转导
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1
信号转导（signal transduction）
信号转导：细胞针对外源信息所发生的细胞内生物化学变化及效应的全过程
“信号” —— 主要：化学信号（激素、神经递质、细胞因子）其他：机械、光、电信号
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2
细胞间的信号传递： ① 接触性依赖的通讯：细胞粘附、识别
重要的有：环核苷酸：环腺苷酸（cAMP）、环鸟苷酸（cGMP）脂类衍生物：二酰甘油（DG）、1, 4, 5-三磷酸肌醇（IP3）无机物：Ca2+等作用：传导、放大胞外信号，激活蛋白激酶或离子通道
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第二信使学说
1957年，E. Sutherland在研究肾上腺素促进肝糖原分解的机制时发现，激素的作用依赖于细胞产生一种小分子化合物环腺苷酸（cyclic AMP，cAMP），从而提出了第二信使学说。
② 化学通讯：
内分泌(endocrine) 旁分泌(paracrine) 自分泌(autocrine) 化学突触(chemical synapse)
③ 间隙连接：如电突触、闰盘
④ 外泌体(exosomes )：
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3
跨膜信号转导的基本过程
三个阶段：
胞外信号的识别
胞内信号转换和放大
的肽链构成→也称7次跨膜受体。
“7次跨膜受体”：膜外侧N-末端——识别、结合配体膜内侧C-末端——激活膜内G蛋白
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（一）参与转导的信号分子
2.G蛋白：即鸟苷酸结合蛋白，它是一类和GTP或 GDP相结合、位于细胞膜胞浆面的外周蛋白。
由α、β和γ三个亚单位形成的异源三聚体； α 和γ亚基通过共价结合的脂肪酸链尾固定在膜上耦联膜受体与下游效应器（酶或离子通道）的蛋白。
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第一信使
略
第二信使
Sutherland, 获 1971年诺贝尔生理和医学奖
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cAMP的产生
腺苷酸环化酶：跨膜12次。在Mg2+或 Mn2+的存在下，催化ATP 生成cAMP。
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cAMP、 cGMP 、 DAG、 IP3、 Ca2+
PKA
PKG
Ca2+
↓ Na+内流（和K+外流）
↓ 终板膜去极化（终板电位）
↓
周围肌膜兴奋和肌细胞收缩
范例
神经-骨骼肌接头Ｎ2型ACh受体
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2. G蛋白偶联受体介导的信号转导
G蛋白偶联受体：由一条包含7次跨膜α螺旋的肽链构成，胞外结构域识别信号分子，胞内结构域与G 蛋白偶联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使，将胞外信号转为胞内信号。
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α亚基具有三个功能位点： ①GTP结合位点; ②鸟苷三磷酸水解酶 (GTPase)活性位点; ③效应酶结合位点。
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（一）参与转导的信号分子
2.G蛋白：分子开关作用。
α 亚基结合GDP处于关闭状态，结合GTP处于开启状态：
GDP-αβγ
（失活型）
GTP-α+βγ
（激活型）
作用：与激活的受体相遇而被激活，再由激活型 α-GTP和βγ亚单位进一步激活下游效应器，从而改变细胞内第二信使的浓度。