细胞生物学翟中和编 第9章 细胞信号转导

• 无活性的PKA是含有2个调节亚基(R)和2个催化亚基(C)的四 聚体，每个R亚基上有2个cAMP结合位点 • cAMP与调节亚基结合，使调节亚基和催化亚基解离，释放 出催化亚基，激活PKA
1. cAMP-PKA信号与糖原代谢
2. cAMP-PKA 信号通路与基因表达调控
（三）激活磷脂酶C、以IP3 和DAG 作为双信使 G 蛋白偶联受体介导的信号通路
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第三节 G蛋白偶联受体介导的信号转导
受体 G蛋白
效应物
一、G 蛋白偶联受体的结构与激活
（二）受体
受体（receptor）：是一种能够识别和选择性结 合某种配体（信号分子）的大分子，多为糖蛋白 。受体结合特异性配体后被激活，通过信号转导 途径将胞外信号转换为胞内化学或物理信号，以 启动一系列过程，最终表现为细胞生物学效应。 一般至少包括两个功能区域，与配体结合 的区域和产生效应的区域 ，分别具有结合特异 性和效应特异性。
• 脂溶性气体分子NO
- 受体具有鸟苷酸环化 酶活性
• 个别亲脂性小分子
- 如前列腺素受体在细 胞质膜上
NO气体信号分子进入靶细胞直接与酶结合
NO在导致血管平滑肌舒张中的作用
乙酰胆碱→血管内皮→Ca2+浓度升高→NO合酶→NO→平滑肌细胞→鸟苷酸环化酶 →cGMP→PKG→平滑肌舒张→血管扩张、血流通畅
谢生成NO，后者刺激心脏血管平滑肌细胞舒张，
从而增加心脏供血。
Viagra (伟哥) inhibits the enzyme PDE
• 枸橼酸西地那非(sildenafil citrate)：一种对环磷酸鸟苷（ cGMP）特异的5型磷酸二酯酶（PDE5）选择性抑制剂 • NO激活鸟苷酸环化酶导致环磷酸鸟苷（cGMP）水平增 高，使阴茎海绵体内平滑肌松弛，血液充盈
一、G 蛋白偶联受体的结构与激活
4.G蛋白偶联受体的激活
一、G 蛋白偶联受体的结构与激活
一、G 蛋白偶联受体的结构与激活
二、G 蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路
• G蛋白偶联受体主 要有3类： – 激活离子通道
– 激活或抑制腺苷 酸环化酶(AC) ，以cAMP为第 二信使
– 激活磷脂酶 C(PLC)，以IP3 和DAG作为双 信使
一、细胞通讯
2.步骤与功能
存活
生长+分裂
分化
死亡
信号转导影响细胞结构和功能的各方面
发育 信号转导 生长
凋亡
代谢
免疫
酶活性； 细胞骨架； 离子通透性； DNA合成的起始； 基因表达激活或抑制
二、几个基本概念
• 信号分子 • 受体 • 第二信使 • 分子开关
（一）信号分子（配体）
Signal molecule (Ligand): 细胞的信息载体，能与靶细胞受体
一、细胞通讯
1.方式
• 化学信号通讯( chemical signaling )
• 接触依赖性通讯（contact-dependent signaling） • 间隙连接（gap junction）胞间连丝（plasmodesma）
化学信号通讯作用方式
A. 内分泌 B. 旁分泌 C. 化学突触
D. 自分泌
细胞分泌化学信号的作用方式
内分泌（endocrine）：①低浓度；②全身性；③长时效。
旁分泌（paracrine）：细胞分泌的信号分子通过扩散作用
于邻近的细胞。包括各类细胞因子和气体信号分子。
自分泌（autocrine）：信号发放细胞和靶细胞为同类或同
一细胞，常见于癌变细胞。 化学突触（chemical synapse）：神经递质由突触前膜释 放，经突触间隙扩散到突触后膜，作用于特定的靶细胞。
腺苷酸环化酶 cAMP（降低） K+ 通 道（ Gβγ 激 膜电位改变 活效应器）
Golfα
Gqα Goα Gtα
腺苷酸环化酶
磷脂酶C 磷脂酶C cGMP 磷酸二酯酶
cAMP（升高）
嗅觉受体（鼻腔）
IP3，DAG（升高） α 2 肾上腺素受体 IP3，DAG（升高） 乙酰胆碱受体（内皮细胞） cGMP（降低） 视杆细胞中视紫红质（光受体）
C. 酶联受体（enzyme-linked receptor）
（二）受体
同一信号分子作用于不同靶细胞的受体后，产生
不同的生物学效应。如：乙酰胆碱
同一靶细胞上不同的受体应答不同的胞外信号， 产生相同的效应。 每种细胞都有一套多种类型的受体，应答多种不 同的胞外信号从而启动细胞不同生物学效应，如 ：生长、分裂、分化或调亡。
受体的类型
细胞表面受体
细胞内受体
小的亲脂性 信号分子
亲水性信号分子
细胞内受体的特点
位于细胞质基质或核基质中；
识别并结合小的脂溶性分子；
通常是基因调控蛋白或酶，与信号分子结合
后被激活。
细胞表面受体的类型
A. 离子通道偶联受体（ion channel-coupled receptor） B. G蛋白偶联受体（G-protein-coupled receptor, GPCR）
• 细胞信号转导的整合与控制
第一节 细胞信号转导概述
• 细胞通讯（cell communication）：一个细胞发出的信息通过 介质传递到另一个细胞产生相应的反应。细胞间的通讯对于 多细胞生物体的发生和组织构建，协调细胞的功能，控制细 胞的生长和分裂是必需的。
• 细胞识别（cell recognition）：细胞通过表面的受体与胞外 信号物质分子（配体）选择性的相互作用，导致细胞内一系 列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效应的过程 • 细胞信号通路（signaling pathway ）：指细胞接受外界信号 ，通过一整套特定的机制，将胞外信号转导为胞内信号，最 终调节特定基因的表达，引起细胞的应答反应。
• 胞外信号分子与细 胞表面G蛋白偶联 受体结合，激活质 膜上的磷脂酶 C(PLC)，使质膜 上的磷脂酰肌醇 (PI)最终水解为三 磷酸肌醇(IP3)和二 酰甘油(DAG)两个 第二信使，使胞外 信号转换为胞内信 号，两个第二信使 分别以不同的方式 引起细胞的应答反 应。
结合并传递信息。 物理信号：声、光、电、温度 化学信号：激素、局部介质、神经递质
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化学信号分子
• 气体性信号分子：NO、CO 特点：可自由扩散进入细胞激活效应酶。 • 疏水性信号分子：主要是甾类激素和甲状腺素 特点：分子小、疏水性强，可穿过细胞膜与细胞质 或细胞核中受体结合形成激素－受体复合物，调节 基因表达。 • 亲水性信号分子：神经递质、局部介质和多数蛋白 类激素 特点：不能穿过脂双层，只能与靶细胞表面受体结 合，再经信号转导，在细胞内产生第二信使引起细 胞的应答反应。
Robert J. Lefkowitz
Brian K. Kobilka
三、信号转导系统及其特性
（二）细胞内信号蛋白复合物的装配
基于支架蛋白 基于受体活化域
基于肌醇磷脂
三、信号转导系统及其特性
（三）信号系统的主要特性
特异性 脱敏
放大效应
整合作用
第二节 细胞内受体介导的信号传递
• 亲脂性小分子
- 类固醇激素、视黄酸 、维生素D和甲状腺素 受体在细胞核内
• G 蛋白偶联受体（GPCR）是细胞表面受体中最大的多样性家族 • 含有7 个疏水肽段形成的跨膜α 螺旋区和相似的三维结构，N 端在细胞外侧，C 端在胞质侧
一、G 蛋白偶联受体的结构与激活
2.G蛋白
• G蛋白是三聚体GTP结合调节蛋白 的简称，位于质膜胞浆一侧。 • 由Gα、Gβ、Gγ三个亚基组成，Gβ 和Gγ亚基以异二聚体存在；Gα和 Gβγ亚基通过共价结合的脂肪酸 链尾结合在膜上；
蛋白质模式结合域（modular binding domain）
SH2 结构域（Src homology 2 domain）
蛋白质模式结合域及其结合基序特异性
美国科学家罗伯特· 莱夫科维茨（Robert J. Lefkowitz） 和布莱恩· 克比尔卡（Brian K. Kobilka）因“G蛋白偶 联受体研究”获得2012年诺贝尔化学奖
三、信号转导系统及其特性
（一）信号转导系统基本组成及信号蛋白相互作用
• 细胞表面受体介导的信号通路5个步骤：
① 受体特异性识别并结合胞外信号分子，形成 受体－配体复合物，导致受体激活 ② 受体构象改变，导致信号初级跨膜转导，靶 细胞内产生第二信使或活化的信号蛋白 ③ 胞内第二信使或胞内信号蛋白复合物装配， 起始胞内信号放大的级联反应 ④ 细胞应答反应 ⑤ 受体脱敏或受体下调，终止或降低细胞反应
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编
细胞生物学（第4版）
第9章 细胞信号转导 Cell Signal Transduction
本章主要内容
• 细胞信号转导概述 • 细胞内受体介导的信号传递 • 细胞表面受体介导的信号传递
– G蛋白偶联受体介导的信号转导 – 酶联受体介导的信号转导 – 其它细胞表面受体介导的信号通路
受体转导胞外信号引发快反应和慢反应
（三）第二信使
• 第一信使-----细胞外信号分子 • 第二信使（second messenger）：指在胞内产生的非蛋白类 小分子，其浓度变化应答于胞外信号与细胞表面受体的结 合，在细胞信号转导途径中行使携带和放大信号的功能。
（三）第二信使
• 目前公认的第二信使：cAMP（环腺苷酸）、 cGMP（环鸟甘酸）、Ca2+、 DAG（二酰甘油）、 IP3（1,4,5-三磷酸肌醇）、 PIP3（3,4,5-三磷酸磷 脂酰肌醇）等。