细胞生物学第八章

Robert F. Furchgott
Louis J. Ignarro
Ferid Murad
（一）NO的作用：
1、NO可快速扩散透过细胞膜，作用于邻近细胞。
2、血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞，
NO 的 生 成 由 一 氧 化 氮 合 酶 (nitric oxide synthase，NOS)催化，以L-精氨酸为底物，以 NADPH作为电子供体，生成NO和L-瓜氨酸。 3、NO没有专门的储存及释放调节机制，靶细胞上
两个功能区域：配体结合区、效应区
两种类型：细胞内受体、细胞表面受体 胞内受体位于细胞质基质或核基质中，主要识别和结合小 的脂溶性信号分子。 细胞表面受体主要识别和结合亲水性信号分子，如神经递
质、多肽类激素、生长因子、细胞表面抗原和黏着分子等。
细胞表面受体
细胞内受体、
细胞表面受体分属三大家族：
离子通道偶联受体(ion-channel-linked receptor) G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor) 酶连受体（enzyme-linked receptor)
在细胞信号转导过程中，除细胞表面受体和第二信使分 子以外，还有两组进化上保守的胞内蛋白在信号转导途径 中行使功能，这两类蛋白起着分子开关的作用。
一类是GTPase开关蛋白：结合GTP时呈活化的“开启
状态”。结合GDP时呈失活的“关闭”状态。开关蛋白通 过良种壮踢得转换控制下游靶蛋白的活性。
另一类普遍的分子开关机制：是通过蛋白激酶使靶蛋
第八章 细胞信号转导
◆第一节 ◆第二节
概述 细胞内受体介导的信号转导
◆第三节
◆第四节 ◆第五节
G蛋白耦联受体介导的信号转导
酶连受体介导的信号转导 信号的整合与控制
第一节 概述
一、细胞通讯 二、信号转导系统及其特性
第一节 概述
一、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 并与靶细胞相应的受体相互作用，然后通过细胞信 号转导产生胞内一系列生理生化变化，最终变现为 细胞整体的生物学效应的过程。
（二）、细胞识别与信号通路
细胞识别（cell recognition）： 细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子（配体）选择性地相 互作用，进而导致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。
信号通路（signaling pathway）
细胞识别是通过各种不同的信号通路实现的。 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，这种反应 系列称之为细胞信号通路。
白磷酸化，通过蛋白磷酸酶使靶蛋白去磷酸化，从而调节 蛋白质的活性。
细胞内信号传导过程中两类分子开关蛋白
蛋白激酶 蛋白磷酸酯酶
二、信号转导系统及其特性
（一）信号转到系统的基本组成与信号蛋白 通过细胞表面受体介导的信号途径由下列4个步骤组成： 1. 信号刺激首先被细胞表面特异性受体所识别； 特异性是识别反应的主要特征，这源于信号分子与互补受 体上的结合位点相适应。 2. 胞外信号（第一信使）通过适当的分子开关机制实现信号 的跨膜转导，产生胞内第二信使或活化的信号蛋白； 绝大多数被激活的细胞表面受体是通过小分子第二信使和 细胞内信号蛋白网络传播信号的。
受体蛋白
胞外信号分子
质膜 支架蛋白
潜在基因调控 蛋白 转承蛋白
细胞质
接头蛋白 分歧蛋白
放大和转导蛋白 细胞内中介小 分子
整合蛋白
锚蛋白
修饰蛋白 信使蛋白
靶蛋白
细胞核 活化基因 转录 信号应答元件
（二）细胞内信号蛋白的相互作用
受体通过细胞内信号蛋白的相互作用组成不同 的信号通路而传播信号，蛋白之间靠何种机制 保障彼此的精确联系?
3. 信号放大：信号传递至胞内效应器蛋白，引发细胞内信 号放大的级联反应； 级联反应主要是通过酶的逐级激活，结果将改变细胞代 谢活性，或者通过基因表达调控蛋白影响细胞基因表达，
或者通过细胞骨架的修饰改变细胞形态或运动。
4. 细胞反应由于受体的脱敏或受体下调，启动反馈机制从 而终止或降低细胞反应。
胞外信号分子 外部信号分子 受体
（三）、细胞的信号分子与受体
1. 信号分子
亲脂性信号分子：甾类激素、甲状腺素„ 亲水性信号分子：神经递质、生长因子、局部化 化学信号 递质、大多数激素„ 气体性信号分子：一氧化氮（ NO ）„
物理信号：光、电、声、温度变化等
2.受体receptor 一种能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分 子，当与配体结合后，通过信号转导(signal transduction) 作用将胞外信号转换为胞内化学或物理的信号，以启动一系 列过程，最终表现为生物学效应。
2. cAMP信号通路的组成成分
子通道）的作用通过与G蛋白耦联,调节相关酶活性,
在细胞内产生第二信使;从而将胞外信号跨膜传递到 胞内。
细 胞 外 信 号 结 合 所 诱 导 的 G 蛋 白 的 活 化
G蛋白偶联受体结构图
二、 G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路 (一) cAMP为第二信使的信号通路 (二) 以肌醇-1,4,5-三磷酸 (inositol 1,4,5-
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（Ach）作用于血管内 皮细胞G蛋白偶联的受体并激活磷脂酶C，通过第 二信使IP3导致细胞质Ca2+水平升高，当Ca2+结合钙 调蛋白后刺激NO合酶催化精氨酸氧化形成瓜氨酸 并释放NO，NO通过扩散进入邻近平滑肌细胞，激 活具有cGMP酶活性的NO受体，刺激生成第二信使 cGMP，而cGMP的作用是通过cGMP依赖的蛋白激酶G 的活化抑制肌动-肌球蛋白复合物信号通路，导致 血管平滑肌舒张。
细胞内信号蛋白之间的相互作用是靠蛋白质模式结合域的特异性介导。
受体蛋白 磷酸肌醇磷酸
信号分子
信号蛋白1
P P PH
PTB P Y Y P SH2
SH1 P Y
信号蛋白2 激酶结构域
激酶结构域
接头蛋白 SH3 PPP
信号蛋白3
信号下行
（三）信号转导系统的主要特性
1、特异性
2、放大作用 3、对信号的终止或下调
trisphosphate,IP3)和二酰甘油 (1,2
diacylycerol,DAG)作为双信使的磷脂酰肌醇 信号通路 (三) G蛋白耦联离子通道
(一) cAMP为第二信使的信号通路 1.概念 1) cAMP信号通路:细胞外信号与相应受体结合，调
节腺苷酸环化酶活性，通过第二信使cAMP水平
的变化,将细胞外信号转变为细胞内信号。 2) 信号通路的首要效应酶是腺苷酸环化酶，通过 腺苷环化酶调节胞内cAMP的水平。cAMP可被 磷酸二酯酶限制性地降解清除。
胞内信号分子
靶蛋白
新陈代谢酶 基因调控蛋白 细胞支架蛋白
从细胞表面到细胞核的信号途径是由细胞内多种不同的信 号蛋白组成的信号传递链，这条信号蛋白链负责实现上述4个 号传递的主要步骤，除细胞表面受体之外还包括如下各类蛋 白质： ① 转承蛋白：负责简单地将信息传给信号链的下一个组分； ② 信使蛋白：携带信号从一部分传递到另一部分； ③ 接头蛋白：连接信号蛋白； ④ 放大和转导蛋白：通常由酶或离子通道蛋白组成介导产生 信号级联反应； ⑤ 传感蛋白：负责信号不同形式的转换； ⑥ 分歧蛋白：将信号从一条途径传播到另外途径； ⑦ 整合蛋白：从2条信号途径接收信号，并在向下传递之前进 行整合； ⑧ 潜在基因调控蛋白：这类蛋白在细胞表面被活化受体激活， 然后迁移到细胞核刺激基因转录。
三种类型的细胞表面受体
酶
无活性催化结构域 活化的催化结构域
3.第二信使与分子开关 第二信使学说：胞外化学物质（第一信使）不能进入细 胞，它作用于细胞表面受体，而导致产生胞内第二信使， 从而激发一列生化反应，最后产生一定的生理效应，第二 信使的降解使其信号作用终止。 第二信使(Second massenger) ：是指细胞内产生的小分子， 其浓度变化应答于胞外信号（第一信使）与细胞表面受体 的结合，并在细胞信号转导中行使功能。目前公认的第二 信使包括cAMP、cGMP、三磷酸肌醇(IP3)、二酰基甘油(DAG) 等。 功能:启动和协助细胞内信号的逐级放大。
号分子影响其它细胞。
3.细胞间形成间隙连接，使细胞质相互沟通—动物
细胞间隙连接、植物细胞胞间连丝通过交换小分
子实现代谢偶联或电偶联的通讯方式。
细胞分泌化学信号的作用方式
（1）内分泌（endocrine）
内分泌腺 激素 血液循环 靶器官（靶细胞）
（2）旁分泌（paracrine） 信号细胞 局部化学介质 细胞外液 临近靶细胞
NO的多少直接与NO的合成有关。
（二）NO的作用机理： 1、乙酰胆碱→血管内皮→Ca2+浓度升高→一氧化氮 合酶→ NO→平滑肌细胞→鸟苷酸环化酶→ cGMP→血管平滑肌细胞的Ca2+离子浓度下降→抑制 肌动-肌求蛋白复合物的信号通路，平滑肌舒张→血 管扩张、血流通畅。
2、硝酸甘油治疗心绞痛的作用机理：硝酸甘油在体 内转化为NO，可舒张血管，减轻心脏负荷和心肌的 需氧量。
C-端激素结合位点
中部的DNA或Hsp90结合位点：富含Cys、锌指结构
N-端转录激活结构域
配体结合域 转录激活域
DNA结合域
抑Baidu Nhomakorabea蛋白
失活受体
辅激活因子
配体
N-端转录激活结构域
受体结合元件 活化受体 靶基因转录
Fig. 细胞内受体蛋白超家族
二、NO作为气体信号分子进入靶细胞直接与酶结合 1998年R．Furchgott等三位美国科学家因对NO信 号转导机制的研究而获得诺贝尔生理和医学奖
（3）自分泌（autocrine） 分泌细胞 分泌物 细胞自身受体(靶细胞是该细胞自身)
（4）化学突触（chemical synapse 神经元 神经信号(神经递质、神经肽) ( 突触 ) 靶细胞
接触性依赖的通讯
细胞间直接接触，信号分子与受体都是细胞的跨膜蛋白。这种通讯方式 在胚胎发育过程中对组织内相邻细胞的分化具有重要作用。（胚胎诱导）
于关闭状态；当胞外配体与受体结合为复合物，导
致受体变构与G蛋白的亚基耦联，进而促使亚基上 GDP解离，GTP与亚基结合， 亚基被活化，分子开 关处于打开状态。
2、G蛋白偶联的受体
G蛋白偶联的受体: 7次跨膜蛋白，N端在胞外，C端在胞内;胞内结构 域与G蛋白偶联;配体-受体复合物与靶蛋白（酶或离
细胞通讯的作用：
多细胞生物体的发生和组织的构建，协调细胞的
功能，控制细胞的生长、分裂、分化和凋亡。
(一)、细胞通讯方式： 1.通过分泌化学信号的通讯—多细胞生物普遍采用 的通讯方式。 2. 细 胞 间 接 触 性 依 赖 的 通 讯 （ contact-dependent
signaling）--细胞直接接触，通过质膜结合的信
内分泌
autocrine
旁分泌
自分泌
化学突触
接触依赖性通讯
Gap junction
Fig. 不同的细胞间通讯方式
间隙连接
通过胞外信号介导的细胞通讯通常涉及如下步骤： ① 产生信号的细胞合成并释放信号分子； ② 运送信号分子至靶细胞；
③ 信号分子与靶细胞受体特异性结合并导致受体激活；
④ 活化受体启动胞内一种或多种信号转导途径； ⑤ 引发细胞功能、代谢或发育的改变； ⑥ 信号的解除并导致细胞反应终止。 本章讨论的重点是后三步，也是细胞信号转导的关键步骤
4、对信号的整合
细胞的命运取决于对胞外信号的特殊组合进行程序性反应，表现不 同的行为，或者存活、分裂、分化和死亡。
第二节 细胞内受体介导的信号转导
一、细胞内核受体及其对基因表达的调节
二、NO作为气体信号分子进入靶细胞直接与
酶结合
一、细胞内核受体及其对基因表达的调节
细胞内受体的本质：激素激活的基因调控蛋白。构成细 胞内受体超家族（intracellular receptor superfamily）。 三部分组成：
第三节 G蛋白耦联受体介导的信号转导
一、G蛋白耦联受体的结构与激活 二、 G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路
一、G蛋白耦联受体的结构与激活 1、G蛋白：
即 ： trimeric GTP-binding regulatory protein(三聚体GTP结合调节蛋白）。
组成：α、β、γ三个亚基， α 和γ亚基属于脂 锚定蛋白。 作用：分子开关，α 亚基结合GDP，分子开关处