蘇大分子生物學(xué)第十四章.ppt

1、第十四章 細(xì)胞信息傳遞和受體分子生物學(xué),第一節(jié) 細(xì)胞信息傳遞概述 第二節(jié) 受體 第三節(jié) 細(xì)胞信息的傳遞途徑及其分子機(jī)理 第四節(jié) 信息傳遞途徑的交互聯(lián)系,第一節(jié) 細(xì)胞信息傳遞概述 按照信息物質(zhì)的分泌與作用方式，可將細(xì)胞間聯(lián)絡(luò)分為三類(lèi)模式(圖14-1)：內(nèi)分泌(endocrine)、旁分泌(paracrine)和自分泌(autocrine)。,1.內(nèi)分泌是指由內(nèi)分泌腺細(xì)胞分泌信號(hào)分子，循血液途徑輸送到全身，作用于靶細(xì)胞，達(dá)到遠(yuǎn)程信號(hào)傳遞的作用，這也是經(jīng)典的激素作用概念。 2.旁分泌是指細(xì)胞分泌的信號(hào)分子作用于鄰近的細(xì)胞所進(jìn)行的信息交流。 3.自分泌是指有些細(xì)胞分泌的信號(hào)分子能作用于該細(xì)胞本身，實(shí)際

2、上，這些細(xì)胞有該信號(hào)的受體。正常細(xì)胞的發(fā)育分化過(guò)程中，就有這樣的作用。病理狀態(tài)下的腫瘤細(xì)胞，也有可能因此而導(dǎo)致生長(zhǎng)失控。,信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)包括以下步驟：特定的細(xì)胞釋放信息物質(zhì)信息物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散或血循環(huán)到達(dá)靶細(xì)胞(target cell)與靶細(xì)胞的受體特異性結(jié)合受體對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并啟動(dòng)靶細(xì)胞內(nèi)信使系統(tǒng)靶細(xì)胞產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)。人體的信息物質(zhì)和受體種類(lèi)繁多，細(xì)胞內(nèi)的信息傳遞形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(network)，故細(xì)胞的信息傳遞極其復(fù)雜。,第二節(jié) 受體 受體(receptor)是細(xì)胞膜上或細(xì)胞內(nèi)能特異識(shí)別生物活性分子并與之結(jié)合，進(jìn)而引起生物學(xué)效應(yīng)的特殊蛋白質(zhì)，個(gè)別是糖脂。能與受體呈特異性結(jié)合的生物活性分子則稱(chēng)為配體(

3、ligand)。細(xì)胞間信息物質(zhì)就是一類(lèi)最常見(jiàn)的配體。 受體在細(xì)胞信息傳遞過(guò)程中起著極為重要的作用。其中，位于細(xì)胞漿和細(xì)胞核中的受體稱(chēng)為胞內(nèi)受體，它們?nèi)繛镈NA結(jié)合蛋白。存在于細(xì)胞質(zhì)膜上的受體則稱(chēng)為膜受體，它們絕大部分是鑲嵌糖蛋白。,一、受體的分類(lèi) (一)神經(jīng)遞質(zhì)受體：乙酰膽堿受體、-氨基丁酸受體、5-羥色胺受體、多巴胺受體等。 (二)激素受體：前列腺素受體(花生四烯酸代謝產(chǎn)物)、白三烯類(lèi)受體、嘌呤受體等。 (三)攝取血漿蛋白或轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)的受體：如低密度脂蛋白受體等。 細(xì)胞粘附受體：這類(lèi)受體介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與間質(zhì)之間的相互作用,(五)化學(xué)趨向性物質(zhì)受體：如細(xì)菌的化學(xué)趨向物質(zhì)受體等。 (六)直

4、接參與免疫功能的受體：包括T和B淋 巴細(xì)胞上的抗原受體等。 (七) 藥物受體：如苯環(huán)利定受體。 (八) 毒素受體。 (九) 病原體受體。,根據(jù)現(xiàn)在對(duì)受體結(jié)構(gòu)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的認(rèn)識(shí)可將受體分為4型(表14-1)。 I型 配體門(mén)控離子通道型(direct ligandgated channel type)受體： II型 G蛋白偶聯(lián)型(G-protein coupled type)受體： III型 酶蛋白偶聯(lián)型(enzyme-coupled receptor)受體： IV型 DNA轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)型(DNA transcription-regulated type)受體：,二、受體的結(jié)構(gòu)與功能 離子通道核酸分

5、子雜交(圖14-2、3)( 表14-2) Ia型受體超家族：最典型的此型受體是n-ACh受體，它是四種亞基(、和)構(gòu)成的五聚體。 II型和III型受體超家族： 此兩型受體是在細(xì)胞膜上激活受體，即受體的配體結(jié)合部位在細(xì)胞膜上。, G蛋白偶聯(lián)受體(圖14-4) G蛋白是指一類(lèi)位于細(xì)胞膜上的GTP結(jié)合蛋白，由三個(gè)亞基組成()，因此又稱(chēng)三亞基GTP蛋白(trimeric GTP binding protein)。G蛋白有兩種形式，即無(wú)活性GDP結(jié)合形式和有活性的GTP結(jié)合形式。與之相偶聯(lián)的受體結(jié)合特異性配基后，將信息傳遞給G蛋白，使其轉(zhuǎn)換成活性形式，從而能激活下游的一系列產(chǎn)生第二信使的酶(如腺苷酸環(huán)化

6、酶、磷脂酶C、鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶等)。,根據(jù)受體同源性的差異， G蛋白偶聯(lián)型受體可分為三個(gè)超家族： 第I族：此族包括了絕大多數(shù)與G蛋白偶聯(lián)的受體，主要分兩大類(lèi)(表14-3)。 第II族：這一族包括腸促胰液素(secretin)、血管活性腸肽(VIP)、降鈣素(calcitonin)和甲狀旁腺激素受體。 第III族：代謝型谷氨酸受體。,G蛋白和它們的作用： G蛋白是聯(lián)接受體與效應(yīng)器(酶或離子通道)之間的中介物質(zhì)，是一種酶。由于在中介反應(yīng)過(guò)程中與鳥(niǎo)苷酸(GTP和GDP)結(jié)合故稱(chēng)為G蛋白。G蛋白由、和三個(gè)亞基構(gòu)成。具有酶催化活性的亞基與鳥(niǎo)苷酸結(jié)合后，可催化GTP變?yōu)镚DP的反應(yīng)。和亞基是疏水蛋白，總是以復(fù)

7、合物的形式存在于細(xì)胞膜的內(nèi)表面。圖14-5是G蛋白作用的示意圖。,G蛋白中介的反應(yīng)可分為四個(gè)階段： 第一階段為靜止態(tài)。含、和亞基。第二階段，激動(dòng)劑分子與受體結(jié)合，使受體的構(gòu)象變得易于與G蛋白結(jié)合。第三階段，/GTP在細(xì)胞膜內(nèi)擴(kuò)散，與不同的靶蛋白效應(yīng)酶或離子通道相連，引起不同的生物效應(yīng)。當(dāng)GTP酶水解/GTP成/GDP時(shí)，效應(yīng)過(guò)程終止。第四階段是/GDP從效應(yīng)靶蛋白上解離，亞基與亞基重新結(jié)合，形成復(fù)合物，從而完成了一個(gè)循環(huán)。每個(gè)循環(huán)過(guò)程起到信號(hào)放大的作用。,G蛋白的多樣性(尤其是亞基)決定了受體作用的專(zhuān)一性?，F(xiàn)在已知的G蛋白有Gs、Gi、Go、Gp和Gt。 Gs：與激活腺苷酸環(huán)化酶的受體偶聯(lián)。

8、Gi：與激活抑制腺苷酸環(huán)化酶的受體偶聯(lián)。 Go：與控制Ca2+通道的受體偶聯(lián)產(chǎn)生抑制效應(yīng)。 Gp：與激活磷脂酶C的受體偶聯(lián)。 Gt：與激活磷酸二酯酶的受體偶聯(lián)。,G蛋白偶聯(lián)型受體的特點(diǎn)： 1.都是由七個(gè)跨膜區(qū)的單一肽鏈構(gòu)成的。 2.第五和第六跨膜區(qū)之間的第三內(nèi)環(huán)較其他環(huán)大，而且是G蛋白的結(jié)合區(qū)。 3. G蛋白是一個(gè)三聚體，由、和亞基組成，亞基具有GTP酶活性。亞基的多樣性決定了受體功能的多樣性和專(zhuān)一性。 4.G蛋白的三聚體與激動(dòng)劑結(jié)合的受體偶聯(lián)后，亞基解離并激活效應(yīng)器(酶或離子通道)。 5.當(dāng)亞基結(jié)合的GTP被水解，激活效應(yīng)器的反應(yīng)即終止，此時(shí)亞基可又與亞基結(jié)合。, 酶蛋白偶聯(lián)受體 受體酪氨酸

9、激酶 受體酪氨酸激酶既是一種受體，又是一種酶。作為受體，它能特異性地與配基結(jié)合；作為酶，它能特異性地磷酸化其下游蛋白信號(hào)分子上特定的酪氨酸殘基，因而稱(chēng)激酶(kinase)。 這類(lèi)受體的基本結(jié)構(gòu)如圖14-6所示。 受體的胞內(nèi)區(qū)分為近膜部分和酪氨酸激酶部分(圖14-7), (圖14-8),與酪氨酸激酶偶聯(lián)的受體 許多細(xì)胞表面受體蛋白通過(guò)與另一種具有蛋白酪氨酸激酶活性的蛋白相聯(lián)來(lái)共同傳遞信息，因此稱(chēng)這類(lèi)受體為與酪氨酸激酶偶聯(lián)的受體(tyrosine-kinase-associated receptors)。這些酪。氨酸激酶多數(shù)是非受體型蛋白酪氨酸激酶Src家族的成員或Janus家族的成員(圖14-9

10、)。, DNA轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)型受體(圖14-10) (圖14-11) DNA轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)型(DNA transcription regulated type)受體在細(xì)胞漿或細(xì)胞核內(nèi)，因而也稱(chēng)核受體。作用于核受體的配體必須先穿過(guò)細(xì)胞膜，才能與受體結(jié)合，故這類(lèi)配體多是親脂化合物。通過(guò)此型受體產(chǎn)生效應(yīng)的有甾體類(lèi)激素，包括：皮質(zhì)激素、孕激素、雌激素和維生素D3等。 活化態(tài)受體的DNA結(jié)合區(qū)和DNA分子上的一個(gè)特殊區(qū)域一一激素反應(yīng)元件(hormone response element, HRE)結(jié)合。HRE是一短的DNA，同一受體的不同靶基因的HRE在序列上有一些不同，但通常是高度同源的。HRE位于靶基因的啟動(dòng)子

11、上游大約200個(gè)堿基。受體與HRE結(jié)合后，通過(guò)穩(wěn)定(正調(diào)節(jié))或是干擾促轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合，調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。,三、受體作用的特點(diǎn) (一) 高度專(zhuān)一性 (二) 高度親和力 可飽和性 如圖14-13顯示：增加配體濃度，可使受體飽和。 (三) 可逆性 (四) 特定的作用模式,四、受體活性的調(diào)節(jié) 若受體的數(shù)目減少和(或)對(duì)配體的結(jié)合力降低與失敏，稱(chēng)之為受體下調(diào)(down regulation)，反之則稱(chēng)為受體上調(diào)(up regulation)。受體活性調(diào)節(jié)的常見(jiàn)機(jī)制有： (一) 磷酸化和脫磷酸化作用 (二) 膜磷脂代謝的影響 (三) 酶促水解作用 (四) G蛋白的調(diào)節(jié),第三節(jié) 細(xì)胞信息的傳遞途徑及其分子機(jī)理

12、 信息傳遞的途徑就受體在細(xì)胞上的位置可分為細(xì)胞內(nèi)受體和細(xì)胞表面即膜受體介導(dǎo)的信息傳遞途徑兩大類(lèi)。 信號(hào)傳遞的主要過(guò)程是：信號(hào)分子細(xì)胞受體第二信使及其他信號(hào)傳遞物靶作用物或轉(zhuǎn)錄機(jī)構(gòu)生物效應(yīng)。其中，第二信使是細(xì)胞膜受體將外界信號(hào)轉(zhuǎn)換而成的能被細(xì)胞所識(shí)別的信號(hào)分子。不同的信號(hào)作用于不同的受體，能產(chǎn)生不同的效應(yīng)，但卻要通過(guò)共同的第二信使系統(tǒng)。,一、膜受體介導(dǎo)的信息傳遞 cAMP-蛋白激酶A途徑(圖14-14) 該途徑以靶細(xì)胞內(nèi)cAMP濃度改變和激活蛋白激酶A (protein kinase A，PKA)為主要特征，是激素調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝的主要途徑。 cAMP的合成與分解 cAMP的作用機(jī)制 cAMP對(duì)細(xì)胞

13、的調(diào)節(jié)作用是通過(guò)激活cAMP依賴(lài)性蛋白激酶(cAMP-蛋白激酶，或稱(chēng)蛋白激酶A, PKA)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。,PKA的作用 PKA被cAMP激活后，能在ATP存在的情況下使許多蛋白質(zhì)特定的絲氨酸殘基和(或)蘇氨酸殘基磷酸化，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞的物質(zhì)代謝和基因表達(dá)， Montming等首先發(fā)現(xiàn)許多cAMP誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄的真核基因啟動(dòng)子的周?chē)加幸还餐膲A基序列(5TGACGTCA 3)，并稱(chēng)其為cAMP反應(yīng)元件(cAMP response element, CRE)。能與CRE結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子稱(chēng)為CRE結(jié)合蛋白，即CREB。其作用示意圖見(jiàn)圖14-15。, Ca2+-依賴(lài)性蛋白激酶途徑 一種方式是主要存在于電興奮細(xì)

14、胞(如神經(jīng)細(xì)胞)，通過(guò)細(xì)胞外信號(hào)(動(dòng)作電位)造成的質(zhì)膜去極化而打開(kāi)電位依賴(lài)性鈣通道，使Ca2+內(nèi)流入神經(jīng)細(xì)胞。 另一種方式存在于絕大多數(shù)真核細(xì)胞中，即細(xì)胞膜外信號(hào)分子與細(xì)胞膜受體結(jié)合后，通過(guò)G蛋白轉(zhuǎn)導(dǎo)作用導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放Ca2+。因而將Ca2+也視為細(xì)胞內(nèi)重要的第二信使。,Ca2+-磷脂依賴(lài)性蛋白激酶途徑 體內(nèi)的跨膜信息傳遞方式中有一種是以三磷酸肌醇(肌醇-1,4,5三磷酸, IP3)和二脂酰甘油(DAG)為第二信使的雙信號(hào)途徑。該系統(tǒng)可以單獨(dú)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的許多反應(yīng)，又可以與cAMP-蛋白激酶系統(tǒng)及酪氨酸蛋白激酶系統(tǒng)偶聯(lián)，組成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，共同調(diào)節(jié)細(xì)胞的代謝和基因表達(dá)。 (1) IP3和DAG的生物

15、合成和功能(圖14-16),(1) PKC的生理功能 PKC廣泛地存在于機(jī)體的組織細(xì)胞內(nèi)，目前已發(fā)現(xiàn)12種PKC同工酶，它們對(duì)機(jī)體的代謝、基因表達(dá)、細(xì)胞分化和增殖起作用。 對(duì)代謝的調(diào)節(jié)作用：PKC被激活后可引起一系列靶蛋白的絲氨酸殘基和(或)蘇氨酸殘基發(fā)生磷酸化反應(yīng)。 對(duì)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)作用：PKC對(duì)基因的活化過(guò)程可分為早期反應(yīng)和晚期反應(yīng)兩個(gè)階段(圖14-17)。PKC能使立早基因(immediate-early gene)的反式作用因子磷酸化，加速立早基因的表達(dá)。,現(xiàn)將Ca2+-磷脂依賴(lài)性蛋白激酶途徑(磷酸肌醇信號(hào)通路)總結(jié)于圖14-18。,2.Ca2+-鈣調(diào)蛋白依賴(lài)性蛋白激酶途徑(Ca2+-

16、CaM激酶途徑) Ca2+便與CaM結(jié)合，導(dǎo)致CaM構(gòu)象的改變，形成CaM (Ca2+)4活性復(fù)合物。后者能進(jìn)一步激活Ca2+/CaM依賴(lài)性蛋白激酶(CaM kinase或者CaM PK)。Ca2+-CaM激酶的底物譜非常廣，可以磷酸化許多蛋白質(zhì)的絲氨酸和(或)蘇氨酸殘基，繼續(xù)將信號(hào)向下傳遞而產(chǎn)生生理效應(yīng)(圖14-19)。, cGMP-蛋白激酶途徑 cGMP信息傳遞的基本過(guò)程是： 信息分子與膜受體結(jié)合活化鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶(GC)cGMP濃度升高激活G激酶靶蛋白或酶的磷酸化反應(yīng)細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)。 激素(如心房分泌的心鈉素等)與靶細(xì)胞膜上的受體結(jié)合后，即能激活鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶，后者再催化GTP轉(zhuǎn)變成cGMP

17、。, 酪氨酸蛋白激酶途徑 受體型TPK和非受體型TPK雖都能使蛋白質(zhì)底物的酪氨酸殘基磷酸化，但它們的信息傳遞途徑有所不同。 受體型TPK-Ras-MAPK途徑(圖14-20) 又稱(chēng)為Ras通路,Ras蛋白是由一條多肽鏈組成的單體蛋白，由原癌基因ras編碼而得名。 活化的Ras蛋白可進(jìn)一步活化Raf蛋白。Raf蛋白具有絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶活性，它可激活有絲分裂原激活蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)系統(tǒng)，將信號(hào)傳入細(xì)胞核內(nèi)轉(zhuǎn)錄機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄活性(圖14-21)。MAPK系統(tǒng)包括MAPK、MAPK激酶(MAPKK)、MAPKK激酶(MAPKK

18、K)。,受體型TPK活化后還可通過(guò)激活腺苷酸環(huán)化酶、多種磷脂酶(如PI-PLC、磷脂酶A和鞘磷脂酶)等發(fā)揮調(diào)控基因表達(dá)的作用(圖14-21)。,JAKs-STAT途徑 配體與非催化型受體結(jié)合后，能活化各自的JAKs。JAKs再通過(guò)激活信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激動(dòng)子(signal transductors and activator of transcription, STAT)而最終影響到基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)。故將此途徑又稱(chēng)為JAKs-STAT信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路(圖14-22)。 由于在JAKs-STAT通路中，激活后的受體可與不同的JAKs和不同的STAT相結(jié)合，因此該途徑傳遞信號(hào)更具有多樣性和靈活性。該途徑最先在干擾素信號(hào)傳遞研究中發(fā)現(xiàn)(圖14-23)，它與Ras通路相互獨(dú)立，但表皮生長(zhǎng)因子等卻可通過(guò)這兩條途徑來(lái)發(fā)揮其作用。, 核因子 B途徑(圖14-24) 核因子 B (nuclear factor- B, NF- B)體系主要涉及機(jī)體防御反應(yīng)、組織損傷和應(yīng)激、細(xì)胞分化和凋亡以及腫瘤生長(zhǎng)抑制過(guò)程的信息傳遞。該系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)源于研究免疫球蛋白亞基。NF-B包括NF- B1、NF- B2和某些癌基因蛋白(如Rel A)等.,二、胞內(nèi)受體介導(dǎo)的信息傳遞圖14-25 細(xì)胞內(nèi)受體又可分為核內(nèi)受體和胞漿受體。 類(lèi)固醇激素與核內(nèi)受體結(jié)合后，可使受體的構(gòu)象發(fā)生改變，暴露出DNA結(jié)合區(qū)。在胞漿