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1 第八章细胞通信 CELL COMMUNICATION

2 FUNCTIONS OF CELL COMMUNICATION Gene transcription Cell proliferation Cell survival Cell death Cell differentiation Cell function Cell motility Immune responses

3 第一节基本概念

4 一 几个容易混淆的概念 细胞信号发放 (cell signaling) 细胞通讯 (cell communication) 细胞识别 (cell recognition) 信号转导 (signal transduction)

5 二 细胞信号分子 成分 : 短肽 蛋白质 气体分子 (NO CO) 氨基酸 核苷酸 脂类 胆固醇衍生物 特点 :1 特异 ;2 高效 ;3 可被灭活 类别 : 脂溶性 水溶性信号分子

6 Some signal molecules

7 第一信使 : 水溶性信号分子 ( 如神经递质 ) 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, 称第一信使 第二信使 : 起信号转换和放大的作用, 如 camp cgmp IP 3 DAG Ca 2+

8 三 受体 (receptor) 能够识别和选择性结合某种配体 ( 信号分子 ), 多为糖蛋白, 分子上具有配体结合区域和产生效应的区域 特点 :1 特异性 ;2 饱和性 ;3 高度的亲和力 类别 : 细胞内受体和细胞表面受体

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10 细胞对信号的反应不仅取决于其受体的特异性, 而且与细胞的固有特征有关 相同信号可产生不同效应 : 如 Ach 可引起骨骼肌收缩 心肌收缩频率降低, 唾腺细胞分泌 不同信号可产生相同效应 : 如肾上腺素 胰高血糖素, 促进肝糖原降解而升高血糖

11 四 蛋白激酶 是一类磷酸转移酶, 将 ATP 的 γ 磷酸基转移到底物特定氨基酸残基上, 使蛋白磷酸化 分为 5 类, 其中了解较多的是蛋白酪氨酸激酶 蛋白丝氨酸 / 苏氨酸激酶 作用 : 通过磷酸化调节蛋白质的活性

12 Protein kinases

13 五 胞间通信的主要类型 ( 一 ) 细胞间隙连接 连接子中央为直径 1.5nm 的亲水性孔道, 允许小分子如 Ca 2+ camp 通过 作用 : 协同相邻细胞对外界信号的反应, 如可兴奋细胞的电耦联现象 ( 电紧张突触 )

14 connexon

15 ( 二 ) 膜表面分子接触通讯 即细胞识别, 如 : 精子和卵子之间的识 别,T 与 B 淋巴细胞间的识别

16 ( 三 ) 化学通讯 细胞分泌一些化学物质 ( 如激素 ) 至细胞外, 作为信号分子作用于靶细胞, 调节其功能, 可分为 4 类

17 内分泌 : 内分泌激素随血液循环输至全身, 作用于靶细胞 特点 :1 低浓度 ( M ),2 全身性,3 长时效 旁分泌 : 信号分子通过扩散作用于邻近的细胞 包括 :1 各类细胞因子 ;2 气体信号分子 突触信号发放 : 神经递质经突触作用于靶细胞 自分泌 : 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

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19 第二节膜表面受体介导的信号转导 1 离子通道型受体 ; 2G 蛋白耦联型受体 ; 3 酶耦联的受体 第一类存在于可兴奋细胞, 后两类存在于大多数细胞

20 Cell surface receptors

21 一 离子通道型受体 受体本身为离子通道, 即配体门通道 主要存在于神经 肌肉等可兴奋细胞, 信号分子为神经递质 分为 : 阳离子通道, 如乙酰胆碱受体 ; 阴离子通道, 如 γ- 氨基丁酸受体

22 Chemical synapse

23 Acetylcholine receptor

24 Three conformation of the acetylcholine receptor

25 Ion-channel linked receptors in neurotransmission

26 二 G 蛋白耦联型受体 7 次跨膜蛋白, 胞外结构域识别信号分子, 胞内结构域与 G 蛋白耦联, 调节相关酶活性, 在胞内产生第二信使 类型 :1 多种神经递质 肽类激素和趋化因子受体,2 味觉 视觉和嗅觉感受器 相关信号途径 :camp 途径 磷脂酰肌醇途径

27 G-protein linked receptor

28 三聚体 GTP 结合蛋白, 即,G 蛋白 : 组成 :αβγ,α 和 γ 属脂锚定蛋白 作用 : 分子开关 α 亚基结合 GDP 失活, 结合 GTP 活化 α 也是 GTP 酶, 催化结合的 ATP 水解, 恢复无活性状态, 其 GTP 酶活性可被 GAP 增强

29 ( 一 )camp 信号途径 通过调节胞内 camp 的浓度, 将细胞外信号转变为细胞内信号 主要组分 : 1 受体 :Rs Ri 2G 蛋白 :Gs Gi

30 3 腺苷酸环化酶 : 跨膜 12 次 在 Mg 2+ 或 Mn 2+ 的存在下, 催化 ATP 生成 camp Adenylate cyclase

31 4 蛋白激酶 A(Protein Kinase A,PKA): 由两个催化亚基和两个调节亚基组成 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, 激活蛋白激酶 A 的活性

32 5 环腺苷酸磷酸二酯酶 (PDE): 降解 camp 生成 5 AMP, 终止信号 Degredation of camp

33 Gs 调节模型 : 激素与 Rs 结合,Rs 构象改变, 与 Gs 结合,Gs 的 α 亚基排斥 GDP, 结合 GTP 而活化,Gs 解离出 α 和 βγ α 亚基活化腺苷酸环化酶, 将 ATP 转化为 camp βγ 亚基复合物可直接激活某些胞内靶分子

34 GTP-binding regulatory protein

35 camp 信号途径可表示为 : 激素 受体 G 蛋白 腺苷酸环化酶 camp 蛋白激酶 A 基因调控蛋白 基因转录 霍乱毒素能催化 ADP 核糖基共价结合到 Gs 的 α 亚基上, 使 α 亚基持续活化, 导致患者细胞内 Na + 和水持续外流, 产生严重腹泻而脱水

36 不同细胞对 camp 信号途径的反应 : 在肌肉细胞,1 秒钟内可启动糖原降解为葡糖 1 磷酸, 而抑制糖原合成 在某些分泌细胞, 需要几个小时, 激活的 PKA 进入细胞核, 将 CRE (camp response element ) 结合蛋白磷酸化, 调节相关基因的表达 CRE 是 DNA 上的调节区域

37 Glycogen breakdown in skeletal muscle

38 camp activate protein kinase A, which phosphorylate CREB (CRE binding protein )protein and initiate gene transcription. CRE is camp response element in DNA with a motif 5'TGACGTCA3'

39 Gi 调节模型 1 通过 α 亚基与腺苷酸环化酶结合, 直接抑制酶的活性 ; 2 通过 βγ 亚基复合物与游离 Gs 的 α 亚基结合, 阻断 Gs 的 α 亚基对腺苷酸环化酶的活化 百日咳毒素抑制 Gi 的活性

40 ( 二 ) 磷脂酰肌醇途径 又称双信使途径 信号分子与 G 蛋白耦联受体结合, 激活质膜上的磷脂酶 C(PLC β), 使 4,5 二磷酸磷脂酰肌醇 (PIP 2 ) 水解成 IP 3 和 DAG

41 Inositol phospholipid signaling Mimicked by ionomycin

42 PIP 2 Hydrolysis

43 IP3 开启胞内 IP3 门控钙通道 : Ca2+ 浓度升高, 激活钙调蛋白,CaM 将靶蛋白 ( 如 : CaM-Kinase) 活化 DAG 激活蛋白激酶 C:PKC 位于细胞质,Ca2+ 浓度升高时 PKC 转位到质膜内表面, 被 DAG 活化

44 信号的终止 : IP 3 信号 : 去磷酸化为 IP 2 ; 磷酸化为 IP 4 Ca 2+ 信号 : 被钙泵和 Na + Ca 2+ 交换器抽出细胞, 或被泵回内质网 DAG 信号 : 被 DAG 激酶磷酸化为磷脂酸 ; 或被 DAG 酯酶水解成单酯酰甘油

45 Controls on Cytosolic Calcium

46 ( 三 ) 其它 G 蛋白偶联型受体 1. 化学感受器中的 G 蛋白 气味分子与受体结合, 激活腺苷酸环化酶, 产生 camp, 开启 camp 门控阳离子通道, 引起钠离子内流, 膜去极化, 产生神经冲动, 形成嗅觉或味觉

47 2004 年 Axel 和 Buck 因发现气味受体和化学感 受器系统的组成而获诺贝尔生理与医学奖 Richard Axel Linda B. Buck

48 2. 视觉感受器中的 G 蛋白 黑暗时视杆细胞中 cgmp 浓度较高,cGMP 门控钠通道开放, 钠内流, 膜去极化, 突触持续向次级神经元释放递质 有光时视紫红质作用于 G 蛋白, 激活磷酸二酯酶,cGMP 浓度下降, 形成光感受

49 cgmp in Photoreception 视紫红质为 7 次跨膜蛋白, 由视蛋白和视黄醛组成 其信号途径为 : 光信号 Rh 激活 Gt 活化 cgmp 磷酸二酯酶激活 胞内 cgmp 减少 Na+ 离子 通道关闭 离子浓度下降 膜超极化 神经递质释放减少 视觉反应

50 G 蛋白偶联型受体的钝化 细胞通过受体钝化适应持续刺激 : 1 受体失活 (receptor inactivation); 2 受体隐蔽 (receptor sequestration); 3 受体下行调节 (receptor down regulation)

51 ( 四 ) 小 G 蛋白 (Small G Protein) 特点 : 分子量小, 为单体 功能 : 与 Gα 类似, 起分子开关的作用 类型 :Ras Rho 微管蛋白 β 亚基 调节因子 :GEF GDI GAP 等

52 三 酶耦联型受体 enzyme linked receptor 定义 : 本身具有激酶活性 ; 或者可以连接非受体酪氨酸激酶 类别 :1 受体酪氨酸激酶 2 受体丝氨酸 / 苏氨酸激酶 3 受体酪氨酸磷脂酶 4 酪氨酸激酶连接的受体 5 受体鸟苷酸环化酶 6 组氨酸激酶连接的受体 ( 与细菌的趋化性有关 )

53 特点 : 1 单次跨膜蛋白 ; 2 接受配体后发生二聚化和自磷酸化, 起动下游信号转导

54 ( 一 ) 受体酪氨酸激酶 1 酪氨酸激酶 1 胞质酪氨酸激酶 : 如 Src JAK; 2 核内酪氨酸激酶 : 如 :Abl Wee; 3 受体酪氨酸激酶 : 如 EGF 受体 相关信号途径 :RAS 途径 PI3K 途径 磷脂酰肌醇途径

55 Receptor tyrosine kinases

56 Receptor tyrosine kinases

57 2 信号分子间的识别结构域 1SH2 结构域 : 介导信号分子与含磷酸酪氨酸的蛋白结合 2SH3 结构域 : 介导信号分子与富含脯氨酸的蛋白结合 3PH 结构域 : 与 PIP 2 PIP 3 IP 3 等结合

58 3 RAS 信号途径 RPTK 结合信号分子活化, 激活 RAS; RAS 的调节因子具有 GEF GAP; GEF 需要通过接头蛋白与 RPTK 连接 活化的 RAS 启动蛋白激酶的磷酸化级联反应, 激活转录因子, 调节基因表达 ;

59 RPTK-Ras Pathway 配体 RPTK adaptor GEF Ras Raf (MAPKKK) MAPKK MAPK 细胞核 转录因子 基因表达 MEK Homo sapiens MAP kinase kinase

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64 PI3K PATHWAY

65 PDK is phosphoinositol dependent kinase Akt is PKB, influence cell survival

66 ( 二 ) 受体丝氨酸 / 苏氨酸激酶 配体是转化生长因子 βs 家族成员, 包括 TGF β1 5 依细胞类型不同, 可抑制细胞增殖 刺激胞外基质合成 刺激骨骼的形成 通过趋化性吸引细胞 作为胚胎发育过程中的诱导信号等

67 ( 三 ) 受体酪氨酸磷酯酶 使特异的胞内信号蛋白去磷酸化 控制磷酸酪氨酸残基的寿命, 使静止细胞具有较低的磷酸酪氨酸残基水平 与酪氨酸激酶协同工作, 如参与细胞周期调控

68 ( 四 ) 受体鸟苷酸环化酶 位于肾和血管平滑肌细胞, 配体为 ANP 或 BNP 血压升高时, 心房肌细胞分泌 ANP, 促进肾细胞排水 排钠, 血管平滑肌松弛, 血压下降 信号途径为 : 配体 受体鸟苷酸环化酶 cgmp 依赖 cgmp 的蛋白激酶 G(PKG) 靶蛋白的丝氨酸 / 苏氨酸残基磷酸化而活化

69 ( 五 ) 细胞因子受体超家族 包括各类细胞因子 ( 如干扰素 ) 的受体, 在造血细胞和免疫细胞通讯上起作用 受体本身不具有酶活性, 但可连接胞内酪氨酸蛋白激酶 ( 如 JAK), 信号途径为 JAK-STAT 或 RAS 途径

70 JAK 属非受体酪氨酸激酶, 底物为 STAT, 即信号转导子和转录激活子 配体 受体二聚化 JAK STAT 基因表达 JAK/STAT Pathway

71 第三节胞内受体介导的信号传导

72 一 甾类激素 受体是胞内激素激活的基因调控蛋白 受体与配体 ( 如皮质醇 ) 结合, 使抑制性蛋白与受体分离, 暴露与 DNA 的结合位点 受体结合的序列是受体依赖的转录增强子

73 Steroid hormone receptors

74 受体具有 3 个结构域 : C 端的激素结合位点 ; 中部富含 Cys 具有锌指结构的 DNA 或 Hsp90 结合位点 ; N 端的转录激活结构域 激素直接激活的基因产物属于转录因子, 而后引起更多的基因表达

75 二 NO NO 作用于邻近细胞 NO 在血管内皮细胞和神经细胞中生成, 由一氧化氮合酶 (NOS) 催化, 以 L 精氨酸为底物,NADPH 为电子供体, 生成 NO 和 L 瓜氨酸

76 NO 的作用机理 : 乙酰胆碱 血管内皮 Ca 2+ 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 Ca 2+ 离子浓度下降 平滑肌舒张 血管扩张 血流通畅 硝酸甘油治疗心绞痛具有百年的历史, 其作用机理是在体内转化为 NO

77 Guanylate cyclase

78 Regulation of contractility of arterial smooth muscle by NO and cgmp

79 1998 年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 Robert F. Furchgott Louis J. Ignarro Ferid Murad

1. 细胞概述

1. 细胞概述 第二节细胞通讯与信号传递 1 细胞通讯的一般过程 信号分子的产生本节内容 : 信号分子 细胞的通讯与细胞识别 细胞识别 (Cell recognition) 信号传递受体蛋白 信号传递网络 信号转导 (Signal transduction) 胞内信号 特定基因表达 应答反应 细胞通讯与信号传递引起的反应 酶活性的变化 基因表达的变化 细胞骨架构型 通透性的变化 DNA 合成活性的变化 细胞死亡程序的变化等

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