高中生物竞赛课件：细胞通信与信号转导.pptx

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1、细胞通信与信号转导细胞通信与信号转导一、一、细胞通信细胞通信二、细胞的信号分子与受体二、细胞的信号分子与受体（一）细胞的信号分子一）细胞的信号分子（二）受体（二）受体（三）第二信使与分子开关（三）第二信使与分子开关三、信号转导系统及其特性三、信号转导系统及其特性一、细胞通信一、细胞通信细细胞胞通通信信(cell communication)：指细胞产生的胞胞外外信信号号与靶细胞表面相应的受受体体结合，引发受体构构象象改改变变而而激激活活，进而导致细胞内信信号号转转导导通通路路建建立立，最终调节靶细胞的代代谢谢、结结构构功功能能或或基基因因表表达达，并表现为靶细胞整体的生物学效应意义：细胞间的通

2、信对于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、分化和凋亡是必需的（一）细胞通信类型（一）细胞通信类型1.细胞通过分泌化学信号化学信号2.细胞间接触依赖性接触依赖性通信(contact-dependent signaling)3.间隙连接间隙连接(gap junction)、胞间连丝胞间连丝(plasmodesma)一、细胞通信（二）不同类型的细胞间通信方式（二）不同类型的细胞间通信方式内分泌内分泌(Endocrine)旁分泌旁分泌(Paracrine)自分泌自分泌(Autocrine)突触信号传递突触信号传递(Synaptic signaling)一、细胞通信信号

3、细胞分泌胞外信号，按其对靶细胞发挥效应的空间距离和作用方式，可分为：化学信号内分泌：在动物中由内分泌细胞分泌胞外信号分子(激素)，经血液或其他细胞外液运送到体内各相应组织，作用于靶细胞（二）不同类型的细胞间通信方式一、细胞通信化学信号旁分泌：细胞分泌局部化学介质到细胞外液，经过局部扩散作用于邻近靶细胞 多细胞生物中调节发育的许多生长因子多通过短距离起作用；刺激创伤或感染组织细胞增殖以恢复功能（二）不同类型的细胞间通信方式一、细胞通信化学信号自分泌：释放信号分子的细胞也是发挥效应的靶细胞，即对自身分泌的信号分子产生反应，常存在于病理条件下（肿瘤细胞的十大特征之一：自给自足的生长信号）（二）不同类

4、型的细胞间通信方式一、细胞通信化学信号Cell.2011 Mar 4;144(5):646-74.突出信号传递：通过化学突触传递神经信号，短距离局部作用，神经元接受刺激神经信号以动作电位的形式沿轴突传递至神经末梢电压门控的Ca2+通道将电信号转换为化学信号(神经递质或神经肽分泌)化学信号扩散经过突触间隙到达突触后膜后膜配体门控通道将化学信号转换回电信号，实现电信号-化学信号-电信号的快速转导（二）不同类型的细胞间通信方式一、细胞通信化学信号细胞直接接触，无需信号分子的释放，通过信号细胞质膜上的信号分子与靶细胞质膜上的受体分子相互作用介导细胞间的通信，在胚胎发育中对组织内相邻细胞的分化命运具有决

5、定性影响(P72)细胞间接触依赖性通信一、细胞通信细胞-细胞黏着细胞-基质黏着间隙连接和胞间连丝一、细胞通信连接子蛋白连接子间隙连接胞间连丝穿越细胞壁，由相邻细胞的细胞质膜共同组成直径为20-40nm的管状结构，中央是由sER延伸形成的链样管-信号细胞合合成成并并释释放放信号分子，转转运运信号分子至靶细胞细胞通信步骤信号分子与靶细胞表面受体特异性结合并导致受体激活活化受体启动靶细胞内一种或多种信号转导途径引发细胞代谢、功能或基因表达的改变-信号的解除并导致细胞反应终止细胞通信步骤二、二、细胞细胞的信号分子的信号分子与与受体受体细胞表面受体转导胞外信号 引 发快反应和慢反应p快反应(短期反应)：

6、改变细胞内特殊的酶类和蛋白质的活性或功能影响细胞代谢功能或细胞运动等二、二、细胞细胞的信号分子的信号分子与与受体受体细胞表面受体转导胞外信号 引 发快反应和慢反应p慢反应(长期反应)：通过修饰细胞内转录因子刺激或阻遏特异靶基因的表达改变细胞特异性蛋白的表达量p快反应(短期反应)：改变细胞内特殊的酶类和蛋白质的活性或功能影响细胞代谢功能或细胞运动等u信信号号分分子子是细胞的信信息息载载体体，包括化化学学信信号号(各类激素、局部介质和神经递质)，及物物理理信信号号(声、光、电和温度变化)u根据化学性质化学性质可分为4类：气体信号气体信号疏水性信号疏水性信号亲水性信号亲水性信号膜结合信号膜结合信号二

7、、二、细胞的细胞的信号分子信号分子与受体与受体气气体体信信号号分分子子(NO、CO)，自自由由扩扩散散进入细胞，直接激活效应酶(鸟苷酸环化酶)产生第二信使(cGMP)，参与细胞生理过程(血管平滑肌舒张血管平滑肌舒张)疏疏水水性性信信号号分分子子(甾甾类类激激素素和和甲甲状状腺腺素素)，血液长长效效信信号号，穿过质膜进入细胞，与核受体结合，调节基因表达亲亲水水性性信信号号分分子子(神神经经递递质质、局局部部介介质质和和大大多多数数蛋蛋白白质质类类激激素素)，与靶细胞表面受体结合，在细胞内产生第二信使第二信使或激活蛋白激酶或蛋白磷酸酶蛋白激酶或蛋白磷酸酶的活性膜膜结结合合信信号号分分子子，表表达达

8、于于质质膜膜，与靶细胞膜受体互作，引起细胞应答（表表11-1）二、二、细胞的细胞的信号分子信号分子与受体与受体二、细胞的信号分子与受体信号分子举例u受体(Receptor)：一类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，少数糖脂(霍乱毒素受体和百日咳毒素受体)和糖蛋白与糖脂组成的复合物(促甲状腺素受体)二、二、细胞细胞的信号分子的信号分子与与受体受体u根据在靶细胞上的存在部位分为：细胞内受体(intracellular recepor)：细胞质基质或核基质中，识别和结合小的脂溶性信号分子细胞表面受体(cell-surface receptor)：识别和结合亲水性信号分子u受

9、体(Receptor)：一类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，少数糖脂(霍乱毒素受体和百日咳毒素受体)和糖蛋白与糖脂组成的复合物(促甲状腺素受体)二、二、细胞细胞的信号分子的信号分子与与受体受体u根据在靶细胞上的存在部位分为：细胞内受体(intracellular recepor)：细胞质基质或核基质中，识别和结合小的脂溶性信号分子细胞表面受体(cell-surface receptor)：识别和结合亲水性信号分子根据信号转导机制和受体蛋白类型的不同，分属三大家族:(1)离子通道偶联受体(2)G蛋白偶联受体(3)酶联受体二、二、细胞细胞的信号分子的信号分子与与受体受

10、体u根据在靶细胞上的存在部位分为：细胞内受体(intracellular recepor)：细胞质基质或核基质中，识别和结合小的脂溶性信号分子细胞表面受体(cell-surface receptor)：识别和结合亲水性信号分子根据信号转导机制和受体蛋白类型的不同，分属三大家族:(1)离子通道偶联受体(2)G蛋白偶联受体(3)酶联受体受体的两个功能域：结合配体的功能域结合特异性产生效应的功能域效应特异性二、二、细胞细胞的信号分子的信号分子与与受体受体(1)离子通道偶联受体(ion channel-coupled receptor)受体本身既有信号(配体)结合位点，又是离子通道，跨膜信号转导无需中

11、间步骤，又称配体门控通道(ligand-gated channel)或 递 质 门 控 通 道(transmitter-gated channel)二、二、细胞细胞的信号分子的信号分子与与受体受体(2)G蛋白偶联受体(G-protein-coupled receptor,GPCR)细胞表面受体中最大的家族二、二、细胞细胞的信号分子的信号分子与与受体受体(3)酶联受体(Enzyme-linked receptors)两类：A.受体胞内结构域具有潜在酶活性B.受体本身不具酶活性，而是受体胞内段与酶相联系二、二、细胞细胞的信号分子的信号分子与与受体受体靶细胞对外界特殊信号分子的反应 特异反应取决于细

12、胞具有的相应受体，细胞对外界信号分子的敏感性既取决于细胞表面受体的数量，也取决于受体对配体的亲和性非共价键结合，可描述为可逆性的双分子相互作用的热动力学平衡反应R：受体浓度L：配体浓度RL：受体-配体复合物浓度Kd：细胞表面受体达到50%被占据时所需的配体分子浓度二、二、细胞细胞的信号分子的信号分子与与受体受体 特异反应取决于细胞具有的相应受体，细胞对外界信号分子的敏感性既取决于细胞表面受体的数量，也取决于受体对配体的亲和性非共价键结合，可描述为可逆性的双分子相互作用的热动力学平衡反应 受体与信号分子空间结构的互补性是二者特异结合的主要因素，但非一对一的关系靶细胞对外界特殊信号分子的反应二、二

13、、细胞细胞的信号分子的信号分子与与受体受体不同类型细胞对同一种化学信号分子可能具有不同的受体乙酰胆碱乙酰胆碱骨骼肌细胞收缩唾腺细胞分泌心肌细胞收缩频率靶细胞对外界特殊信号分子的反应二、二、细胞细胞的信号分子的信号分子与与受体受体第二信使与分子开关第二信使学说(Second messenger theory)：胞外化学信号(第一信使)不能进入细胞，作用于细胞表面受体，导致产生胞内信号(第二信使)，从而引发靶细胞内一系列生化反应，最后产生一定的生理效应For his discoveries concerning the mechanisms of the action of hormonesAro

14、und 1960 he showed how cyclic adenosine monophosphate(cAMP)serves as the secondary messenger within the cell.The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1971二、二、细胞细胞的信号分子的信号分子与与受体受体体外实验证明，向肝组织切片加入肾上腺素时，可明显导致糖原磷酸化酶活性增加，并促进糖原分解为葡萄糖，从而发现cAMPFor his discoveries concerning the mechanisms of the action of h

15、ormonesAround 1960 he showed how cyclic adenosine monophosphate(cAMP)serves as the secondary messenger within the cell.The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1971第二信使与分子开关二、细胞的信号分子与受体第二信使：在胞内产生的非蛋白类小分子，其浓度变化应答胞外信号与细胞表面受体的结合，调节细胞内酶和非酶蛋白质的活性，从而在细胞信号转导途径中行使携带和放大信号的功能，包括:cAMP、cGMP、Ca2+、二酰甘油(DAG)、1,4,

16、5-三磷酸肌醇(IP3)第二信使与分子开关二、细胞的信号分子与受体细胞信号转导过程中，还有进化上保守的胞内蛋白，通过激活机制和失活机制精确控制细胞内一系列信号传递的级联反应（1 1）GTPGTP酶分子开关调控蛋白（2 2）蛋白激酶/蛋白磷酸酶（3 3）钙调蛋白第二信使与分子开关二、细胞的信号分子与受体（1）GTP酶分子开关调控蛋白GTP酶超家族:p三聚体GTP结合蛋白p单体GTP结合蛋白(Ras、Rab)GEF：鸟苷酸交换因子GAP：GTP酶促进蛋白RGS：G蛋白信号调节子GDI：鸟苷酸解离抑制物第二信使与分子开关二、细胞的信号分子与受体（2）蛋白激酶/蛋白磷酸酶蛋白激酶(protein ki

17、nase)使靶蛋白磷酸化，蛋白磷酸酶(protein phosphatase)使靶蛋白去磷酸化，从而调节靶蛋白的活性蛋白质磷酸化和去磷酸化可以改变蛋白质的电荷并改变蛋白质构象，导致蛋白活性增强或降低两种形式的蛋白激酶：酪氨酸激酶丝/苏氨酸激酶第二信使与分子开关蛋白磷酸酶蛋白激酶二、细胞的信号分子与受体“for their discoveries concerning reversible protein phosphorylation as a biological regulatory mechanism”The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1

18、992第二信使与分子开关二、细胞的信号分子与受体（3）钙调蛋白(Calmodulin)p每个CaM分子具有4个Ca2+离子结合位点pCaM通过与Ca2+的结合或解离而分别处于活化或失活的“开启”或“关闭”状态pCa2+-CaM复合物可结合多种酶及其它靶蛋白，修 饰 其 活 性(P243)第二信使与分子开关三三、信号转导信号转导系统及其特性系统及其特性（一）信号转导系统的基本组成及信号蛋（一）信号转导系统的基本组成及信号蛋白的相互作用白的相互作用（二）细胞内信号蛋白复合物的装配（二）细胞内信号蛋白复合物的装配（三）信号转导系统的主要特征（三）信号转导系统的主要特征（一）信号转导（一）信号转导系统

19、的基本系统的基本组成组成细细胞胞表表面面受受体体介介导导的的信信号号通通路路5个个步骤组成：步骤组成：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，导致受体激活受体激活受体构象改变，导致信号初级跨膜转导，靶细胞内产生第第二二信信使使或活化的信号蛋白或活化的信号蛋白胞内第二信使或胞内信号蛋白复合物装配，起始胞胞内内信信号号放放大大的的级联反应级联反应细胞应答细胞应答反应受体脱敏或受体下调，终终止止或或降降低细胞反应低细胞反应（一）信号转导（一）信号转导系统的基本系统的基本组成组成蛋白质模式结合域p细胞内信号蛋白的相互作用是靠蛋白质模式结合域特异性介导p模式结合域：u通常由40120个氨基

20、酸残基组成u一侧有较浅凹陷的球形结构域u不具酶活性、但能识别特定基序或蛋白质上特定修饰位点u与识别对象的亲和性较弱，有利于快速和反复进行精细的组合式网络调控（一）信号转导（一）信号转导系统的基本系统的基本组成组成pSH2(Src homology 2 domain)：研究蛋白质互作的原型模式结构域，由约100个氨基酸残基组成，可特异性结合围绕磷酸酪氨酸残基的氨基酸序列(酶、癌蛋白、锚定蛋白、接头蛋白、调节蛋白、转录因子)pSHSH3 3结构域：结合富含脯氨酸序列IRS：胰岛素受体底物蛋白质模式结合域（二）细胞内信号蛋白复合物的装配（二）细胞内信号蛋白复合物的装配p信号蛋白复合物的形成在时空上增

21、强细胞应答反应的速度、效率和反应的特异性p装配的三种策略：（1）细胞表面受体和某些细胞内信号蛋白通过与大的支架蛋白结合预先形成细胞内信号复合物，当受体结合胞外信号被激活后，再依次激活细胞内信号蛋白并向下游传递（二）细胞内信号蛋白复合物的装配（二）细胞内信号蛋白复合物的装配p装配的三种策略：（2）细胞表面受体结合胞外信号被激活后，受体胞内段多个氨基酸残基位点发生自磷酸化作用，为细胞内不同的信号蛋白提供锚定位点，形成短暂的信号转导复合物分别介导下游事件（二）细胞内信号蛋白复合物的装配（二）细胞内信号蛋白复合物的装配p装配的三种策略：（3）受体结合胞外信号被激活后，在邻近质膜上形成修饰的肌醇磷脂分子

22、，从而募集具有PH结构域(与肌醇磷脂结合)的信号蛋白，装配形成信号复合物(三三)信号转导系统的主要信号转导系统的主要特征特征1.特异性特异性受体与配体通过结结构构互互补补以以非非共共价价键键结合，形成受体-配体复合物，具有“结合结合”特异性特异性受体结合配体后改改变变构构象象而被激活，介导特特定定细细胞胞反应反应，表现出“效应器效应器”特异性特异性配体与受体的结合具有饱和动力学特征饱和动力学特征(三三)信号转导系统的主要信号转导系统的主要特征特征2.放大效应放大效应第第一一信信使使与细胞表面受体结合低分子量第第二二信信使使浓浓度度或或与下游酶或蛋白结合，修饰其活性，引发细胞内信号放大的级联反应蛋白磷酸化级联反应(三三)信号转导系统的主要信号转导系统的主要特征特征3.网络化与反馈调节机制网络化与反馈调节机制正反馈与负反馈校正反应的速率和强度，归纳整理信号(三三)信号转导系统的主要信号转导系统的主要特征特征4.整合作用整合作用