分子生物学信号转导
分子生物学名词解释
分子生物学：从广义来讲，分子生物学是从分子水平阐明生命现象和生物学规律的一门新兴的边缘学科。
它主要对蛋白质及核酸等生物大分子结构和功能以及遗传信息的传递过程进行研究。
DNA重组技术:DNA重组技术（又称基因工程）是将DNA片段或基因在体外经人工剪接后，按照人们的设计与克隆用载体定向连接起来，转入特定的受体细胞中与载体同时复制并得到表达，产生影响受体细胞的新的遗传性状。
信号转导:是指外部信号通过细胞膜上的受体蛋白传到细胞内部，并激发诸如离子通透性、细胞形状或其它细胞功能方面的应答过程。
转录因子:是指一群能与基因5′端上游特定序列专一结合，从而保证目的基因以特定强度在特定时间和空间表达的蛋白质分子。
功能基因组：又称后基因组，是在基因组计划的基础上建立起来的，它主要研究基因及其所编码蛋白质的结构和功能，指导人们充分准确地利用这些基因的产物。
结构分子生物学:就是研究生物大分子特定空间结构及结构的运动变化与其生物学功能关系的科学。
生物信息学：是生物科学和信息科学重大交叉的前沿学科，它依靠计算机对所获得数据进行快速高效计算、统计分类以及生物大分子结构功能的预测。
染色体：是指存在于细胞核中的棒状可染色结构，由染色质构成。
染色质是由DNA、RNA和蛋白质形成的复合体。
染色体是一种动态结构，在细胞周期的不同阶段明显不同。
C-值（C-value）:一种生物单位体基因组DNA的总量。
C-值矛盾（C-value paradox）：基因组大小与机体的遗传复杂性缺乏相关性。
核心DNA（core DNA）：结合在核心颗粒而不被降解的DNA。
连接DNA（linker DNA）：重复单位中除核心DNA以外的其它DNA。
DNA多态性：指DNA序列中发生变异而导致的个体间核苷酸序列的差异，主要包括单核苷酸多态性和串联重复序列多态性两类。
DNA的一级结构：是指4种核苷酸的排列顺序，表示了该DNA分子的化学组成。
又由于4种核苷酸的差异仅仅是碱基的不同，因此又是指碱基的排列顺序。
分子生物学课件-信号转导
效應部位
聚合型受體
受體的分子結構
二、膜受體的特性
1. 特異性及其非絕對性
特異性：分子間立體構象互補 非絕對性：一種化學信號可以與一種以
上受體結合，引起不同生物學效應。
腎上腺素：α受體：平滑肌收縮 β受體：平滑肌鬆弛
二、膜受體的特性
1. 特異性及其非絕對性 2. 可飽和性：受體數目有限
二、膜受體的特性
4244kd
效應蛋白 啟動腺苷酸環化酶、Ca2+通道、抑制Na+通道 啟動腺苷酸環化酶、Ca2+通道、抑制Na+通道 啟動腺苷酸環化酶、Ca2+通道、抑制Na+通道 抑制腺苷酸環化酶 抑制Ca2＋通道、激活K＋通道 啟動磷脂酶C，激活(?)/抑制(?)磷脂酶A2 抑制Ca2＋通道 啟動磷脂酶C，激活(?)/抑制(?)磷脂酶A2 啟動視細胞磷酸二脂酶 啟動視細胞磷酸二脂酶 啟動味覺上皮細胞磷酸二脂酶 抑制腺苷酸環化酶 啟動磷脂酶C
的
啟動劑
（需）鈣蛋白酶 蛋白酶
PI特異的PLC IP3和DAG的 生成劑
α-輔基蛋白 肌動蛋白結合蛋
白 鈣調磷酸酶B 磷酸酶
膜連蛋白
涉及胞吞胞吐
蛋白
蛋白的功能
凝溶膠蛋白
肌動蛋白切斷蛋白
Ca2+逆向轉運蛋白 Ca2+與單價離子
交換蛋白
鈣調結合蛋白 調節肌肉收縮
絨毛蛋白
肌動蛋白的組織者
Ca2+ -ATP酶 Ca2+跨膜運輸泵
G蛋白異三聚體的分子結構
G蛋白的作用機制
1. 靜息狀態下，G蛋白以異三聚體形式存在於細胞膜上，亞 基與GDP相結合，並與受體呈分離狀態；
2. 配體與受體結合，使亞單位與受體 結合，G蛋白構象改變， 亞基轉而 與GTP結合；
分子生物学技术在细胞信号转导研究中的应用
分子生物学技术在细胞信号转导研究中的应用细胞信号转导是细胞内外信息交换的重要过程。
在这个过程中，一些信号物质会与细胞膜上的受体相互作用，从而诱导信号通路的启动。
信号转导通路涉及到许多分子和细胞因子的相互作用，其中包括细胞内信号转导通路、细胞间信号分子、荷尔蒙、细胞外基质等。
而分子生物学技术的发展为我们更深入地了解信号转导通路提供了新的方法和手段。
第一种分子生物学技术是基础研究中常用的“GFP标记”，GFP全称绿色荧光蛋白，它是源自于鹿角菜的一种蛋白质，具有一定的发光性质。
在细胞中，可以将GFP和各种细胞因子进行结合，从而在实验中观察到它们的位置和分布。
例如，如果将GFP与细胞质钙调素相结合，就可以在细胞中观察到细胞内钙浓度的变化，进而了解钙信号的调节机制。
类似地，我们可以通过标记不同的信号分子，在细胞中观察它们的运动和相互作用，更加深入地了解细胞信号转导的机制。
第二种分子生物学技术是RNA干扰技术。
RNA干扰是一种通过siRNA和miRNA干扰对应mRNA从而影响基因表达的技术。
这种技术可以用于筛选对信号转导通路起作用的分子。
例如，我们可以通过siRNA干扰某种激酶的基因表达，观察对信号通路的影响，从而了解这种激酶对信号转导的作用。
此外，通过RNA干扰技术，我们也可以探索新的信号转导通路。
第三种分子生物学技术是蛋白质质谱技术。
蛋白质质谱是一种能够高通量地鉴定和定量蛋白质的技术，它几乎适用于所有生物系统。
通过该技术，可以鉴定出特定信号转导通路中出现过的所有蛋白质，以及它们之间的关系和相互作用。
例如，我们可以使用该技术研究某些信号转导通路中的调节因子，来了解这些因子对信号转导的调控作用。
第四种分子生物学技术是蛋白质芯片技术。
蛋白质芯片是一种高通量的分析方法，通常用于同时检测大量的蛋白质。
它可以用于研究蛋白质的细胞内定位和表达水平等，同时还可以用于筛选信号转导通路相关的蛋白质。
通过这种技术，我们可以快速地获取有关信号转导通路中大量蛋白质的信息。
生长发育中的信号转导途径
生长发育中的信号转导途径生长发育是体内各种组织从胚胎时期开始一直进行的过程，它依靠着信号转导途径来控制和协调，形成各种细胞和器官。
信号转导途径是一种非常重要的通路，其作用是让细胞去感知外界的信号，通过内部调整来实现适应环境和求生存的目的。
信号转导途径是一种分子生物学的过程。
在其中，外界的刺激会激活细胞表面的受体，使其结构发生变化，进而启动一系列下游分子的级联反应。
这些分子通常是酶、小分子、蛋白质酶、激酶、组织蛋白等，它们沿着信号转导途径进行相互作用和调节，最终将信息传递给命令细胞内部去执行相关的生理活动。
在生长发育中，信号转导途径可以通过两种方式来实现对细胞的控制。
第一种方式是通过细胞外生长因子和细胞内激酶级联体系来控制细胞的增殖和分化。
这些生长因子通常由周围组织或组织本身分泌，并结合到细胞表面上对受体进行激活。
激活受体后，激酶活性的增强会导致一系列反应，最终导致细胞运动、增殖、分化、分泌和凋亡等多种生理活动。
第二种方式是通过信号通路共享与交叉关联来调节多个生理活动。
这种交叉关联通常是通过细胞内信号分子的“会话”来完成的。
对于一个细胞来说，当外界许多信号同时作用于其表面时，它们不会单独进行反应，而是通过交叉关联完成复杂的生理过程。
这种复杂性是基于信号分子结构多目的性和在不同情景下的表现出来的差异。
在信号转导途径中，蛋白质激酶是一种非常重要的酶类。
通常，在细胞内部，激酶被激活后会磷酸化其它蛋白质，进而进行信号传导。
同时，磷酸化的蛋白质也可以调节激酶活性，从而控制细胞的生理过程。
另外，磷酸化酪氨酸和苏氨酸的kinase通常也会参与信号转导途径中的活动。
在生长发育中，信号转导途径也经常受到很多外部因素的影响。
例如生物节律、全方位的温度、干旱或湿度变化等，当这些因素改变时，细胞的信号转导途径也会相应发生变化，从而实现对环境的适应。
总的来说，信号转导途径是重要的调节生长发育的一种内在机制。
它通过一系列分子调节机制，来识别外部刺激和调节细胞内部的生理活动。
分子生物学中的信号转导
分子生物学中的信号转导信号转导是一种重要的生物学现象，是细胞之间、细胞内产生相互作用的过程。
在细胞膜外部和内部，将分子信息转换为具有不同生物学意义的生化变化，是细胞的一种功能。
一、信号转导的概念信号转导是一种细胞内的相互作用过程，细胞通过转化和传输信息，从而引起生化效应。
信号传递被看作通过多种酶路径和介导分子相互配合的复杂化学过程，也是一种复杂的细胞调控机制。
二、信号转导的方式1. 内源信号转导：由于细胞内常常存在一些内部通向催化反应的通途或生物感应器。
当这些通路或感应器受到外部各种信号的刺激时，就会引起内部催化反应系统的活化，产生新的信号，从而调节细胞的生物学效应。
2.外源信号转导：多数情况下是外源信号在细胞膜表面协同产生对信号转导的影响，如感光细胞、味觉细胞和嗅觉细胞的接受和识别等。
三、信号转导的机制细胞膜外受体：细胞膜外受体是细胞膜上比较特殊的蛋白质，它们的分子结构是目前认识的较为复杂的分子，可通过复杂的糖化和磷酸化过程产生多种功能。
这些受体的作用在于，接收细胞外的化学、生物物质，并传递到细胞内。
次级信号产生器：在信息的传输过程中，细胞内次级信号产生器是信号传递的最重要的分子分支。
次级信号产生器一般是对环境进行反应的，如酶、离子通道以及细胞骨架。
核酸和蛋白质：核酸和蛋白质是信号转导的具体产生物，一些酶和离子可引起核酸和蛋白质的合成和破坏。
四、信号转导的应用1. 治疗癫痫：癫痫是一种中枢神经系统疾病，目前常常采用神经递质的抑制来治疗。
通过信号转导的临床应用，可以对癫痫的病因做出更精确的判断。
2. 治疗肺部疾病：肺部疾病如肺癌、铁偏卟啉症等，通过信号转导的方法，可以定位肺部细胞病变的组织和细胞，及时进行干预和治疗。
综上所述，信号转导在分子生物学和医学领域中应用广泛，同时也是细胞生物学中的重要研究方向之一。
未来，信号转导机制的研究将有助于深入了解细胞内的生理过程，为疾病预防和治疗提供更精确的方法和手段。
医学分子生物学第六章_信号转导
调节蛋白质功能 水平，调节细胞分化和增
和表达水平
殖
受体的结构特点
• 结合结构域-----识别外源信号分子并与之结 合
• 效应结构域-----转换配体信号，使之成为细 胞内分子可识别的信号
3、信号转导分子和分子开关
• 信号转导分子（signaling molecule）：细 胞内执行信号转导的成分的一些蛋白质分 子和小分子活性物质。
• 信号转导分子组织在支架蛋白上的意义：
① 保证相关信号转导分子容于一个隔离而稳定的信号转导 通路内，避免与其他不需要的信号转导通路发生交叉反 应，以维持信号转导通路的特异性；
② 增加调控复杂性和多样性。
信号转导通路中的一些环节是由多种分子聚集形成的 信号转导复合物（signaling complex）来完成信号 传递的。
激酶
磷酸基团的受体
蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶 蛋白酪氨酸激酶 蛋白组/赖/精氨酸激酶 蛋白半胱氨酸激酶 蛋白天冬氨酸/谷氨酸激酶
丝氨酸/苏氨酸羟基 酪氨酸的酚羟基 咪唑环，胍基，ε-氨基 巯基 酰基
蛋白磷酸酶衰减或终止蛋白激酶诱导的效应
• 蛋白质磷酸酶(phosphatidase)使磷酸化的 蛋白分子发生去磷酸化，与蛋白激酶共同 构成了蛋白质活性的调控系统。
及信息传递，是指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，然后通过信号转导产生胞内一系列生 理生化反应，最终表现为细胞整体的生物学效 应的过程。
T淋巴细胞
（一）细胞通讯的方式
靶细胞
细胞间隙连接
细胞表面分子接触通讯 可溶型信号分子
化学信号介导通讯
❖分泌化学信号
根据体内化学信号分子作用距离，可以将 其分为三类：
分子生物学中的新兴研究领域
分子生物学中的新兴研究领域分子生物学是研究生物体内分子和基因的结构、功能及其相互关系的学科。
随着科学技术的不断进步，分子生物学的研究领域也在不断扩展和更新，涌现出许多新兴研究领域。
在本文中，我们将探讨几个当前备受关注的新兴研究领域。
一、细胞信号转导网络的研究细胞信号转导网络是分子生物学研究的重要方向之一。
细胞通过复杂的信号转导网络实现信息的传递和响应，影响细胞的生理功能和行为。
近年来，研究人员在细胞信号转导网络方面取得了重要进展。
例如，研究人员通过研究细胞中的信号通路和蛋白质相互作用，发现了新的调控机制和新的信号分子。
这些研究不仅为了解细胞的生物学过程提供了新的视角，也为发现新的药物靶点和治疗方法提供了理论基础。
二、基因组学和转录组学的研究基因组学和转录组学是目前分子生物学研究领域的热点，也是实现个性化医学的重要手段。
随着高通量测序技术的发展和降低成本，我们可以更加深入地了解基因组和转录组的组成和功能。
通过研究基因组和转录组的变异，我们可以揭示遗传和表观遗传对疾病发生和发展的影响，为疾病的早期诊断和治疗提供依据。
此外，转录组学的研究也对我们理解细胞分化、发育等基本生物学过程起到重要的推动作用。
三、代谢组学的研究代谢组学是研究生物体内代谢物的产生、变化和调控的学科。
近年来，代谢组学的研究发展迅速，为了解代谢相关疾病的发生机制、发现新的药物靶点和治疗方法提供了重要线索。
代谢组学研究主要通过分析生物样本中的代谢产物，揭示代谢途径的变化和代谢物之间的相互关系。
例如，研究人员通过代谢组学的方法发现了许多与疾病相关的代谢物，这些代谢物可以作为潜在的生物标志物用于疾病的早期诊断和预测。
四、蛋白质互作网络的研究蛋白质互作网络是分子生物学研究的重要内容之一。
蛋白质在细胞中发挥重要的功能，蛋白质之间的相互作用决定了细胞的生理状态和功能。
研究人员通过蛋白质互作网络的分析，可以了解蛋白质间的相互作用和调控机制，揭示细胞功能和疾病发生的分子基础。
植物分子生物学中的植物信号转导研究
植物分子生物学中的植物信号转导研究随着人类对植物生长和适应环境的研究日益深入，植物分子生物学作为现代生物学科学的分支之一，也逐渐受到了广泛关注。
其中，植物信号转导是植物分子生物学中的一个重要研究领域，通过分子层次上的研究，揭示了植物如何感知环境因素变化并做出相应的反应，这对植物的繁衍生长和对外界环境的适应具有至关重要的意义。
一、植物信号转导的概念所谓植物信号转导，就是指植物对外界环境刺激信号的感知、传导及反应。
比如，植物在外界遭受到光强度、温度、盐浓度、干旱、氧气浓度等因素的影响时，会释放出一系列信号分子，通过细胞内信号转导网络的调节，来控制植物的基因表达和代谢途径等生命活动。
因此，了解植物信号转导的研究不仅有助于增进人们对植物的认知，还对于植物的育种和改良具有重要意义。
二、植物信号转导的主要过程植物信号转导的主要过程包括：信号感知、信号转导过程和信号产生的细胞反应三个方面。
（一）信号感知一般来说，植物能感知的环境条件同动物相似：环境温度变化、光强度变化、重力、干旱、气味等等。
当植物感知到外界环境条件的变化，感知器会产生信号并传送到中央处理器，通知细胞开始分泌必要的信号反应细胞因子，进而引起细胞自身某些基因表达或代谢途径的改变。
（二）信号转导过程信号转导过程是整个信号传递系统的核心内容，其主要通过形成信号传递的蛋白质通道和某些底层信号调控器来实现。
当信号通道传送到底层信号调控器时，会自动感知到外界环境条件并做出相应反应。
这样就完成了信号传递过程。
在整个过程中，其实涉及的信号分子、信号通道和信号调控器等都是非常重要的。
（三）信号产生的细胞反应信号产生的细胞反应就是细胞究竟如何改变、如何对信号作出反应。
这方面的研究主要集中于对信号转导影响细胞生长和互相影响的分子节点进行精细研究，以期找出影响细胞生长、发育和形态的分子因素，了解植物生长和发育的本质。
三、植物信号转导的意义植物信号转导研究的重要性主要体现在以下几个方面。
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胞内的多种靶蛋白磷酸化，改变其功能，促进细胞
增殖等。
DG
PKC无活性
Ca2+
磷脂酰Ser
PKC活性
IP3作用于肌浆网上的Ca2+受体通道蛋白，使通 道开放，肌浆网内的Ca+流入细胞质，作为第三 信使，调节相关的蛋白质的功能。
总途径：
配
体
活
+
化
磷 脂 酶
受 体
Gq
C 活 化
P1P2
DG
IP3
PKC活化
受体+配体 活化Gq (G蛋白为Gq)
血管加压素 生长因子等
磷脂酶C 磷脂酶C活化
P1P2 IP3+DG （第二信使）
（2） IP3 与 DG的作用
DG使蛋白激酶C（PKC）磷酸化后被活化。
活化后的PKC可附着于膜上，调节Na+-H+的交换
器促进Na+流入，H+流出，使PH升高。PKC可对
1、G蛋白的结构和类型 受体与配体结合后即与膜上的偶联蛋白结合，
使其释放活性因子，再与效应蛋白发生反应。由于 这些偶联蛋白的结构和功能极为类似，且都能结合 并水解GTP，所以通常称G蛋白，即鸟苷酸调节蛋 白
结构： α、β、γ三个亚基组成；α上有GTP或GDP的 结合位点，具GTP酶活性,并能与效应蛋白结合，激活 后者
一、基本概念
（一）信号分子（配体）
带有生物信息的物质分子。
从从产生和作用方式分为：
1、激素：含氮激素、甾醇类激素、脂肪酸衍生物。 2、神经递质：神经细胞突触释放的信号分子。 3、生长因子：细胞分泌的能促进增殖生长的肽或蛋白质 4、细胞因子：细胞受外界刺激产生调节蛋白 5、代谢物、光、离子、气体药物等小分子物质。
信 号 分
受 体
腺
G蛋白
苷 酸
环
子
化
酶
Pro（靶蛋白）
A
生
激
理
酶
Pro-p 功 能
调
节
(1) cAMP信号体系
➢AC与cAMP
ATP
腺苷酸环化酶
Gs Gi
cAMP A激
酶
cAMP磷酸二酯酶
5’-cAMP
➢ cAMP 依赖的蛋白激酶（A激酶，PKA）
1.结构：2个催化亚基，2个调节亚基 的蛋白质
2.激活：别构激活 （别构剂cAMP）
2、高亲和力：极低浓度的配体也能被受体识别结合
3、可逆性：非共价键结合
Ｌ＋Ｒ
ＬＲ
4、可饱和性
二、细胞表面受体与信号的跨膜传递
信号分子
效应器
受体
G
E
R
第二信使
级联反应
生物效应
第一信使：胞外信号分子。 第二信使：通过第一信使作用细胞产生的胞内信号分子。
cAMP cGMP Ca2+ 三磷酸肌醇（IP3） 甘油二酯（DG） NO
抑制型： G蛋白为Gi， Giα抑制AC， Gi游离的βγ两个亚基与Gs α结合抑制Gsα 的活性cAMP降低
如生长激素释放抑制因子受体
3、甘油二酯（DG）和三磷酸肌醇（IP3）途径
(1)DG（DAG） 和IP3的产生
➢ 细胞膜中约5%的肌醇磷脂（PI） ，分布于膜内层， 在ATP作用下， PI磷酸化形成PIP2 （4，5二磷酸 肌醇）。
无活性状态： αβγ
有活性状态：βγ +α
类型：
（1）Gs：激活腺苷酸环化酶，产生cAMP第二信使 （2）Gi：Gs相反的生物学效应。 （3）Gt：激活cGMP磷酸二酯酶，同视觉有关。 （4）Gq： 激活磷脂酶C， （5）Ras蛋白
2、 cAMP信号途径
效应蛋白是腺苷酸环化酶（AC），第二信为使 溶性信号分子，如甾类激素和甲状腺素，可直 接穿膜进入靶细胞，与胞内受体结合形成激素-受 体复合物，调节基因表达。 水溶性信号分子，如神经递质、细胞因子和水溶 性激素，不能穿过靶细胞膜，只能与膜受体结合， 经信号转换机制，通过胞内信使（如cAMP）或 激活膜受体的激酶活性（如受体酪氨酸激酶）， 引起细胞的应答反应。
Ca2+的排出： 细胞膜、内质网、线粒体上的钙泵
（2）Ca2+结合蛋白
Ca2+作为信号分子，通过与钙结合蛋白作用， 调节这些蛋白的功能，进而调节细胞的功能活动 如促进细胞增殖、分泌、骨骼肌收缩等。
肌浆网Ca2+通道
Na+-H+的交换器 靶蛋白磷酸化
Ca2+升高
PH升高
细胞功能变化
胞内效应
3、 Ca2+信号途径
(1)细胞质内Ca2+的调节 通常情况下，细胞质中Ca2+ 的浓度极低10-7M。
Ca2+可通过两种途径进入胞质： 通过膜Ca2+通道 (胞外胞质内) 通过ER上Ca2+通道(内质网库胞质内)
（一）离子通道型受体的信号传递
是有多亚基组成受体/离子通道复合体，除本身 有信号接受部位外，又是离子通道，其跨膜信号 转导无需中间步骤，反应快，一般只需几毫秒， 改变细胞膜的兴奋性。
开放或关闭直接受配体的控制，无配体时，关闭， 配体与受体结合时开放。
乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体
（二）G蛋白偶联受体的信号传递
（二）、受体（receptor)
受体是细胞表面或亚细胞组分中的一种分子， 可以识别并特异地与有生物活性的化学信号物质 （配体）结合，从而激活或启动一系列生物化学 反应，最后导致该信号物质特定的生物效应。
两个功能区域：与配体结合的区域 产生效应的区域
两个功能：1、识别特异的配体；2、把识别和接 受的信号准确无误的放大并传递到细胞内部，产 生特定的细胞反应。
A激酶
3.作用： Pro
Pro-P
➢靶蛋白
✓ 1.代谢途径中的一些酶 骨骼肌糖原代谢
✓ 2.激活一些特异基因的转录(转录因子磷酸化）
A激酶
CREB(CRE结合蛋白) CREB-P + CRE(cAMP反应元件)
（2）cAMP信号途径的类型
刺激型：G蛋白为Gs， Gsα激活AC，cAMP升高 如肾β-上腺素受体
第四节 信号转导与基因表达调控
细胞外信号通过与细胞表面的受体相互作用转 变为胞内信号并在细胞内传递的过程称为信号转 导（signal transduction ）。
通过细胞外信号分子与细胞的相应受体相互作 用，调节细胞的基因表达、代谢和功能。
信号转导是多细胞生物细胞间协调统一，以 及与外环境协调适应的一个重要途径。
靶细胞上受体存在的部位，可将受体分为两类：
1、细胞内受体 细胞内受体介导亲脂性信号分子的信息传递，如
胞内的甾体类激素受体。
2、细胞表面受体。
细胞表面受体介导亲水性信号分子的信息传递， 可分为①离子通道型受体、②G蛋白耦联型受体③ 酶耦联型受体（具有酶活性的受体）。
（三）受体与配体的结合特点
1、 高度的特异性