第19章 细胞信号转导

其主要实验证据来自于三个方面：
（1）许多胞外信号刺激导致细胞质内Ca2+ 浓度（[Ca2+]cyt） 瞬时的时空变化；
（2）钙离子通道的抑制剂（如La3+等）可抑制由信号刺激 引起的[Ca2+]cyt的时空变化，也抑制了相应的生理生化应答； （3）[Ca2+]cyt的时空变化参与了生长素和ABA的作用。
2、胞内信使系统
（3）环核苷酸信号系统（cAMP）
• 当信号分子与特异性受体蛋白结合 后，活化了腺苷酰环化酶（膜蛋白） • cAMP 作为第二信使活化 protein kinase A, a serine/threonine kinase. • 类似：cGMP
2、胞内信使系统
（4）蛋白质的磷酸化/去磷酸化系统
钙离子参与的信号转导途径
2、胞内信使系统
（2）肌醇磷脂信使系统
O
O O R1 C O H2C CH H2C O O C O P O OH
2 1
O H2 C O CH H2 C OH O C R2
R1
R2
C
diacylglycerol
O H
6
cleavage by Phospholipase C
• 信号转导（Transduction stage）:
– 信号的转换：即将信号分子转化为一种能产生特异性细 胞应答的形式。
– 信号转导通常需要一系列不同分子的参与，呈现级联放 大形式
2、细胞信号转导分为三个阶段（时期）：
• 应答（Response）:
– 被转导的信号引发(triggers) 特异的生理生化过程的改变
（3）使细胞能够对信号产生特定响应，并作出功能上 或发育上决定（如基因转录、DNA复制和能量代谢等） 的有效方法； （4）将细胞一生所作出的所有决定加以联网的方法， 这样，细胞才能对在任何特定时刻作用于它的且种类繁 多的信号作出协同响应。
1、受体(Receptor)
• 受体的概念
受体是指存在于细胞内或细胞表 面，能与信号分子或称配基（ligand） 特异结合并能引起特定生理生化效应 的一类特殊的蛋白质。
本章讲课要点
• 了解信号转导的基本概念 • 掌握构成信号转导途径的基本要素及其特点
• 掌握信号转导的分子机理
• 了解信号转导研究的最新进展及发展趋势 学习方法：课堂讲授与课后自学相结合 课时安排：2学时
第一节 引言
图1 近30年来公开发表的与细胞信号转导相关的论文变化趋势
Table1 Nobel prizes awarded for research in signal transduction
一、信号与信号转导
1、信号及信号转导途径的基本概念
• 信号（signal）:是指在生物体生长发育过程中所受到的各种 刺激，又称为初级信使（primary messenger）
• 信号的分类
来 胞 外 信 号
源 胞 内 信 号
分子性质
化 学 信 号 物 理 信 号
一、信号与信号转导
• 信号转导 ：当受体细胞通过存 在于细胞表面或细胞内的某些 分子(受体)感受胞外信号或胞 内信号后，胞外信号转变为胞 内信号并通过一系列胞内信号 转导途径的组分，最终引起相 应基因表达的改变和特定的生 理生化响应（responses）。
L. H. Hartwell, R. T. Hunt, P. M. Nurse S. Brenner, H. R. Horvitz, J. E. Sulston
Prize M&P M&P M&P M&P M&P M&P
M&P M&P
Area of Research Signal transduction in the nervous system Signal hypothesis of protein translocation Role of NO as cellular messenger Structure and function of GTP-binding(G) proteins Alteration of enzyme activity phosphorylation/dephosphorylation by
OPO32 H
OPO32
5
H OH
3
OH H
4
OH
2
1
6
OPO32
5
H PIP2 phosphatidylinositol4,5-bisphosphate
H
2
H OH
3 4
OH H
H
OPO3
H
H
IP3 inositol-1,4,5-trisphosphate
H
OPO32
2、胞内信使系统
（2）肌醇磷脂信使系统
(Knowledge Environment, KE) 是近《科学》的编辑人员在《科学在线》上
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N
Signal Receptor
?
?
? ?
?
Responses
?
Transcription
（7）信号转导的专一性
第二节 信号转导途径的基本组成成分
信号转导系统的各种要素
（1）接受细胞外信号刺激并将它们转换成细胞内信号 的成分；
（2）有序地激活一个或者有限几个“唱主调”的信号 转导途径，以诠释细胞内的信号；
的细胞外结构域、将受体固定在细 胞膜上的跨膜结构域和起传递信号
作用的胞内结构域三部分构成。这
些受体通常是跨膜蛋白质。然而， 也有一些受体可以通过聚糖磷脂酰
肌醇(GPI)键挂在
• 受体的分类
（2）细胞内受体：与上述几种膜 受体不同，一些信号分子（配基） （如多肽激素、生长因子等）的受 体是细胞内受体，它或者在细胞质 中，或者在细胞核中。脂溶性的信 号分子可以通过扩散方式穿过细胞 膜，直接进入细胞内；信号分子也 可以借助于某些载体蛋白进入细胞
（5）细胞死亡信号—这是细胞一生中发出的最悲壮、最惨烈的信号。这类信 号一旦发出，为了维护多细胞生物的整体利益和生物种系的最高利益，就在 局部范围内和一定数量上发生细胞的利他性自杀死亡！
二、信号转导系统的特征
2、信号转导途径的特性：
（1）信号转导分子存在的暂时性 （2）信号转导分子活性变化的可逆性 （3）信号转导分子激活机制的类同性 （4）信号转导途径的连贯性 （5）作用的瞬时性与效果的永久性 （6）信号转导的网络化
第三节 信号转导的分子机理 （以植物为例）
一、异三聚体G蛋白介导的信号转导
Roles of G-protein mediated signaling in plant growth and development and in the responses to environmental stress
Year 2000 1999 1998 1994 1992 1971
2001 2002
Recipient A. Carlsson, P. Greengard, E. Kandel G. Blobel R. Furchgott, L. Ignarro, F. Murad A. Gilman, M. Rodbell E. Fischer, E. Krebs E.W. Sutherland
• 受体的基本特征
（1）能识别和结合信号分子，具有专一性； （2）能转导信号为细胞反应，产生特定的生理生化效应； （3）具有组织特异性； （4）对配基具有高亲和性； （5）与配基结合具有饱和性和可逆性。
1、受体(Receptor)
• 受体的分类
（1）膜受体：这类受体存在于细
胞质膜上，通常由与配体相互作用
2、胞内信使系统
（4）蛋白质的磷酸化/去磷酸化系统
serine (Ser)
H H3N+ C CH2 OH COO
threonine (Thr)
H H 3N
+
C
COO

CH OH CH3
2、胞内信使系统
（4）蛋白质的磷酸化/去磷酸化系统
Protein Kinase
Protein OH + ATP Protein O O P O Pi H2O O + ADP
2、细胞信号转导分为三个阶段（时期）：
• 感受（Perception）:
即靶细胞（target cell）对来自于胞外的信号分子应答 （检测）。通常是通过位于细胞质膜上的蛋白质分子（称为 受体）所感知。当信号分子与受体蛋白特异性相互作用（结 合）后，引起后者发生某种变化（活性或构象等），进而下 游的信号转导过程。
因此，细胞信号转导过程可有助于一些关键性细
胞活性在恰当的时间、适合的细胞以及与其它细胞协
调地发生。
一、信号与信号转导
3、信号的归宿：
（1）细胞代谢信号—它们使细胞摄入并代谢营养物质，提供细胞生命活动所 需要的能量； （2）细胞分裂信号—它们使与DNA复制相关的基因表达，调节细胞周期，使 细胞进入分裂和增殖阶段； （3）细胞分化信号—它们使细胞内的遗传程序有选择地表达，从而使细胞最 终不可逆地分化成为有特定功能的成熟细胞； （4）细胞功能信号—如激素、蛋白、核苷酸等，使细胞能够进行正常的代谢 活动等；
衰老
生物大分子的