生物化学资料：第15章细胞信号转导改
细胞信号转导的生化机制
细胞信号转导的生化机制是一种重要的生理过程，它通过细胞表面上的蛋白质相互作用、酶的活性改变及玻璃蛋白的转运等方式，将细胞外部的讯息转导到细胞内部，并触发相应的反应，从而控制细胞的生长、分裂、分化和凋亡等生命活动。
一、细胞信号转导的方式细胞信号转导的方式包括三种类型：内分泌、神经递质和细胞间信号分泌。
内分泌是指由内分泌腺分泌递送到全身或某些器官的蛋白质或小分子类激素。
神经递质是细胞与神经元之间的信号转导方式，常常进行末梢神经和神经元之间的通信。
细胞间信号分泌则是细胞直接作用于周围细胞的短距离转导方式。
二、信号转导的步骤1.浸润信号物质信号物质浸润到细胞表面的受体蛋白中，触发受体蛋白的构象变化，这是细胞信号转导的第一步。
2.激活受体蛋白受体蛋白的构象变化，激活了受体蛋白中的细胞内的酶，如蛋白激酶等，从而将外部信号转化为内部信号。
3.信号传播受体激活后，内部酶体系将接续信号传递，使靶蛋白发生磷酸化或其他改变结构的化学修饰，最终分子激活或蛋白分解。
4.反馈调节建立信号转导途径是适应物种进化的一种选择，但过度的信号活动会造成不适，进而引起许多纠正措施，包括对信号的负反馈及纠错机制。
三、信号转导的分类1.免疫反应体内免疫反应可以将细胞表面抗原与抗体结合，成功清除入侵细胞。
在这个过程中，细胞信号转导在调节免疫反应过程中起着至关重要的作用。
2.神经系统神经系统与神经信号转导在细胞间引导充足的神经元信息，这些信息则直接决定了大脑和身体的运作。
3.克隆选择克隆选择是细胞信号转导的一种非常特殊的用途，它可以使干细胞分化为特定的细胞类型，并判断哪些单位的基因表达模式与正常模式相匹配。
四、信号转导的应用1.药物研发细胞信号转导的研究可以使我们更好的了解许多疾病发生的分子级机制。
这可以为设计针对特定信号通路的药物提供有效性的支持。
2.环境污染的检测细胞信号转导的研究可以通过细胞信号通路中的重要蛋白质与污染物发生的关系来检查环境中的不同类污染物的应答。
医学生物化学信号转导
3. 化学信号分子的特点
1. 高度专一性；
2. 高度亲和性； 3. 可饱和性；
4. 可逆性；
5. 特定的作用模式
4.信号分子的作用
实现多细胞高等生物中细胞间的相互影响。
5.作用特点：
均需通过受体对靶细胞发挥作用，受体存在于细
胞膜或细胞内，能特异识别并结合信号分子的一
类蛋白质。
二、信号分子பைடு நூலகம்分泌性）的作用途径
特点：受体均为跨膜蛋白质； 胞外结构域与信号分子结合； 胞内结构域具有酶活性（或与其他酶相关联）。
一、受体鸟苷酸环化酶信号转导系统
特点：受体的膜内结构域具鸟苷酸环化酶活性， 无需G蛋白介导
细胞外信号（心钠素） + 受体 （鸟苷酸环化酶活性） GTP cGMP cGMP 依赖的蛋白激酶 （G激酶 ） 靶细胞磷酸化
cAMP、Ca2+、IP3 （肌醇三磷酸）、DG（二磷酰甘油）
四、通过cAMP的信号转导系统
（一 ）受体通过调节腺苷酸环化酶来控制cAMP 浓度 1. cAMP的生成： a. 原料：ATP b. 酶：腺苷酸环化酶 c. 催化反应：ATP cAMP（图17-7）
2. cAMP的降解
磷酸二酯酶 cAMP H2O 5`AMP
1）环核苷酸（cAMP、cGMP） 核苷酸环化酶（合成酶）
磷酸二酯酶（降解酶）
环核苷酸调节蛋白激酶活性
蛋白激酶不是环核苷酸的唯一靶分子
2）脂类（DAG、IP3） 磷脂酶（PLC）和磷脂酰肌醇激酶 DG PKC；IP3 钙离子通道
3）钙离子（具有明显的细胞内区域特征）
通过钙调蛋白实现
4）NO的信使功能
肌醇三磷脂IP3的生成
（2）IP3和DG的作用
细胞信号转导生化机制的解析
细胞信号转导生化机制的解析细胞信号转导是生物体内细胞之间和细胞与环境之间通信的重要方式，它是细胞生化机制的核心内容之一。
细胞信号转导能够调控细胞的生长、分化、凋亡、代谢等多种生物学过程，与多种疾病的发生、发展密切相关。
因此，对细胞信号转导的生化机制进行深入的解析，对于疾病的预防和治疗具有重要的意义。
一、信号转导的基本过程细胞信号转导的基本过程包括4个阶段：信号的识别、传导、放大以及反应。
当外界刺激物质与细胞表面的信号受体结合时，就会激活信号受体内部的酶，使其发生自磷酸化反应。
这个过程使磷酸酶被激活，其进一步作用于下游的信号分子，使信号的传导发生。
信号的传导可以是通过激活蛋白激酶级联反应，也可以是通过活化离子通道或者蛋白激酶A。
当信号传导到一定程度时，就会进一步引起信号放大的反应，从而使细胞内的效应分子被活化。
最终，效应分子的作用反馈到细胞的生理活动里，导致细胞产生一系列生物学效应。
二、细胞信号转导的主要途径细胞信号转导的主要途径包括以下几种：酪氨酸激酶信号通路、鸟嘌呤酸激活蛋白信号通路、磷脂酰肌醇3,4,5-三磷酸信号通路、Ras-MAPK信号通路、Wnt信号通路、TGF-β信号通路、NF-κB信号通路等。
这些信号通路之间相互作用，形成了庞大的信号网络，在细胞生物学活动中具有重要的调节作用。
三、信号识别和信号转导的关键基因细胞信号转导在感知外界刺激、转导细胞内反应和产生生物学效应中，需要依赖于多个关键基因的参与。
以酪氨酸激酶信号通路为例，当外来物质结合在胞膜上的酪氨酸激酶受体上时，激活内部的酪氨酸激酶酶，从而引起一连串的酪氨酸自磷酸化反应，最终作用于内质网或细胞核的下游效应分子。
这个整个过程需要参与多种基因的组合协同作用，如HER2、EGFR、Ras、MEK、ERK等。
四、异质性信号转导的机制在细胞信号转导的过程之中，一个基因可能同时处于多个信号通路的参与之中，这种现象被称为异质性信号转导。
在异质性信号转导之中，XTPase蛋白家族是一个非常重要的调节因子。
简述细胞信号转导的过程
简述细胞信号转导的过程细胞信号转导是细胞内外信息传递的过程，通过这个过程，细胞可以感知和响应外界刺激，并调控细胞内的生物活动。
细胞信号转导过程复杂而精确，涉及多种分子信号、信号传递通路和调控机制。
本文将以简洁明了的语言，从信号的产生、传递和响应三个方面，详细介绍细胞信号转导的过程。
一、信号的产生细胞信号可以来自于细胞外部环境，如激素、神经递质、细胞外基质等，也可以来自于细胞内部，如细胞器的功能变化、代谢产物的积累等。
这些信号分为内源性信号和外源性信号。
内源性信号是由细胞内部的变化所产生的，如细胞内的离子浓度变化、代谢产物积累等。
外源性信号则是由细胞外部的刺激所引起的，如激素的结合、神经递质的释放等。
二、信号的传递细胞信号的传递主要通过信号分子在细胞内外之间的传递来实现。
细胞膜是信号传递的重要场所，其表面覆盖着许多受体分子，当外界信号分子与受体结合时，受体会发生构象变化，并激活下游的信号传递通路。
这些通路包括细胞内信号传导分子的激活、蛋白质的磷酸化和解磷酸化等一系列反应。
这些反应可以通过细胞内的信号传导通路来调控，形成一个复杂的信号网络。
三、信号的响应细胞信号的响应是指细胞对信号的感知和相应行为。
细胞可以通过调节基因表达、蛋白质合成、细胞骨架重组等方式，来实现对信号的响应。
基因表达调控是一种常见的信号响应方式，细胞可以通过转录因子的激活或抑制来改变基因的表达水平。
蛋白质合成则是通过信号传导通路内的蛋白质磷酸化或解磷酸化等酶促反应来实现。
细胞骨架重组是通过改变细胞内骨架蛋白的结构和功能，来调节细胞形态和运动。
细胞信号转导的过程是一个动态平衡的过程，信号的产生、传递和响应是相互关联的。
细胞通过调节信号分子、信号传导通路和调控机制的活性，来实现对外界刺激的感知和响应。
这个过程在细胞生理、发育和疾病中起着重要的作用。
例如，细胞信号转导的异常会导致癌症、心血管疾病等多种疾病的发生和发展。
总结起来，细胞信号转导是细胞内外信息传递的过程，包括信号的产生、传递和响应三个方面。
第15章细胞信号转导
Thr
Ser -O-PO32-
Ser -OH
Tyr 酶蛋白 Pi 磷蛋白磷酸酶 H2O
Tyr 磷酸化的 酶蛋白
2. 蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶和蛋白酪氨酸激酶 ①蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶： 包括PKA、PKG、PKC、PKA、 Ca 2+/CaM-依赖性激酶、MAPK ②蛋白酪氨酸激酶: 包括受体型PTK和非受体型PTK
二是转换配体信号，使之成为细胞内分子可识别的信号， 并传递至其他分子引起细胞应答。
受体与信号分子结合的特性：
高度的专一性、高度的亲和力、可饱和性、特定的作用模式
目录
受体位置：
细胞表面受体
接收的是不能进入细胞的水溶性化学信号分子和其它细 胞表面的信号分子，如生长因子、细胞因子、水溶性激素分 子、粘附分子等。
式；当结合GDP时为非活化状态，使信
号途径关闭。
GTP酶的活性：G蛋白的活化形式有GTP酶的
活性（霍乱毒素可使G蛋白失去GTP酶的活性）。
目录
G蛋白主要有两大类： • 异源三聚体G蛋白：与7次跨膜受体结合，以α、 β、γ亚基三聚体的形式存在于 细胞质膜内侧，简称G蛋白。 • 低分子量G蛋白：Ras蛋白，又叫小G蛋白，也称 P21蛋白。
目录
2、白细胞介素受体通过JAK-STAT途径转导信号（记住名字即可）
目录
细胞信息转导（纲要）
一、细胞信号转导概述 第二信使的概念及种类 二、细胞内信号转导分子 1、cAMP生成及降解所需要的酶及其作用。 2、G蛋白：鸟苷酸（GTP或GDP）结合蛋白，α、β、γ三亚基组成，可与 AC等酶偶联，霍乱弧菌使其持续活化。 三、各种受体介导的细胞内基本信号转导通路 1、通过胞内受体发挥作用的激素有哪些？ 2、G蛋白偶联受体信号的主要途径是哪些？（cAMP-PKA信号途径等） 3、Grb2通过募集SOS（一种鸟苷酸交换因子）激活Ras，Ras结合GTP时有 活性，它还有GTP酶的活性。 4、酶偶联受体途径（Ras-MAPK途径及JAK-STAT途径）与细胞的生长、 增殖有关。
细胞信号转导的分子机制
细胞信号转导的分子机制四、细胞信号转导分子是重要的药物作用靶位信号转导药物：研究各种病理过程中发现的信号转导分子结构与功能的改变为新药筛选和开发提供了靶位信号转导分子的激动剂和抑制剂是信号转导药物研究的出发点，尤其是各种蛋白激酶的抑制剂更是被广泛用作母体药物进行抗肿瘤新药的研发。
G蛋白循环G?种类效应分子细胞内信使靶分子asAC活化↑cAMP↑PKA活性↑aiAC活化↓cAMP↓PKA活性↓aqPLC活化↑Ca2+、IP3、DAG↑PKC活化↑atcGMP-PDE 活性↑cGMP↓Na+通道关闭哺乳动物细胞中的G?亚基种类及效应（二）不同G蛋白偶联受体可通过不同通路传递信号1.cAMP-PKA通路胰高血糖素、肾上腺素、促肾上腺皮质激素等可激活此通路底物(酶或蛋白质)名称受调节的通路糖原合酶糖原合成磷酸化酶b激酶糖原分解丙酮酸脱氢酶丙酮酸→乙酰辅酶A激素敏感脂酶甘油三脂分解和脂肪酸氧化酪氨酸羟化酶多巴胺、肾上腺素和去甲肾上腺素合成组蛋白H1、组蛋白H2BDNA聚集蛋白磷酸酶1抑制因子1蛋白去磷酸化转录因子CREB转录调控（1）调节代谢（2）调节基因表达（3）调节细胞极性PKA亦可通过磷酸化作用激活离子通道，调节细胞膜电位。
2.IP3/DAG-PKC通路激素促甲状腺素释放激素、去甲肾上腺素、抗利尿素与受体结合后可激活此通路PKC对基因的早期活化和晚期活化3.Ca2+/钙调蛋白依赖的蛋白激酶通路G蛋白偶联受体至少可通过三种方式引起细胞内Ca2+浓度升高：某些G蛋白可以直接激活细胞质膜上的钙通道，通过PKA激活细胞质膜的钙通道，促进Ca2+流入细胞质；通过IP3促使细胞质钙库释放Ca2+。
CaM-K可激活各种效应蛋白，在收缩和运动、物质代谢、神经递质的合成、细胞分泌和分裂等多种生理过程中起作用。
激素四、酶偶联受体主要通过蛋白质修饰或相互作用传递信号酶偶联受体指那些自身具有酶活性，或者自身没有酶活性，但与酶分子结合存在的一类受体。
细胞的信号转导
一、细胞信号转导概述（一）信号转导的概念在多细胞生物体中，细胞间的信号转导(signaltransduction)与交换对细胞的生存非常重要。
细胞的信号转导是通过多种分子相互作用的一系列有序反应，将来自细胞外的信息传递到细胞内各种效应分子，并产生生物效应的过程。
通常所指的信号转导是指跨膜信号转导(transmembrane signal transduction)，即生物活性物质（如神经递质、激素、细胞因子等）通过受体或离子通道的作用，将其转变为细胞内各种分子数量、分布或活性的变化，从而对细胞的功能、代谢、生长速度、迁移等生物学行为产生影响。
（二）信号转导系统的基本组成细胞信号转导系统通常由信息分子(signaling molecule)、受体(receptor)、转导体(transducer)及效应体(effector)四个环节组成。
信息分子的受体位于靶细胞的质膜上、胞质或核内，与之相结合的相应信息分子统称为配体(ligand)。
配体与受体的结合可诱导受体的构象发生变化，激活转运体，进而启动细胞内的信息转导途径（如效应体的级联反应），最终导致细胞功能的改变。
（三）信号转导的主要途径根据介导的配体和受体的不同，信号转导可分为两大类，一类是水溶性配体或物理信号作用于膜受体，随后经历跨膜和细胞内信号转导体的依次作用，最终作用于效应体，产生效应。
依据膜受体特性的不同，这类信号转导又有多种通路，主要是由离子通道型受体、G蛋白耦联受体、酶联受体和招募型受体介导的信号转导。
另一类是脂溶性配体直接与胞质受体或核受体结合而发挥作用，这类方式通常都是通过影响基因表达而产生效应。
应当注意到膜受体介导的信号转导也大多可以影响转录因子的活性而改变基因的表达。
（四）信号转导途径间的交互联系细胞信号转导通路的细节非常复杂，涉及蛋白质等相互作用以及相关基因表达的过程，而且各种信号转导通路间存在更为复杂的联系，构成错综复杂的信号网络(signaling network)。
细胞信号转导的生物化学过程研究
细胞信号转导的生物化学过程研究细胞信号转导是生物体内一系列重要生物化学过程中的重要组成部分。
它是指从细胞外界传递的大量信息通过细胞膜、细胞器及细胞核等一系列关键结构中进行传递，并激活一系列重要的细胞生理和生化反应的过程。
此次文章将主要介绍细胞信号转导的生物化学过程，包括信号传递的类型、信号分子的种类、信号受体的结构，以及信号传递过程中所涉及的各种生物化学元素的作用。
一、信号传递的类型细胞信号传递可分为两类：内分泌和神经递质两种。
内分泌通过静态传递的方式，即信号物质从内分泌腺向血液中释放，在血液中通过大量的扩散，最后作用于远离腺体的靶细胞；而神经递质则通过动态传递的方式，即信号物质由神经元从细胞体释放到突触前小囊泡中，通过神经元的轴突末端与其他神经元形成联系，完成神经递质的传递。
二、信号分子的种类信号分子有多种类型，包括激素、生长因子、神经递质、细胞黏附分子等，其中激素和生长因子是最常见的，作用于许多重要的生理进程。
激素分为脂溶性和水溶性两种类型，脂溶性激素包括睾酮、雌激素和甾体激素等，可通过细胞膜进入细胞内部；水溶性激素则无法穿过细胞膜，必须先与受体蛋白结合，从而活化细胞内相关的信号途径。
三、信号受体的结构信号受体的结构有多种，包括钠离子通道、酪氨酸激酶受体、鸟嘌呤酸环化酶受体等。
其中酪氨酸激酶受体结构最常见，它们的外膜区域含有环节酪氨酸残基、颅内区域含有酪氨酸激酶区域和多个磷酸苏氨酸结构，这些结构在其激活后会参与信号传递过程。
四、信号传递过程中所涉及的生物化学元素在信号传递过程中，涉及到许多生物化学元素。
信号分子作用于受体后，受体会引起细胞各个部分之间的生化反应，包括信号分子与受体的结合、受体的激活、蛋白质激酶的激活、转录因子的激活，以及蛋白质的磷酸化等。
其中磷酸化作用在信号传递过程中起着至关重要的作用，它会使某些蛋白质从一状态转变为另一状态，从而引发特定的生化反应。
此外，还有第二信使、离子通道、蛋白酶的参与，从而完成了整个信号转导的过程。
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目录
（一）化学信号通讯：从简单到复杂的
化学信号通讯是生物适应环境不断变异、进化 的结果。 1. 单细胞生物与外环境直接交换信息。
2. 多细胞生物 适应环境变化 细胞与细胞之间在功能上的协调统一
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目录
多细胞生物细胞间的联系
➢ 细胞与细胞的直接联系： 物质直接交换，或者是通过细胞表面分子相互 作用实现信息交流。
泛素(ubiquitin)是一种存在于大多数真核细胞中的小蛋白。它的主要功能是标记 需要分解掉的蛋白质,使其被水解。当附有泛素的蛋白质移动到桶状的蛋白酶的时候,蛋 白酶就会将该蛋白质水解。
细胞信号转导概述
The General Information of Signal Transduction
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细胞周期的关键调节分子 细胞膜离子通道作用机制 嗅受体及其作用机制 泛素介导的蛋白质降解
诺贝尔奖获得者
Edmond H. Fischer Edwin G. Krebs
Alfred Gilman，Martin Rodbell
Robert F. Furchgott，Louis J. Ignarro，Ferid Murad
受体按照其作用位置分为： 细胞表面受体（多为糖蛋白）
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属于这一类通讯的有：
1. 相邻细胞间粘附因子 的相 互作用、
2. T淋巴细胞与B淋巴细胞表面 分子的相互作用等。
T淋巴细胞 靶细胞
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二、特异性受体接收细胞外信号
（一）化学信号通过受体在细胞内转换和传递
受体（receptor）是细胞膜上或细胞内能特异 的识别外源化学信号并与之结合的成分，其化 学本质是蛋白质，个别是糖脂 。
15
目录
网络调节具有一定程度的冗余和代偿性: 单一信号分子缺陷一般不会导致对机
体的严重损害
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（三）细胞表面分子也是重要的细胞外信号
细胞与细胞直接相互作用也属于细胞外信号。
膜表面分子接触通讯: 细胞通过细胞膜表面的蛋白质、糖蛋白、
蛋白聚糖与相邻细胞的膜表面分子特异性地 识别和相互作用，达到功能上的相互协调。 也是一种细胞间直接通讯。
受体的作用： 1）识别外源信号分子，即配体（ligand）； 2）转换配体信号，使之成为细胞内分子可识 别的信号，并传递至其他分子引起细胞应答。
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目录
受体与信号分子结合的特性：
•高度专一性 • 高度亲和力
• 可饱和性 • 可逆性 • 特定的作用模式
配体-受体结合曲线
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目录
（二）受体既可以位于细胞膜也可以位于细胞内
举例
神经分泌 内分泌
自分泌及旁分泌
神经递质
激素
nm
m
膜受体 膜或胞内受体
乙酰胆碱 谷氨酸
胰岛素 生长激素
细胞因子
m
膜受体
表皮生长因子 神经生长因子
14
目录
网络调节特点
1. 信号分子：一种细胞因子或激素的作用始终 会受到其他细胞因子或激素的影响，或抑制， 或促进。
2. 细胞：发出信号的细胞随时又受到其他细胞 信号的调节。
Sune K. Bergström Bengt I. Samuelsson John R. Vane
Stanley Cohen Rita Levi-Montalcini
年度 1992年 1994年 1998年 2000年
2001年 2003 2004 2004
重要发现 蛋白质可逆磷酸化调节机制 G蛋白及其在信号转导中的作用 一氧化氮是心血管系统的信号分子 神经系统有关信号转导
Arvid Carlsson，Paul Greengard，Eric R. Kandel
Leland H. Hartwell R. Timothy Hunt Paul M. Nurse
Peter Agre Roderick MacKinnon
Richard Axel，Linda B. Buck
Aaron Ciechanover，Avram Hershko，Irwin Rose
Henry Hallett Dale Otto Loewi
Edward Calvin Kendall Philip Showalter Hench Tadeus Reichstein
Sir Bernard Katz Ulf von Euler Julius Axelrod
Earl Wilber Sutherland
4
目录
年度 1923年 1936年 1950年
1970年 1971年 1982年 1986年
重要发现 胰岛素 神经冲动的化学传递
肾上腺皮质激素
神经末梢的神经递质的合成、释 放及灭活 激素作用的第二信使机制 前列腺素及相关的生物活性物质
生长因子
诺贝尔奖获得者
Frederick Grant Banting John James Richard Macleod
细胞信息转导
Cellular Signal Transduction
1
目录
细胞凋亡信号转导网络
2
目录
Growth factor pathway
PDK：磷酸肌醇依赖性激酶
3
目录
信号转导
（signal transduction）
细胞针对外源信息所发生的细胞内一系 列生物化学变化及产生效应的全过程。
➢ 激素调节： 适应远距离细胞之间的功能协调的信号系统。
11
目录
（二）化学通讯：可溶性分子信号作用距离不等
化学通讯:
多细胞生物与邻近细胞或相对较远距离的细 胞之间的信息交流主要是由细胞分泌的可溶性化 学物质（蛋白质或小分子有机化合物）完成的, 这种通讯方式称为化学通讯。
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目录
化学信号分子分为三类(根据作用距离)：
1.内分泌（endocrine）作用距离最远的系统化 学信号称为激素；
2. 旁分泌（paracrine）系统的细胞因子，主要 作用于周围细胞；
3.自分泌（autocrine）作用于自身
作用距离最短的是神经元突触内的神经递质
（neurotransmitter）。
13
目录
化学信号的分类
信号名称 作用距离 受体位置
目录
细胞信号转导的基本路线
细胞外信号
受体
细胞内多种分子的浓度、 活性、分布位置变化
细胞应答反应8目录 Nhomakorabea一、细胞外化学信号
生物体可感受任何物理、化学和生物学 刺激信号，但最终通过换能途径将各类 信号转换为细胞可直接感受的化学信号 （chemical signaling）。
化学信号可以是可溶性的，也可以是膜 结合形式的。