信使的信通路课件

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1、第六章第六章cAMP、cGMP信号转导通路信号转导通路第七章第七章肌醇三磷酸、二酰甘油与信号转导肌醇三磷酸、二酰甘油与信号转导（第二信使信号转导通路）（第二信使信号转导通路）本教学幻灯引用了大量网上图片，在此对作者表示衷心的感谢。本教学幻灯引用了大量网上图片，在此对作者表示衷心的感谢。细胞信号转导的基本过程及其受体的位置细胞信号转导的基本过程及其受体的位置No cell lives in isolation重点：各种第二信使的发现、重点：各种第二信使的发现、 产生、产生、 靶分子、靶分子、 信号通路、信号通路、 生物学效应。生物学效应。第二信使：第二信使：cAMPcGMPIP3DAGCa2+第

2、六章第六章 一、一、cAMP的发现和第二信使学说的发现和第二信使学说The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1971for his discoveries concerning the mechanisms of the action of hormonesEarl W. Sutherland, Jr. USA Vanderbilt University Nashville, TN, USA b. 1915, d. 1974 2. 肾上腺素磷酸化酶原肾上腺素磷酸化酶原 后者活性不升高后者活性不升高肾上腺素的作用是间接的肾上腺素的作用是间接的肾上腺素通

3、过肝细胞颗粒部分（膜或细胞肾上腺素通过肝细胞颗粒部分（膜或细胞器）里的一种物质使磷酸化酶活性器）里的一种物质使磷酸化酶活性3. 肝匀浆肝匀浆ATP,Mg2+肾上腺素，磷酸化酶活性肾上腺素，磷酸化酶活性 匀浆上清匀浆上清ATP,Mg2+ 肾上腺素，磷酸化酶活性不肾上腺素，磷酸化酶活性不4. 进一步研究发现关键物质进一步研究发现关键物质cAMP，并进而发现了腺苷酸环化酶。，并进而发现了腺苷酸环化酶。1. 肾上腺素肝组织肾上腺素肝组织（肝糖原）（肝糖原） 糖原磷酸化酶活性糖原磷酸化酶活性 葡萄糖葡萄糖肾上腺素可以激活磷酸化酶肾上腺素可以激活磷酸化酶Sutherland提出的第二信使学说：胞外化学物质

4、提出的第二信使学说：胞外化学物质（第一信使）不能进入细胞内部，它作用于细胞（第一信使）不能进入细胞内部，它作用于细胞表面特异受体，导致胞内第二信使的产生，从而表面特异受体，导致胞内第二信使的产生，从而激发一系列的生化反应，产生一定的细胞生理效激发一系列的生化反应，产生一定的细胞生理效应，最后第二信使降解，其信号作用终止。应，最后第二信使降解，其信号作用终止。cAMP的的信号通路信号通路二、二、cAMP的信号转导通路的信号转导通路（一）（一）cAMP的产生的产生 腺苷酸环化酶的作用腺苷酸环化酶的作用 （adenylate cyclase， AC）（或者：（或者：guanylyl cyclase）

5、 AC系统系统胞外信号及受体胞外信号及受体G蛋白蛋白AC催化亚单位催化亚单位活化活化AC的协同因子的协同因子激素激素神经递质神经递质腺苷酸环化酶系统腺苷酸环化酶系统 （adenylate cyclase， AC） 1. AC大多是膜结合型大多是膜结合型1165个氨基酸个氨基酸分区：分区：M1,M2胞内区域：胞内区域：C1,C2 AC至少有至少有9种哺乳类亚型（种哺乳类亚型（），），一种细胞可以有多种亚型，调节不同的生理功一种细胞可以有多种亚型，调节不同的生理功能及不同的细胞内定位。能及不同的细胞内定位。可溶性（可溶性（soluble AC，sAC） sAC存在于胞质和细胞器中存在于胞质和细胞器

6、中激活物与质膜激活物与质膜AC不同不同下游底物与质膜下游底物与质膜AC也不同也不同2. 活化活化AC的协同分子的协同分子GTP：维持：维持G蛋白活化蛋白活化NDPK（核苷二磷酸激酶）：（核苷二磷酸激酶）： 快速运输快速运输GTP到到G蛋白蛋白Mg2NDPK的其它作用的其它作用（二）（二）cAMP作用的靶分子：作用的靶分子：cAMP产生后做什么？产生后做什么？1.蛋白激酶蛋白激酶A （protein kinase A，PKA）： 被被cAMP活化，使下游靶蛋白的丝氨酸活化，使下游靶蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化。或苏氨酸残基磷酸化。催化亚基催化亚基C：灰色和黄褐色：灰色和黄褐色磷酸化结合区：黄色

7、磷酸化结合区：黄色调节亚基调节亚基R：蓝绿色：蓝绿色R亚基抑制区：红色亚基抑制区：红色G螺旋：绿色螺旋：绿色PKA的底物的底物酶酶离子通道离子通道调节和结构蛋白调节和结构蛋白转录因子转录因子广泛，不断发现新的底物广泛，不断发现新的底物底物磷酸化肽段的共有序列：底物磷酸化肽段的共有序列：RRXSY（精精？丝酪）（精精？丝酪） PKA的非的非cAMP底物功能：底物功能：PKA的催化亚的催化亚基基C具有不依赖于具有不依赖于cAMP的功能，调节亚基的功能，调节亚基R也也有不同的独立功能。有不同的独立功能。 cAMP的底物的底物 问题：不同细胞、不同信号都通过问题：不同细胞、不同信号都通过cAMP引起引

8、起细胞效应，如何保持细胞效应的特异性？细胞效应，如何保持细胞效应的特异性？a.PKA有不同亚型，对有不同亚型，对cAMP的亲和力不同，其的亲和力不同，其作用底物时序不同；作用底物时序不同；b. 不同细胞不同细胞PKA底物蛋白不同底物蛋白不同c. cAMP信号区域化：有浓度梯度，信号区域化：有浓度梯度，PKA有锚定有锚定蛋白。蛋白。cAMP的底物的底物2. 环核苷门控阳离子通道环核苷门控阳离子通道 （CNG） 存在于嗅觉感受器和窦房结起搏细胞，直接与存在于嗅觉感受器和窦房结起搏细胞，直接与cAMP结合，通道活性受其调控。结合，通道活性受其调控。嗅觉细胞上嗅觉细胞上cAMP与离子通道的直接结合使通

9、道开放与离子通道的直接结合使通道开放cAMP的底物的底物经典途径经典途径 2004年度诺贝尔生理学或医学奖授予美国哥伦比亚大学霍年度诺贝尔生理学或医学奖授予美国哥伦比亚大学霍华华休斯医学研究所休斯医学研究所(HHMI)的研究人员的研究人员Richard Axel和任职于和任职于弗雷德弗雷德哈钦森癌症研究中心的哈钦森癌症研究中心的HHMI研究人员研究人员Linda Buck。这。这两位科学家因为阐明了整个嗅觉系统的工作原理而受到表彰。两位科学家因为阐明了整个嗅觉系统的工作原理而受到表彰。 每个气味受体首先激活一种成对存在的每个气味受体首先激活一种成对存在的G蛋白，后者又转蛋白，后者又转而刺激环一

10、磷酸腺苷（又称环腺苷酸，而刺激环一磷酸腺苷（又称环腺苷酸，cAMP）的形成。）的形成。cAMP是一种信使分子，可是一种信使分子，可直接直接激活离子通道（激活离子通道（CNG)，让其开，让其开通，然后嗅觉细胞被激活。通，然后嗅觉细胞被激活。3. 鸟苷酸交换因子（鸟苷酸交换因子（GEF） 可直接与可直接与cAMP结合，调节结合，调节Ras家族成员家族成员Rap1的活性。的活性。cAMP的底物的底物（三）（三）cAMP信号的灭活信号的灭活 被特异的环被特异的环核核苷酸苷酸磷酸二酯酶磷酸二酯酶（ phosphodiesterase， PDE）所分解所分解。PDE的主要结构部分：的主要结构部分：保守的催

11、化中心保守的催化中心决定其底物特异性的决定簇决定其底物特异性的决定簇起调节作用的特异决定簇起调节作用的特异决定簇PDE的作用的作用PDE的基本结构的基本结构（四）（四）cAMP信号转导通路信号转导通路 包括产生包括产生cAMP的上游组分和的上游组分和cAMP的作用底物。的作用底物。下游组分下游组分PKACNG GEFPDE 分解灭活分解灭活作用底物及其效应作用底物及其效应受体受体上游组分上游组分刺激性受体刺激性受体 Rs抑制性受体抑制性受体 RiG蛋白蛋白GsGiAC 催化催化ATP产生产生cAMP胞外信号胞外信号 表表62cAMP信号转导通路的放大效应信号转导通路的放大效应（其它信号通路遵循

12、相同的原则）（其它信号通路遵循相同的原则） 一个上游分子可以激活许多下游分子，一个上游分子可以激活许多下游分子，每一级都使信号得以放大，形成瀑布效应。每一级都使信号得以放大，形成瀑布效应。如何判断一种激素是否通过如何判断一种激素是否通过cAMP第二信使发挥作用？第二信使发挥作用？1. 激素使细胞激素使细胞cAMP浓度浓度2.2.作用出现在作用出现在cAMP浓度浓度之后之后3.3.外源性给予外源性给予cAMP可模拟激素作用可模拟激素作用4. 抑制抑制PDE可加强激素的作用可加强激素的作用5. 激素可激活激素可激活PKA三、三、cAMP信号通路调节的生理过程信号通路调节的生理过程 (自学为主自学为

13、主)对基因表达的调节对基因表达的调节FK, forskolin（福斯克林）（福斯克林）CRE, cAMP response element.CREB, CRE binding proteinAP, alkaline phosphatase教科书图67有误FK激活激活AC，促进碱性磷酸酶的合成和释放；，促进碱性磷酸酶的合成和释放；抑制型抑制型G蛋白受体激动剂对抗蛋白受体激动剂对抗FK的作用。的作用。请注意方法学的应用请注意方法学的应用AC在复杂研究中的意义及其生物信息学方法在复杂研究中的意义及其生物信息学方法四、四、cGMP信号转导通路信号转导通路cGMP的分子结构和水解部位的分子结构和水解部位

14、 （灭活）（灭活）（二）（二） cGMP的产生和灭活的产生和灭活鸟苷酸环化酶鸟苷酸环化酶（guanylate cyclase，GC）GCSoluble (sGC)Membrane (mGC,rGC)2. cGMP的发生的发生 通过鸟苷酸环化酶（通过鸟苷酸环化酶（GC）的酶促反应）的酶促反应（三）（三）cGMP作用的靶分子作用的靶分子1. PDE 通过激活或抑制通过激活或抑制PDE从而调节从而调节cAMP通路；通路；2. CNG 直接与离子通道蛋白结合，影响其开放；直接与离子通道蛋白结合，影响其开放；3. GCAPs（cGMP激活蛋白，激活蛋白，Guanylate cyclase-activat

15、ing proteins） 一种钙依赖性蛋白，影响视一种钙依赖性蛋白，影响视觉功能；觉功能； BBRC 2004; 322 (1): 1123-1130 Guanylate cyclase-activating proteins: structure, function, and diversity. 4. PKG 主要靶分子主要靶分子PKG哺乳动物有三型哺乳动物有三型PKG： I , ,I I , ,PKG有三个结构域：有三个结构域：N端、调节、催化端、调节、催化底物众多：是丝氨酸、苏氨酸激酶底物众多：是丝氨酸、苏氨酸激酶 共同结构域：共同结构域：RKXS/T, KRKKS/T 还在不断发现

16、新的底物还在不断发现新的底物Structure 18, 116126, January 13, 2010 guanylate cyclase-activating proteins (GCAPs)guanylate cyclase-inhibitory proteins (GCIPs)（四）（四）cGMP调节的生理功能调节的生理功能在视觉信号转导中的作用在视觉信号转导中的作用NO-cGMP-PKG 通路通路开放钾离子通道开放钾离子通道关闭钙离子通道关闭钙离子通道抑制内质网释放钙抑制内质网释放钙PKG使使MLC去磷酸化去磷酸化血管平滑肌细胞舒张的典型过程血管平滑肌细胞舒张的典型过程Univers

17、ity of California-Los AngelesState University of New York in BrooklynUniversity of Texas Medical School in Houston. 1998 Nobel Prize Winners in Physiology or Medicine :Nobel prize committee say Yes to NO!cGMP及及其激酶在其激酶在心肌肥大心肌肥大中的作用中的作用Nature Reviews Drug Discovery 6, 617-635 (2007) ;关注某个疾病关注某个疾病发生发展时

18、信号转导的变化。发生发展时信号转导的变化。cAMP和和cGMP通路的关系通路的关系二者在生理效应上有一定的拮抗关系二者在生理效应上有一定的拮抗关系PDE-3AMPPDE有多种型有多种型号，分别对号，分别对cAMP和和cGMP特异。特异。Diagram illustrating possible interactions between angiotensin II- and guanylyl cyclase-dependent systems in the rat podocytes. NPR-A - guanylyl cyclase-linked receptor for ANP, sGC

19、- soluble guanylyl cyclase, pGC - particulate guanylyl cyclase, PDE - phosphodiesterase(s) 第七章第七章 IP3和和DAG 与信号转导双信使途径与信号转导双信使途径一、一、IP3和和DAG 双信使途径双信使途径Signaling agonist学习专业词汇！学习专业词汇！IP3：肌醇三磷酸：肌醇三磷酸DAG：二酰基甘油：二酰基甘油二、二、IP3和和DAG的产生和灭活的产生和灭活产生：产生：PLC对对PIP2的水解的水解PLC delta 激活移位至胞膜，激活移位至胞膜，PH为结合区，为结合区，Cat为催化

20、区为催化区4，5-二磷酸磷脂酰肌醇二磷酸磷脂酰肌醇PIP2磷脂酶磷脂酶CPLCIP3和和DAG的灭活的灭活 IP2 IP3 IP4PI3K磷酸酶磷酸酶 花生四烯酸花生四烯酸 DAG 磷脂酸磷脂酸DAG激酶激酶磷酸酶磷酸酶A2三、三、IP3/Ca2和和DAG/PKC信号转导通路信号转导通路产生前合一，生成后独立产生前合一，生成后独立PIP2IP3DAGPKCCa2PLC(- - ,-,- ,-,- ) )PLC- 的活性被受体酪氨酸激酶调节，的活性被受体酪氨酸激酶调节， PLC- 的跨膜受体是激素和神经递质受体的跨膜受体是激素和神经递质受体PLC- 由激素通过增加由激素通过增加PIPPIP2 2

21、的浓度而激活的浓度而激活IP3激活激活Ca2信号途径信号途径IP3与内质网的受体与内质网的受体（IP3R)结合，开放结合，开放通道释放钙离子通道释放钙离子 。DAG激活激活PKC信号转导通路信号转导通路DAG促使促使PKC与膜上的磷脂酰丝氨酸结合，降低与膜上的磷脂酰丝氨酸结合，降低对钙离子的依赖性，并发生从胞质至胞膜的移位。对钙离子的依赖性，并发生从胞质至胞膜的移位。四、四、IP3/Ca2和和DAG/PKC信号通路的相互作用信号通路的相互作用DG=DAG, i: inactive, a: active. Closed head arrow : an activating effect Closed circle : an inhibitory effect PA: 磷脂酸磷脂酸, PC: 磷酸卵磷脂磷酸卵磷脂重点：各种重点：各种第二信使的发现、产生、靶分子、第二信使的发现、产生、靶分子、 信号通路和生理学效应。信号通路和生理学效应。 与第二信使相关的蛋白激酶和钙离子通道与第二信使相关的蛋白激酶和钙离子通道等已在或将在其它章节讲授。等已在或将在其它章节讲授。