导图社区 细胞信号转导
这是一篇关于细胞信号转导的思维导图,主要内容包括:细胞信号转导的整合与调控,GPCR介导的信号转导,介导并调控细胞基因表达调控的受体及信号通路,细胞通信与信号转导。
编辑于2024-06-11 01:33:08这是一篇关于线粒体和叶绿体的思维导图,主要内容包括:半自主性及起源,叶绿体,线粒体。讨论了细胞器的形态、分布、和数目,包括它们的基本形态、动态特征、融合与分裂、分化与去分化等特性。还描述了线粒体基因组(mtDNA)和叶绿体基因组(cpDNA)的特点,指出它们都呈双链环状,以半保留方式复制,并受细胞核控制,所需酶受核基因编码,因此具有半自主性。清晰地展示了线粒体和叶绿体的基本知识及其相互关系。
这是一篇关于八.细胞骨架的思维导图,主要内容包括:狭义:细胞质骨架:微丝、微管、中间丝,广义:细胞核骨架、细胞质骨架、质膜骨架与胞外基质。细胞骨架是细胞内部的重要结构,主要由蛋白质纤维构成,为细胞提供形态支持和多种功能。
这是一篇关于细胞核的思维导图,主要内容包括:染色质/染色体,核基质(核骨架),核仁与核体,核被膜。核仁:主要负责核糖体的生物发生,包括rRNA的合成、加工和核糖体亚基的组装。核仁由纤维中心(FC)、致密纤维组分(DFC)和颗粒组分(GC)组成,每个组分都有其特定的功能。核基质(核骨架):是真核细胞核内的结构体系,与核纤层、中间丝等相互连接,与DNA复制、基因表达及染色体的组装与构建有关。染色体:是细胞核中遗传信息的载体,其结构包括染色体带型和特殊染色体。染色体上的特定区域如着丝粒、端粒等都具有重要的功能。
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这是一篇关于线粒体和叶绿体的思维导图,主要内容包括:半自主性及起源,叶绿体,线粒体。讨论了细胞器的形态、分布、和数目,包括它们的基本形态、动态特征、融合与分裂、分化与去分化等特性。还描述了线粒体基因组(mtDNA)和叶绿体基因组(cpDNA)的特点,指出它们都呈双链环状,以半保留方式复制,并受细胞核控制,所需酶受核基因编码,因此具有半自主性。清晰地展示了线粒体和叶绿体的基本知识及其相互关系。
这是一篇关于八.细胞骨架的思维导图,主要内容包括:狭义:细胞质骨架:微丝、微管、中间丝,广义:细胞核骨架、细胞质骨架、质膜骨架与胞外基质。细胞骨架是细胞内部的重要结构,主要由蛋白质纤维构成,为细胞提供形态支持和多种功能。
这是一篇关于细胞核的思维导图,主要内容包括:染色质/染色体,核基质(核骨架),核仁与核体,核被膜。核仁:主要负责核糖体的生物发生,包括rRNA的合成、加工和核糖体亚基的组装。核仁由纤维中心(FC)、致密纤维组分(DFC)和颗粒组分(GC)组成,每个组分都有其特定的功能。核基质(核骨架):是真核细胞核内的结构体系,与核纤层、中间丝等相互连接,与DNA复制、基因表达及染色体的组装与构建有关。染色体:是细胞核中遗传信息的载体,其结构包括染色体带型和特殊染色体。染色体上的特定区域如着丝粒、端粒等都具有重要的功能。
细胞信号转导
多细胞生物通过细胞通讯协调细胞行为,经过信号产生、信号识别和信号传递完成有序的细胞反应信号转导是细胞通讯的重要环节,强调细胞表面受体或细胞内受体接受细胞外界信号,通过一整套特定的机制,将胞外信号转导为胞内信号,最终调控细胞代谢或特定基因表达,引起细胞的生理生化反应的过程,引起这些过程的反应系列称之为信号转导系统或信号转导通路。 经典的信号通路:G蛋白偶联受体介导的信号通路:cAMP 信号通路和磷脂酰肌醇信号通路等。 受体酪氨酸激酶介导RTK-Ras信号通路,通过激活分子开关蛋白Ras,并进一步激活MAPK等进行信号传递
细胞通信与信号转导
细胞信号转导概述
细胞通信(cell conmmunication)
类型
分泌胞外化学信号
内分泌
内分泌细胞分泌信号分子(激素)到血液中,通过血液循环运输到身体各处的靶细胞
旁分泌
细胞分泌局部化学介质到细胞外液中,通过局部扩散作用于邻近的靶细胞
自分泌
细胞分泌化学信号到细胞外再作用于自身
化学突触
神经细胞末梢分泌化学信号(神经递质或神经肽等)至突触间隙后,通过靶细胞质膜膜上配体门控通道将化学信号传递到细胞内
细胞间接触依赖性通信
细胞质膜上的信号分子与相邻细胞质膜上受体通过直接接触进行通讯的方式
间隙连接通信
通过间隙连或胞间连丝接进行小分子交换来实现代谢偶联或电偶联的通讯方式
信号分子与受体
信号分子
物理信号:声光电,温度等
化学信号
疏水性信号分子
可直接穿过细胞质膜进入靶细胞内,与胞内受体结合,甚至是细胞核内受体结合
甾类激素、甲状腺素
气体信号分子(自由扩散)
NO、CO
亲水性信号分子
只能在细胞外通过与膜受体结合将信息传递到细胞内,在细胞内产生第二信使或激活胞内的蛋白激酶等
蛋白质大分子、多肽、水溶性激素、局部介质、神经递质、离子等
膜结合信号分子
Delta
受体(receptor)
结构特征
两个基本功能区域
结合配体的功能域
产生效应的功能域
受体与信号间的作用特点:具有特异性、饱和性、高亲和性的特性
类型
细胞表面受体
亲水性信号分子——分泌型、膜结合型
离子通道偶联受体(配体门控通道)
GPCR
酶联受体
细胞内受体
脂溶性内信号分子
2类基本应答反应途径
快反应:改变酶或蛋白质的活性或功能,影响细胞代谢及功能
慢反应:修饰转录因子调控基因表达,从而改变特异性蛋白的表达量
第二信使
能诱导产生第二信使的胞外信号分子则被称为第一信使。作为胞内或胞间的信号分子一般指不参与能量或物质代谢、具有信息传递功能的生物分子;
非蛋白类小分子
环腺苷酸(cAMP)
环鸟苷酸(cGMP)
三磷酸肌醇(IP3)
二酰基甘油(DAG)
Ca2+
在体内是一个非常重要的信号分子,可以被第一信使如乙酰胆碱等诱导在胞内产生,也可以被第二信使如IP3 等诱导产生,在细胞的多个生理反应中发挥着重要的调控功能
分子开关(molecular switch)
GTPase开关蛋白
结合GTP时为活化状态,开启信号通路,结合GDP为失活状态,关闭信号通路,本身具有GTP酶活性,能将结合的GTP水解为GDP从而变为失活状态
三聚体GTP结合蛋白:Gαβγ
单体GTP结合蛋白:Ras,类Ras;
蛋白激酶/蛋白磷酸酶
由蛋白激酶催化发生磷酸化,蛋白磷酸酯酶催化发生去磷酸化
酪氨酸激酶
丝/苏氨酸激酶
钙调蛋白(CaM)
通过与Ca2+的结合与解离使蛋白分别处于活化或失活的“开启”和“关闭”状态
信号转导系统及其特性
信号转导系统的基本步骤
受体识别信号分子
信号蛋白活化/产生第二信使
信号传播与放大
产生细胞应答
细胞反应终止或下调
信号蛋白的相互作用
蛋白质模式结合域
SH2结构域
PH结构域
信号转导系统的主要特性
特异性
“结合”的特异性
“效应器”特异性
信号的放大效应
网络化与反馈调节机制
细胞对信号的整合作用
信号蛋白复合物的装配
3种不同的策略
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,向下游传递
依赖激活的细胞表面受体装配细胞内信号蛋白复合物
受体结合胞外信号被激活后,在临近质膜上形成修饰的肌醇磷脂分子,募集具有PH结构域的信号蛋白,装配形成复合物,向下游传递
分子开关、信号蛋白的相互作用
GPCR介导的信号转导
G蛋白偶联受体结构与作用机制
共同元件
G蛋白偶联受体:7次跨膜的α螺旋,N端在胞外,C端在胞质
三聚体GTP结合调节蛋白:G蛋白——Gαβγ;α有GTPase活性;βγ为异二聚体;
效应器蛋白:离子通道蛋白、腺苷酸环化酶AC、磷酸酯酶C(PLC)
具有反馈调解或导致受体脱敏的蛋白
G蛋白偶联受体的激活
胞外信号分子→G蛋白偶联受体→三聚体G蛋白→效应器蛋白→向下游传递
G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路
按照效应器蛋白分类
激活离子通道的GPCR
心肌细胞上M型乙酰胆碱受体激活G蛋白开启K+通道
配体→M型乙酰胆碱受体→Gi-α-GDP被GTP取代→三聚体蛋白解离→Gβγ二聚体亚基释放→K+通道开启,引发细胞K+外流,减缓心肌细胞的收缩频率
Gt蛋白偶联的光敏感受体的活化诱发cGMP门控阳离子通道的关闭
视紫红质也称为传导素,是一个7次跨膜的视蛋白,是视杆细胞的Gt蛋白偶联的光敏感受体
激活或抑制腺苷酸环化酶(AC)的GPCR,以cAMP为第二信使的信号通路
腺苷酸环化酶
特征:12次跨膜的糖蛋白,在Mg2+或Mn2+存在的条件下,催化ATP生成cAMP 
蛋白激酶A(PKA)
激酶是催化底物磷酸化的酶,所以蛋白激酶A的功能是将ATP上的磷酸基团转移到特定蛋白质的丝氨酸或苏氨酸残基上进行磷酸化,被蛋白激酶磷酸化了的蛋白质可以调节靶蛋白的活性。一般认为,真核细胞内几乎所有的cAMP的作用都是通过活化PKA,从而使其底物蛋白发生磷酸化而实现的
cAMP-PKA信号通路对肝细胞和肌肉细胞糖原代谢的调节
肾上腺素或胰高血糖素→GPCR→G蛋白→AC→cAMP浓度增加→激活依赖cAMP的PKA
糖原磷酸化酶激酶(GPK)磷酸化→糖原磷酸化酶(GP)磷酸化→促进糖原分解→血糖浓度上升
糖原合酶(GS)磷酸化→抑制糖原合成
磷蛋白磷酸酶抑制蛋白(IP)磷酸化→磷酸化的IP使PP失活
cAMP浓度减少→依赖cAMP的PKA活性降低→PP活化→①GPK去磷酸化;②GP去磷酸化;③GS去磷酸化;→葡萄糖合成糖原
cAMP-PKA信号通路对真核细胞基因表达的调控
基本反应链:激素→GPCR→G蛋白→AC→cAMP→依赖cAMP的蛋白激酶A→基因调控蛋白磷酸化→基因转录
PKA的催化亚基C通过核孔进入细胞核进入导致基因调控蛋白CREB(cAMP反应元件结合蛋白)磷酸化,磷酸化的CREB与核内CREB结合形成复合物,复合物与靶基因调控序列结合,激活靶基因表达
激活磷脂酶C、以IP3和DAG作为双信使的GPCR介导的信号通路(磷脂酰肌醇信号通路)
PI→PIP→PIP2→胞外信号+GPCR→Gα激活PLC→PIP2水解→IP3+DAG
IP3 –Ca2+信号通路
IP3在细胞质中扩散与内质网上的受体(IP3门控Ca2+通道)结合,开启钙通道,Ca2+流入细胞质,胞内Ca2+浓度升高;IP3门控Ca2+通道受Ca2+双向调控
钙火花(Ca2+ spark)
钙火花:Ca2+通过钙通道释放细胞质中,导致Ca2+浓度瞬间提高,形成钙火花
钙调蛋白(CaM)
由于刺激使细胞中Ca2+浓度升高时,Ca2+同钙调蛋白结合形成钙-钙调蛋白复合物,会引起钙调蛋白构型的变化,增强了钙调蛋白与许多效应物结合的亲和力
DAG-PKA信号通路
PKC以非活性形式分布于细胞质中,胞内Ca2+稍微升高可使其转位到质膜内表面成为“待激活状态”,与质膜上的DAG结合并被活化
PKC-磷脂酶C
是Ca2+和磷脂酰丝氨酸依赖性的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,激活的PKC对其底物蛋白进行磷酸化激活,最后导致一定的生理效应,有“短期生理效应”,也有“长期生理效应”
PKC激活一系列蛋白激酶的级联反应
PKC的活化导致一种抑制蛋白(I -κB)的磷酸化,使基因调控蛋白释放出来,进入细胞核,激活特殊基因的转录
Ca2+—NO-cGMP-活化PKG信号途径
血管内皮细胞生成NO(局部介质)调节血管平滑肌
乙酰胆碱→血管内皮→Ca2+↑→NOS催化→NO→平滑肌细胞→催活鸟苷酸环化酶→cGMP↑→血管平滑肌细胞的Ca2+↓→平滑肌舒张→血管扩张、血流通畅
介导并调控细胞基因表达调控的受体及信号通路
酶联受体介导的信号转导
酶联受体
是指受体本身具有酶活性或偶联具有酶活性的蛋白,通过酶的催化活性将胞外信号传递到胞内的一类受体,又称为催化性受体,都是一次跨膜蛋白质,当胞外的配体结合域与信号分子结合后,酶活性被激活
受体酪氨酸激酶(RTK)

胞内C端有Tyr激酶活性,且有自磷酸化位点
细胞因子受体
就是细胞表面一类与酪氨酸蛋白激酶偶联的受体,受体本身不具有酶活性,但是其胞内段可以与酪氨酸蛋白激酶结合
不具激酶活性,但有胞质Tyr激酶JK的结合位点
共同特征

细胞因子受体与JAK-STAT信号途径
JAK-STAT信号通路的基本步骤
细胞因子与质膜受体特异性结合,引发受体的构象改变,导致二聚化。有助于各自结合的Jak相互靠近,彼此磷酸化,从而激活Jak
活化的Jak磷酸化胞内段的酪氨酸残基,使其成为STAT的锚定位点
STAT通过SH2与酪氨酸残基结合, STAT被JAK磷酸化。 STAT从受体上解离
两个磷酸化的STAT依靠各自的SH2结合成同源二聚体,从而暴露其NLS,转位到细胞核,调控相关基因转录
受体酪氨酸激酶介导的Ras-MAK蛋白信号通路
胞内接头蛋白:通过结合GEF与活化的RTK,可连接并活化Ras蛋白
SH2结构域
活化的RTKs通过磷酸酪氨酸残基结合多种细胞中带有SH2结构域的蛋白
两类RTK结合蛋白都有Src同源区(SH2+SH3)

Ras蛋白──GTPase分子开关
Ras蛋白有弱的GTP酶活性,Ras蛋白的活性状态对细胞的生长、分化、细胞骨架、蛋白质运输和分泌等都具有影响
Ras的活性受两个蛋白的控制
鸟苷交换因子(GEF)-SOs蛋白
GTP酶激活蛋白(GAP)
存在于正常细胞中,主要作用是激活Ras蛋白的GTP酶
活化的Ras激活MAPK级联反应
MAPK:促分裂原活化的蛋白激酶,可使底物蛋白的Ser/Thr磷酸化,调节细胞周期和细胞分化的特异性蛋白表达的转录因子
配体 → RTK→ 接头蛋白 → GEF → 活化Ras → Raf(MAPKKK)→ MAPKK → MAPK → 进入细胞核 → 转录因子 → 基因表达
PIK3-PKB(Akt)信号通路
PI3K-PKB(Akt)信号通路始于RTK和细胞因子受体的活化,产生磷酸化的酪氨酸残基,从而为募集PI3K向膜上转位提供锚定位点
PI3K(磷脂酰肌醇-3-激酶)
具有SH2结构域;PI3K既具有Ser/Thr激酶活性,又具有磷脂酰肌醇激酶的活性
PI3K催化PI-4-P生成PI-3,4-P2 ,催化PI-4,5-P2生成PI-3,4,5-P3 。这些膜结合的PI-3,4,5-P3为多种信号转导蛋白提供锚定位点,进而介导多种下游信号通路
PKB(Akt)
重要的信号转导分子
N端含有一个PH结构域
PI3K-PKB信号途径是另一条与磷脂酰肌醇有关的信号通路,也是RTK衍生的信号通路
TGF-β-Smad信号通路
其他细胞表面受体介导的信号转导
Wnt受体和Hedgehog受体信号通路
Wnt和Hedgehog(Hh)受体:7次跨膜

Wnt-β-catenin信号通路

信号通路
无Wnt信号:β-catenin结合在由Axin介导形成的胞质复合物上,并被复合物中的GSK3磷酸化,磷酸化的β-catenin泛素化后被蛋白酶体识别降解,转录因子TCF与抑制因子结合在核内作为阻遏物抑制靶基因转录
有Wnt信号:Wnt信号与受体Fz结合,引发辅助受体LRP被GSK3磷酸化,从而使支架蛋白Axin与LRP结合,导致Axin/APC/ GSK3/β-catenin复合物解离,避免β-catenin被降解。游离的β-catenin转位到细胞核,与核内转录因子TCF结合,调控特殊靶基因的表达
Hedgehog受体介导的信号通路

信号通路
缺乏Hh信号:受体Ptc抑制胞内膜泡上的Smo,而胞内的调节蛋白形成复合物并与微管结合。在这个大的复合物中,关键的转录因子是一个锌指蛋白Ci,被各种激酶磷酸化,磷酸化的Ci在泛素蛋白酶系统水解成Ci75片段作为基因阻遏物进入细胞核抑制靶基因表达
有Hh信号:Hh信号与Ptc受体结合,抑制Ptc活性,引发Ptc内吞并被消化,从而解除对Smo的抑制。Smo通过膜泡融合移位到质膜,被CK1和PKA两种蛋白激酶磷酸化,与质膜上的Smo结合的Cos2和Fu被超磷酸化,导致Fu/Cos2/Ci复合物从微管上解离下来,形成稳定形式的Ci(锌指蛋白)。Ci进入细胞核与基因表达调控元件CREB结合蛋白(CBP)结合,最为靶基因转录的激活子而发挥作用
NF-κB信号通路和Notch信号通路
共同特点:抑制或本身受体蛋白切割释放活化的转录因子,转录因子再转位到细胞核内调控基因表达
NF-κB信号通路:涉及应答多种胞外信号刺激

信号通路:胞外信号→膜上受体→胞质中异三聚体I-κBα激酶→I-κBα被磷酸化,I-κBα被泛素化/蛋白酶体降解→NF-κB的抑制解除→NF-κB进入细胞核激活靶基因转录
Notch信号通路

信号转导过程:Delta信号分子与受体Notch蛋白相互作用,信号的激活涉及受体本身要发生两次切割。第一次是被结合在膜上的基质金属蛋白酶切割,释放出Notch的胞外片段;第二次切割发生在Notch疏水的跨膜区,有γ分泌酶催化,被切割后释放出Notch的胞内片段,该片段是Notch的活性形式,该Notch片段转位到细胞核与其它转录因子协同作用,调节靶基因转录
细胞内核受体及其对基因表达的调节
本质是依赖激素激活的基因调控蛋白
细胞内受体一般含有3个功能结构域

细胞内受体介导的信号传递机制

类固醇激素诱导的基因活化分为两个阶段

细胞信号转导的整合与调控
细胞对信号的应答反应具有发散性或收敛性特征
发散性举例
促红细胞生成素(Epo)为信号分子为例,Epo通过膜上的酶联受体介导信号转导。发散性体现在,同样的受体与Epo信号分子结合后,导致受体相联系的酶的活性不同,从而产生4条不同的、且相平行的信号通路。4条信号通路从不同的角度影响和改变细胞的代谢状态,4条信号通路也从不同的角度影响基因表达的调控蛋白,从而影响基因表达。类似于这样的,一个受体接受一类信号,产生不同的平行通路,最后这些通路重叠交叉地产生两大类效应
收敛性举例

蛋白激酶的网络整合信息

信号的控制:受体的脱敏与下调
受体没收
:受体被胞吞
受体下调
:内吞的受体和溶酶体结合被消化,使得受体浓度下降
受体失活
:G蛋白偶联受体的胞内段被GRK磷酸化,抑制蛋白β-arrestin与其结合导致G蛋白偶联受体不能再与G蛋白结合而失活
信号蛋白失活
:细胞内的信号蛋白被发生变化,比如被抑制物抑制,从而使信号通路被阻断
抑制性蛋白产生
:受体结合信号被激活后,在下游反应中(比如基因表达调控)产生抑制蛋白形成负反馈环从而降低或阻断信号通路