细胞信号转导脑图

本图汇总了细胞生物学中细胞信号转导的内容，包含信号传到与蛋白激酶、胞外信号分子和细胞受体、信使及其介导的信号通路等。

细胞信号转导

• 胞外信号分子和细胞受体
  • 细胞外信号
    • 第一信使（first messenger）：由细胞分泌的、能够调节机体功能的一大类生物活性物质，它们是细胞间通讯的信号
    • 细胞外信号的作用机制
      • 与细胞膜上或细胞浆内特定的受体结合，将信息转导给细胞浆或细胞核中的功能反应体系，启动细胞产生效应
    • 细胞外信号的分类
      • ⑴ 根据胞外信号的特点及作用方式分类
        • 1.激素——胰岛素、甲状腺素和肾上腺素; 2.神经递质——乙酰胆碱、去甲肾上腺素; 3.局部化学介质——生长因子、前列腺素和一氧化氮。
      • ⑵ 根据与受体结合后细胞所产生的效应的不同分类
        • 1.激动剂：与受体结合后产生效应的物质
        • 2.拮抗剂：与受体结合后不产生效应但可阻碍激动剂对细胞的作用
  • 受体
    • 种类
      • 膜受体
        • 离子通道受体（ion channel receptor）
          • 结构特点
            • 由多个亚基组成的多聚体，每个亚基具有2、4或5个跨膜域，可供离子通过
          • 作用特点
            • 既可与细胞外信号分子结合，同时又是离子通道，因此具有受体与离子通道耦联的特点
            • 介导的信号转导反应是一种快速的反应，为神经系统和其他电激发细胞，如肌细胞所特有
        • G蛋白耦联受体（G protein linked receptor
          • 通过间接调节G蛋白的活性进行信号转导
            • 膜受体中最大的家族，分布广泛，几乎遍布所有细胞
            • 介导的信号转导过程较慢，但敏感、灵活，而且类型多样
          • 结构
            • 为一条多肽链构成的糖蛋白，分为：
              • 1.胞外区：N末端，带有多个糖基化位点。 2.胞膜结构区：由7个跨膜α螺旋结构组成，其氨基酸组成高度保守。 α螺旋结构——受体配体结合区域。 胞质内的细胞内环——G蛋白识别区域。 3.胞内区：C末端，该位点的丝氨酸、苏氨酸为磷酸化部位。
          • G蛋白（G protein）
            • 概念
              • 与受体耦联并能和鸟苷酸结合的一类蛋白质，位于细胞膜胞质面，为可溶性膜外周蛋白，由α、β和γ三种亚基组成
            • 功能
              • 通过自身构象的变化激活效应蛋白（effector protein），实现信号从胞外向胞内的传递
            • G蛋白作用过程
              • 当配体与受体结合时
                • 受体与α亚基相互作用—— α亚基与GDP解离，与GTP结合 —— G蛋白解体——β、γ二聚体沿细胞膜自由扩散——激活下游效应蛋白。
              • 当配体与受体解离时
                • α亚基分解GTP——与GDP结合——与效应蛋白分离 与β、γ亚基构成三聚体——G蛋白回到静息状态。
            • G蛋白分类
              • 激动型G蛋白（Gs家族）：激活腺苷酸环化酶
              • 抑制型G蛋白（Gi家族）：抑制腺苷酸环化酶
              • 磷脂酶C型G蛋白（Gp家族）：激活磷脂酶C
        • 酪氨酸蛋白激酶型受体（tyrosine-specific protein kinase receptor，TPKR）
          • 酪氨酸蛋白激酶型受体是一类本身具有酪氨酸激酶活性的受体由一条多肽链构成的跨膜糖蛋白，具有酪氨酸激酶活性
          • 结构
            • 胞外区：N端，是配体结合部位
            • 胞质区：C端，含酪氨酸激酶功能区，该区在氨基酸组成上高度保守，包括结合ATP与结合底物两个区域
            • 跨膜区：由一个高度疏水的α螺旋构成，由22～26个氨基酸组成
          • 作用过程
            • 配体与受体结合→受体胞外结构域构象改变→胞内结构域构象改变→受体C端酪氨酸残基磷酸化→激活受体激酶→形成一个或数个SH2结合位点→结合并激活具有SH2结构的蛋白质→进一步催化细胞内的生化反应
          • 作用特点
            • 引起细胞产生效应的过程缓慢，一般需数分钟
          • 功能
            • 配体主要为一些生长因子和分化因子，在参与细胞生长和分化的调控中起重要的作用
      • 胞内受体
        • 结构
          • 通常为400～1000个氨基酸组成的单体蛋白
          • N末端
            • 1.氨基酸序列高度可变，长度不一； 2.具有转录激活作用； 3.具有抗体结合区
          • C末端
            • 1.配体结合区：对受体的二聚化及转录激活有要作用。 2.DNA结合区：由66～68个氨基酸残基组成，富含半胱氨酸残基，可与DNA结合。 3.铰链区：配体结合区与DNA结合区之间的区域，序列较短，其功能尚未完全明确
        • 分布
          • 胞浆受体：位于胞浆中，如糖皮质激素和盐皮质激素的受体
          • 核受体：存在于胞核，如维生素D3及维甲酸受体有些受体可同时存在于胞浆及胞核中，如雌激素受体、雄激素受体等
        • 功能
          • 作为基因转录调节蛋白
            • 与配体结合→分子构象改变→进入功能活化状态→ DNA结合区与DNA分子上的激素调节元件结合→促进或抑制基因转录
        • 特点
          • 反应过程长，细胞产生效应一般需经历数小时至数天
    • 受体作用的特点
      • 1.受体能选择性地与特定配体结合
      • 2.受体与配体的结合力强
      • 受体配体结合后显示可饱和性
      • 受体配体的结合具有可逆性
      • 受体配体的结合可通过磷酸化和去磷酸化进行调节
• 受体酪氨酸激酶介导的信号通路
• 细胞因子受体介导的信号通路
• 蛋白水解相关的信号通路
• 第二信使及其介导的信号通路
  • 细胞内信使：是指受体被激活后在细胞内产生的、能介导信号转导的活性物质，称为第二信使（second messenger）
  • cAMP信使体系
    • 环磷酸腺苷 (cyclic AMP，cAMP)：是最重要的胞内信使
      • 催化ATP生成cAMP
      • 主要作用
        • 激活PKA，进而使下游信号蛋白丝氨酸/苏氨酸残基的磷酸化被激活或钝化，产生细胞效应
        • 离子通道通透性的调节
    • 腺苷酸环化酶（adenylate cyclase, AC）
    • cAMP依赖性蛋白激酶A（cAMP-dependent protein kinase A，PKA）
      • PKA是能被cAMP活化的蛋白激酶
      • 活化过程：PKA与cAMP结合→C亚基获得蛋白激酶活性→蛋白底物磷酸化→调节细胞的代谢反应
      • 特点：对底物特异性要求低，催化底物广泛
  • cGMP信使体系
    • 环磷酸鸟苷 (cyclic GMP，cGMP)： 广泛存在于动物细胞中的胞内信使
      • 通过激活cGMP依赖蛋白激酶G，使相应的蛋白质磷酸化，引起细胞效应
      • cGMP可直接作用于Na+离子通道
    • 鸟苷酸环化酶（guanylate cyclase，GC）
    • cGMP依赖蛋白激酶G（cGMP depedent protein kinase G，PKG）
      • 结构：由催化亚基和调节亚基组成的二聚体
      • 功能
        • 通过催化底物蛋白（组蛋白、磷酸化酶激酶、糖原合成酶及丙酮酸激酶等）发挥生物学效应
        • 通过磷酸转移酶作用，使自身磷酸化，进而通过抑制方式来调节其活性
  • 二酯酰甘油/三磷酸肌醇信使体系
  • 钙离子/钙调蛋白信使体系
    • 钙离子的信使作用是通过其浓度的升高或降低来实现的
    • 钙调蛋白（calmodulin，CaM）
      • 结构：由一条多肽链组成，呈哑铃形构象，每一个分子的CaM可以结合4个钙离子
      • 活化：当细胞中钙离子浓度超过10-2mM时，无活性的CaM即可与钙离子结合，使其构象发生改变而被活化，由此激活靶蛋白或靶酶
    • 钙离子/钙调蛋白信使功能
      • 钙信号使细胞内某些酶的活性和蛋白质功能发生改变，进而产生细胞效应。
      • CaM通过激活细胞膜上的Ca2+泵，调节细胞内的Ca2+浓度
      • Ca2+直接对离子通道进行调节
• 信号转导与蛋白激酶
  • 一、信号转导的特点
    • 1．信号转导分子激活机理的类同性
      • 蛋白质的磷酸化和去磷酸化，是绝大多数信号分子可逆地激活的共同机制
    • 2．信号转导过程中的级联式反应
      • 信号转导过程中的各个反应相互衔接，形成一个级联反应过程
    • 3．信号转导途径的通用性与特异性
      • 信号转导途径的通用性是指同一条信号转导途径可在细胞的多种功能效应中发挥作用
      • 信号转导途径产生的基础是受体的特异性
    • 4．胞内信号转导途径的相互交叉
      • (1)一条信号转导途径的成员可激活或抑制另一条信号转导途径；
      • (2)不同的信号转导途径可通过同一种效应蛋白或同一基因调控区，彼此协调地发挥作用
  • 二、蛋白激酶
    • 蛋白质酪氨酸激酶
      • 蛋白酪氨酸激酶（protein tyrosine kinase，PTK）：是一类激活后可催化底物蛋白酪氨酸残基磷酸化的激酶，为蛋白激酶家族中最重要的成员之一，对细胞生长、增殖和分化等过程起重要的调节作用
      • 两类
        • 位于细胞膜上的受体型PTK：与配体结合后，发生自身磷酸化，作用于底物
        • 位于胞质中非受体型PTK：有9个亚族，JAK是其中一个主要的PTK亚族 ，能与非催化型受体偶联，在信号转导中起作用
    • 蛋白质丝氨酸/苏氨酸激酶
      • 丝氨酸/苏氨酸激酶（serine/threonine kinases，STK）： 通过变构而激活蛋白质，催化底物蛋白丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化
      • 种类：PKA、PKC、PKG、钙调蛋白依赖性蛋白激酶（CaMK）和丝裂原激活蛋白激酶（MAPK）等。
  • 三、几种细胞信号转导通路
    • (一)MAPK信号通路
      • MAPK是一系列激酶酶促级联反应中重要的一环，将多种细胞外刺激信号从细胞膜转导到细胞核内，参与细胞生长、增殖、分化以及凋亡等重要生理过程的调控
    • (二)JAK- STAT信号通路
      • 该通路借助JAKs激活STAT而最终影响到基因的转录调节
      • JAK激酶是非受体酪氨酸激酶
      • JAK激酶活化后激活其下游信号蛋白分子——信号转导和转录激活因子（STAT），从而进行胞内信号传递
    • (三) Wnt 信号通路
      • 该通路由Wnt蛋白、相应受体及调节蛋白等成分构成 。
      • Wnt 蛋白及其受体、调节蛋白等组成复杂的Wnt 信号通路
      • 调控细胞的增殖、分化，参与哺乳动物生殖系统正常发育的多个重要过程
    • (四)TGF-β信号转导通路
      • 该通路通过细胞内信号分子Smad将细胞外信号转导到细胞核内
      • TGF-β与细胞表面的受体结合，磷酸化细胞内的受体激活型Smad分子。后者在细胞质内与通用型Smad组成复合体，被转运到细胞核，发挥转录因子的作用，调控下游靶基因的表达水平
    • (五)NF-κB信号通路
      • 该通路参与细胞内的炎症和应激反应
      • 核转录因子κB （NF-κB ）是与免疫球蛋白重链和κ轻链基因增强子序列特异结合的核蛋白因子
      • 通过与多种基因的启动子和增强子序列位点特异性结合，调节基因的转录和表达，参与免疫、炎症、应激等反应，及调控细胞分化、增殖、凋亡等过程。