此課件可編輯版，如對課件有異議或侵權(quán)的請及時聯(lián)系刪除！課件可編輯版，請放心使用！,.,細胞生物學(xué)教學(xué)課件,第八章第十二章,2,第八章蛋白質(zhì)分選與膜泡運輸,第一節(jié)細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的分選第二節(jié)細胞內(nèi)膜泡運輸,3,第一節(jié)細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的分選,真核細胞中除線粒體和植物細胞葉綠體中能合成少量蛋白質(zhì)外，絕大多數(shù)蛋白質(zhì)都是由核基因編碼，起始合成均發(fā)生在游離核糖體上，然后或在細胞質(zhì)基質(zhì)（游離核糖體）中完成翻譯過程，或在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜結(jié)合核糖體上完成合成。然而，蛋白質(zhì)發(fā)揮結(jié)構(gòu)或功能作用的部位幾乎遍布細胞的各種區(qū)間或組分。因此必然存在不同的機制以確保蛋白質(zhì)分選，轉(zhuǎn)運至細胞的特定部位，也只有蛋白質(zhì)各就各位并組裝成結(jié)構(gòu)與功能的復(fù)合體，才能參與實現(xiàn)細胞的各種生命活動。這一過程稱蛋白質(zhì)分選（proteinsorting）或蛋白質(zhì)尋靶（proteintargeting）。蛋白質(zhì)分選不僅保證了蛋白質(zhì)的正確定位，也保證了蛋白質(zhì)的生物學(xué)活性。實際上，蛋白質(zhì)分選主要依靠蛋白質(zhì)自身信號序列，從蛋白質(zhì)起始合成部位轉(zhuǎn)運到其功能發(fā)揮部位的過程。一、信號假說與蛋白質(zhì)分選信號二、蛋白質(zhì)分選轉(zhuǎn)運的基本途徑與類型三、蛋白質(zhì)向線粒體、葉綠體和過氧化酶體的分選,4,一、信號假說與蛋白質(zhì)分選信號,細胞質(zhì)的游離核糖體產(chǎn)生非分泌蛋白，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)附著核糖體產(chǎn)生分泌蛋白。核糖體沒有結(jié)構(gòu)差異，假設(shè)存在于蛋白質(zhì)本身。信號假說（signalhypothesis）：分泌蛋白可能攜帶N端短信號序列，一旦該序列從核糖體翻譯合成，結(jié)合因子和蛋白結(jié)合，指導(dǎo)其轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，后續(xù)翻譯過程將在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上進行?，F(xiàn)在已知，信號假說是解釋分泌性蛋白在糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的重要理論，該過程是包括蛋白質(zhì)N端的信號肽、信號識別顆粒和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上信號識別顆粒的受體（又稱停泊蛋白）等因子共同協(xié)助完成的。信號肽（signalpeptide）：信號肽位于蛋白質(zhì)的N端，一般由1626個氨基酸殘基組成，其中包括信號肽疏水核心區(qū)、N端和C端等3部分；原核細胞某些分泌性蛋白的N端也具有信號序列。值得注意的是，信號肽似乎沒有嚴格的專一性（好利用?。?5,信號肽的一級結(jié)構(gòu)序列（圖8-1）,6,信號識別顆粒（signalrecognitionparticle，SRP）：信號識別顆粒是由6種不同蛋白質(zhì)和一個7S小RNA分子構(gòu)成的RNP顆粒。SRP含有2種結(jié)構(gòu)域，即信號肽識別結(jié)構(gòu)域和核糖體結(jié)合結(jié)構(gòu)域，其中信號肽識別結(jié)構(gòu)域中的p54蛋白是一種包含成簇Met殘基的GTP酶，Met側(cè)鏈與信號肽的疏水核心結(jié)合；當SRP與信號肽結(jié)合后，核糖體結(jié)合結(jié)構(gòu)域中的p9和p14蛋白復(fù)合體阻斷新生肽鏈的翻譯。SRP通常存在于細胞質(zhì)基質(zhì)中，等待信號肽從多核糖體上延伸暴露出來，SRP既可與新生信號肽序列和核糖體大亞基結(jié)合，又可與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上SRP受體結(jié)合，指導(dǎo)新生多肽及核糖體和mRNA附著到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上。信號識別顆粒的受體（又稱停泊蛋白，dockingprotein，DP）：DP是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的整合蛋白，由和亞基組成，可特異地與SRP結(jié)合。亞基可結(jié)合GTP。信號肽酶（signalpeptidase）：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔面上蛋白水解酶，負責(zé)切除并快速降解新生多肽的N端信號肽序列。,7,信號識別顆粒（SRP）的結(jié)構(gòu)示意圖（圖8-2）,8,在非細胞系統(tǒng)中蛋白質(zhì)的翻譯過程與SRP、DP和微粒體的關(guān)系（表8-1）,9,分泌性蛋白的合成與跨越內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的共翻譯轉(zhuǎn)運圖解（圖8-3）,共翻譯轉(zhuǎn)運（cotranslationaltranslocation）：分泌蛋白向rER腔內(nèi)的轉(zhuǎn)運是同蛋白質(zhì)翻譯過程偶聯(lián)進行的，這種蛋白在信號肽引導(dǎo)下邊翻譯邊跨膜轉(zhuǎn)運的過程稱為共翻譯轉(zhuǎn)運。,10,膜蛋白的共翻譯轉(zhuǎn)運機理,膜蛋白的共翻譯轉(zhuǎn)運涉及幾個問題：（1）靠疏水區(qū)滯留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上；（2）單次跨膜和多次跨膜；（3）跨膜段的定向。開始轉(zhuǎn)移序列（starttransfersequence）：位于新生肽鏈N端的信號序列（信號肽）（最終不保留），既可被SRP識別，又可引導(dǎo)新生肽鏈開始穿膜轉(zhuǎn)移。內(nèi)部信號錨定序列（internalsignal-anchorsequence,SA）：位于新生肽鏈內(nèi)部的疏水序列，既是信號序列，又是肽鏈跨膜錨定在脂雙層中的序列。內(nèi)部停止轉(zhuǎn)移錨定序列（internalstop-transferanchorsequence,STA）：位于新生肽鏈內(nèi)部的疏水序列，既是肽段終止轉(zhuǎn)移，又是肽鏈跨膜錨定在脂雙層中的序列。多次跨膜蛋白：含有多個SA和多個STA的肽鏈將成為多次跨膜蛋白?？鐑?nèi)質(zhì)網(wǎng)膜肽段的取向：一般而言，帶正電荷氨基酸殘基多的一端，或帶正電荷氨基酸殘基多的一側(cè)，朝向細胞質(zhì)基質(zhì)一側(cè)（外側(cè)）。,11,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜整合蛋白的拓撲學(xué)類型（圖8-4）,STA：內(nèi)部停止轉(zhuǎn)移錨定序列SA：內(nèi)部信號錨定序列,12,線粒體、葉綠體和過氧化物酶體的蛋白質(zhì)的信號序列特稱為導(dǎo)肽（leaderpeptide），其基本的特征是蛋白質(zhì)在細胞質(zhì)基質(zhì)中的游離核糖體上合成以后再轉(zhuǎn)移到這些細胞器中，因此稱這種翻譯后再轉(zhuǎn)運的方式為翻譯后轉(zhuǎn)運（post-translationaltranslocation）。這種轉(zhuǎn)運方式在蛋白質(zhì)跨膜過程中不僅需要消耗ATP使多肽去折疊，而且還需要跨膜后由分子伴侶幫助蛋白質(zhì)再正確折疊形成有功能的蛋白。繼信號假說提出與確證后，人們又發(fā)現(xiàn)一系列蛋白質(zhì)分選信號序列，統(tǒng)稱信號序列（signalsequence），而且有些信號序列還可形成三維結(jié)構(gòu)的信號斑（signalpatch），指導(dǎo)蛋白的靶向轉(zhuǎn)運和定位。,13,指導(dǎo)蛋白質(zhì)從細胞基質(zhì)轉(zhuǎn)運到細胞器的靶向序列的主要特征（表8-2）,14,二、蛋白質(zhì)分選轉(zhuǎn)運的基本途徑與類型,核基因編碼的蛋白質(zhì)的分選大體可分2條途徑：（1）共翻譯轉(zhuǎn)運（cotranslationaltranslocation）途徑：即蛋白質(zhì)合成在游離核糖體上起始之后，由信號肽和與之結(jié)合的SRP引導(dǎo)轉(zhuǎn)移至糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，然后新生肽邊合成邊轉(zhuǎn)入糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔或定位在ER膜上，經(jīng)轉(zhuǎn)運膜泡運到高爾基體加工包裝再分選至溶酶體、細胞質(zhì)膜或分泌到細胞外。這種蛋白在信號肽引導(dǎo)下邊翻譯邊跨膜轉(zhuǎn)運的過程稱為共翻譯轉(zhuǎn)運。注意：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體本身的蛋白質(zhì)分選也按此途徑來完成。（2）翻譯后轉(zhuǎn)運（post-translationaltranslocation）途徑：即蛋白質(zhì)在細胞質(zhì)基質(zhì)游離核糖體上合成以后，再轉(zhuǎn)移到膜圍繞的細胞器，如細胞核、線粒體、葉綠體和過氧化物酶體，或者成為細胞質(zhì)基質(zhì)的可溶性駐留蛋白和骨架蛋白。酵母中有些分泌蛋白由結(jié)合ATP的分子Bip蛋白（Bip-ATP）與膜整合蛋白Sec63復(fù)合物相互作用，水解ATP提供動力驅(qū)動翻譯后轉(zhuǎn)運途徑，即分泌蛋白在細胞質(zhì)基質(zhì)游離核糖體上合成后，再轉(zhuǎn)運至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中。,15,真核細胞蛋白質(zhì)分選的主要途徑與類型（圖8-5）,左：共翻譯轉(zhuǎn)運右：翻譯后轉(zhuǎn)運,16,根據(jù)蛋白質(zhì)分選的機制或轉(zhuǎn)運方式不同，又可將蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運分為4類：（1）跨膜轉(zhuǎn)運（transmembranetransport）：指共翻譯轉(zhuǎn)運途徑中蛋白質(zhì)邊合成邊轉(zhuǎn)運進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔或插入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜；另指翻譯后轉(zhuǎn)運途徑中蛋白質(zhì)在合成后依不同機制轉(zhuǎn)運到線粒體、葉綠體和過氧化物酶體等細胞器。（2）膜泡運輸（vesiculartransport）：蛋白質(zhì)被不同類型的轉(zhuǎn)運膜泡從糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成部位轉(zhuǎn)運至高爾基體進而再分選轉(zhuǎn)移至細胞的不同部位，其中涉及供體膜出芽形成不同的轉(zhuǎn)運膜泡、膜泡運輸和轉(zhuǎn)運膜泡與靶膜的融合等過程。（3）選擇性門控轉(zhuǎn)運（gatedtransport）：在游離核糖體上合成的蛋白質(zhì)通過核孔復(fù)合體在核-質(zhì)間雙向選擇性地完成核輸入或核輸出。（4）細胞質(zhì)基質(zhì)中蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運：蛋白質(zhì)在細胞質(zhì)基質(zhì)中的轉(zhuǎn)運顯然與細胞骨架系統(tǒng)密切相關(guān)，其它不明。,17,三、蛋白質(zhì)向線粒體、葉綠體和過氧化酶體的分選,轉(zhuǎn)運到線粒體、葉綠體和過氧化物酶體等細胞器的蛋白質(zhì)分選是一個多步過程，需要多個不同的靶向序列（targetingsequence）。定位到葉綠體的前體蛋白N端具有4050個氨基酸組成的轉(zhuǎn)運肽（transitpeptide），用以指引多肽定位到葉綠體并進一步穿過葉綠體被膜進入基質(zhì)或類囊體中。轉(zhuǎn)運到線粒體和過氧化物酶體的蛋白質(zhì)靠的是線粒體蛋白N端的導(dǎo)肽（leaderpeptide）或過氧化物酶體蛋白C端的靶向序列（targetingsequence）。注意：蛋白質(zhì)最終的定位還需要其它空間定位信號；蛋白質(zhì)必須在分子伴侶的幫助下解折疊或維持非折疊狀態(tài)，以利于通過膜；蛋白質(zhì)輸入通常需要能量。,18,（一）蛋白質(zhì)從細胞質(zhì)基質(zhì)輸入到線粒體,1.線粒體蛋白從細胞質(zhì)基質(zhì)輸入到線粒體基質(zhì)：兩性的N端靶向信號序列（形成螺旋構(gòu)象）對于指導(dǎo)蛋白質(zhì)輸入線粒體基質(zhì)是至關(guān)重要的；需要分子伴侶胞質(zhì)蛋白Hsc70和線粒體基質(zhì)蛋白Hsc70協(xié)助；需要從內(nèi)外膜接觸點的Tom（外膜移位子）和Tim（內(nèi)膜移位子）處輸入。2.線粒體蛋白以3種途徑從細胞質(zhì)基質(zhì)輸入到線粒體內(nèi)膜：途徑A：具有N端基質(zhì)靶向序列和內(nèi)部停止轉(zhuǎn)移序列；途徑B：具有N端基質(zhì)靶向序列和內(nèi)部疏水的Oxa1靶向序列（內(nèi)膜蛋白Oxa1所識別）；途徑C：沒有N端基質(zhì)靶向序列，含有多個內(nèi)部靶向序列；倆種膜間隙蛋白（Tim9/10）為外膜與內(nèi)膜之間轉(zhuǎn)運的分子伴侶。3.線粒體蛋白質(zhì)從細胞質(zhì)基質(zhì)輸入到線粒體膜間隙：途徑A：具有N端基質(zhì)靶向序列和內(nèi)部間隙靶向序列（其過程類似內(nèi)膜蛋白途徑A，需要內(nèi)膜上蛋白酶于膜間隙一側(cè)切割釋放。）；途徑B：通過外膜Tom40孔直接進入膜間隙。,19,通過后翻譯轉(zhuǎn)運途徑對核基因編碼的線粒體蛋白的轉(zhuǎn)運（圖8-6）,A：線粒體蛋白從細胞質(zhì)基質(zhì)輸入到線粒體基質(zhì)B：線粒體蛋白通過3種途徑從細胞質(zhì)基質(zhì)輸入到線粒體內(nèi)膜C：線粒體蛋白通過2種途徑從細胞質(zhì)基質(zhì)輸入到線粒體膜間隙,20,（二）葉綠體基質(zhì)蛋白與類囊體蛋白的靶向輸入,進入基質(zhì)與線粒體的相似：葉綠體前體蛋白具有N端葉綠體（基質(zhì)）靶向序列和類囊體靶向序列，進入基質(zhì)與線粒體的相似：如前體蛋白非折疊，依賴于基質(zhì)Hsc70水解ATP提供能量。但與線粒體不同的是：不產(chǎn)生跨內(nèi)膜的電化學(xué)梯度。進入基質(zhì)后不同蛋白的轉(zhuǎn)運途徑不同：一個是葉綠體SRP依賴途徑（與蛋白質(zhì)進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)過程相似）；另一種是pH依賴途徑（蛋白質(zhì)與其輔因子結(jié)合，在類囊體靶向序列N端的2個Arg殘基和跨線粒體內(nèi)膜的pH梯度是折疊蛋白輸入到類囊體腔所必需的。）。,21,通過翻譯后轉(zhuǎn)運途徑將葉綠體蛋白從細胞質(zhì)基質(zhì)輸入到類囊體腔（圖8-7）,Toc：外膜轉(zhuǎn)運體復(fù)合物Tic：內(nèi)膜轉(zhuǎn)運體復(fù)合物,22,（三）過氧化物酶體蛋白的分選,過氧化物酶體是真核細胞中唯一利用分子氧氧化底物形成小分子用于合成途徑的細胞器。由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)出芽衍生出前體膜泡，然后過氧化物酶體的膜蛋白摻入，形成過氧化物酶體雛形。過氧化物酶體靶向信號（PTS）：常見的C端PTS1（Ser-Lys-Leu）和少見的N端PTS2（Arg/Lys-Leu/Ile-5X-His/Gln-Leu）?？扇苄约毎|(zhì)受體識別并結(jié)合具有PTS序列的基質(zhì)蛋白將其靶向運輸?shù)竭^氧化物酶體的基質(zhì)中?？扇苄约毎|(zhì)受體（Pex5或Pex7）和膜結(jié)合受體（Pex14）似乎與SRP和SRP受體的功能有相似性。需要ATP水解提供能量?？蓞⒖紙D7-19及相關(guān)內(nèi)容。,23,過氧化物酶體靶向序列1（PTS1）指導(dǎo)的過氧化物酶體基質(zhì)蛋白的輸入（圖8-8）,24,第二節(jié)細胞內(nèi)膜泡運輸,一、膜泡運輸概觀二、COP包被膜泡的裝配與運輸三、COP包被膜泡的裝配與運輸四、網(wǎng)格蛋白接頭蛋白包被膜泡的裝配與運輸五、轉(zhuǎn)運膜泡與靶膜的錨定和融合六、細胞結(jié)構(gòu)體系的組裝,25,一、膜泡運輸概觀,在細胞分泌與胞吞過程中，以膜泡運輸方式介導(dǎo)的蛋白質(zhì)分選途徑形成細胞內(nèi)復(fù)雜的膜流。這種膜流具有高度組織性、方向性并維持動態(tài)平衡。在細胞的膜泡運輸中，糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相當于重要的物質(zhì)生產(chǎn)車間和供應(yīng)站，而高爾基體是重要的樞紐和集散中心。高爾基體聚集在微管組織中心（MTOC）附近。高爾基體不同的膜囊具有各自不同的成分，其它內(nèi)膜系統(tǒng)的成員也一樣，這是行使復(fù)雜膜泡運輸功能的物質(zhì)基礎(chǔ)。受體蛋白返回原來的膜結(jié)構(gòu)中有利于維持特定膜成分的相對穩(wěn)定，如從受體介導(dǎo)的胞吞泡返回到質(zhì)膜上，從高爾基體順面膜囊返回到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)以及從溶酶體返回到高爾基體的TGN等。很多蛋白質(zhì)分子的表面可能含有多種介導(dǎo)轉(zhuǎn)移與分選的信號。轉(zhuǎn)運膜泡形成或出芽主要發(fā)生在膜的特異部位，即蛋白信號與受體結(jié)合的部位。細胞內(nèi)膜泡運輸需要多種轉(zhuǎn)運膜泡參與，根據(jù)轉(zhuǎn)運膜泡表面包被蛋白的不同，主要分3種不同類型：網(wǎng)格蛋白/接頭蛋白包被膜泡、COP（包被蛋白）包被膜泡和COP包被膜泡，它們分別介導(dǎo)不同的膜泡轉(zhuǎn)運途徑,26,蛋白質(zhì)的分泌與胞吞途徑概觀（圖8-9）,27,在細胞合成-分泌與內(nèi)吞途徑中3種不同的主要膜泡運輸方式（圖8-10）,網(wǎng)格蛋白/接頭蛋白包被膜泡從TGN出芽和從質(zhì)膜內(nèi)化形成，脫包被后與晚期胞內(nèi)體融合；COP（包被蛋白）包被膜泡介導(dǎo)順向運輸（二去）；COP包被膜泡介導(dǎo)逆向運輸（一來）。,28,蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運中涉及的3種包被膜泡的特征比較（表8-3）,29,二、COP包被膜泡的裝配與運輸,COP（包被蛋白）包被膜泡介導(dǎo)的細胞內(nèi)順向運輸，即負責(zé)從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體的物質(zhì)運輸。Sar1：一種調(diào)節(jié)膜泡轉(zhuǎn)運的小G蛋白，有一個共價結(jié)合的疏水N端脂基團，幫助其插入ER膜，同膜結(jié)合的Sar1對包被蛋白的進一步裝配起募集者作用。膜泡轉(zhuǎn)運既能轉(zhuǎn)運膜結(jié)合的蛋白，又能通過膜受體識別并轉(zhuǎn)運可溶性蛋白，其包裝特異性取決于被轉(zhuǎn)運蛋白的靶向分選序列，借以區(qū)分哪些膜蛋白或可溶性蛋白將進一步包裝轉(zhuǎn)運，哪些將作為駐留蛋白而被排除在外，從而使膜泡包被直接選擇靶向序列或分選信號。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)被轉(zhuǎn)運的膜蛋白具有雙酸（Asp-X-Glu）分選信號，Sec24亞基為其受體。參見表8-3/-4和圖8-11/-12,30,Sar1蛋白在Cop包被膜泡裝配與去裝配中作用模型（圖8-11）,31,已知的指導(dǎo)蛋白質(zhì)包裝到特異性轉(zhuǎn)運膜泡的分選信號（表8-4）,32,不同類型的膜泡運輸（圖8-12）,A：COP包被膜泡介導(dǎo)順向運輸和COP包被膜泡介導(dǎo)逆向運輸B：駐留蛋白的回收C：出芽與膜泡包裝,33,三、COP包被膜泡的裝配與運輸,COP包被膜泡介導(dǎo)的細胞內(nèi)膜泡逆向運輸（圖8-12B），負責(zé)從高爾基體反面膜囊到順面膜囊以及從高爾基體順面管網(wǎng)狀區(qū)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的膜泡轉(zhuǎn)運，包括再循環(huán)的膜脂雙層、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)駐留的可溶性蛋白和膜蛋白（如v-SNARE），是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)回收錯誤分選的逃逸蛋白返回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的重要途徑。ARF（裝配反應(yīng)因子）：一種調(diào)節(jié)膜泡轉(zhuǎn)運的小G蛋白，有一個共價結(jié)合的疏水N端脂基團，幫助其插入ER膜，同膜結(jié)合的ARF對包被蛋白的進一步裝配起募集者作用。細胞器中的蛋白質(zhì)是通過2種機制保留及回收來維持的：一是轉(zhuǎn)運膜泡將駐留蛋白有效排斥在外；二是對逃逸蛋白的回收機制，使其返回它們正常駐留的部位。KDEL：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)可溶性駐留蛋白C端分選信號，其受體主要定位在TGN區(qū)、COP和COP包被膜泡的膜上；KKXX：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜蛋白C端分選信號，其受體是COP和亞基。,34,四、網(wǎng)格蛋白接頭蛋白包被膜泡的裝配與運輸,網(wǎng)格蛋白/接頭蛋白包被膜泡介導(dǎo)蛋白質(zhì)從高爾基體TGN向胞內(nèi)體、溶酶體、分泌泡和植物細胞液泡的運輸，也參與質(zhì)膜受體介導(dǎo)的胞吞作用中從細胞表面運往胞內(nèi)體轉(zhuǎn)而到溶酶體的運輸。TGN：既是細胞分泌途徑中物質(zhì)轉(zhuǎn)運的主要分選位點，又是網(wǎng)格蛋白包被膜泡的組裝位點。網(wǎng)格蛋白呈三腿結(jié)構(gòu)，也有自組裝形成多角型網(wǎng)格的特性。接頭蛋白（AP）復(fù)合物（異四聚體）一方面將網(wǎng)格蛋白網(wǎng)格包被連接到膜上（AP的一個亞基與網(wǎng)格蛋白重鏈遠端的球形結(jié)構(gòu)域特異性結(jié)合），另一方面又能特異地促使一些膜結(jié)合蛋白（v-SNARE）富集到形成包被的膜區(qū)，并與之特異性結(jié)合，決定哪些蛋白將被包裝轉(zhuǎn)運或哪些蛋白將被排除在外，這種特異性是由轉(zhuǎn)運蛋白的分選信號決定的。ARF也參與網(wǎng)格蛋白/接頭蛋白包被的起始裝配。發(fā)動蛋白（dynamin）具有GTPase活性，介導(dǎo)網(wǎng)格蛋白/接頭蛋白包被膜泡的縊縮并與供體膜斷裂，這很關(guān)鍵。,35,網(wǎng)格蛋白（A）、多角形網(wǎng)格包被結(jié)構(gòu)（B）及發(fā)動蛋白介導(dǎo)的網(wǎng)格蛋白/接頭蛋白包被膜泡的形成（C）示意圖（圖8-13）,36,五、轉(zhuǎn)運膜泡與靶膜的錨定和融合,膜泡運輸?shù)年P(guān)鍵步驟至少包括如下過程：供體膜的出芽、裝配和斷裂，形成不同包被轉(zhuǎn)運膜泡（已學(xué)過）；在細胞內(nèi)由馬達蛋白驅(qū)動、以微管為軌道的膜泡運輸（以后學(xué)）；轉(zhuǎn)運膜泡與特定靶膜的錨定和融合（現(xiàn)在學(xué)）。膜泡錨定與融合是一個耗能的特異性過程：其特異性是通過供體膜和靶膜上的蛋白相互作用完成的。小G蛋白Rab主要介導(dǎo)供體膜和靶膜的錨定：Rab-GTP與特定轉(zhuǎn)運膜泡的表面蛋白相互作用，并通過類異戊二烯基團插入轉(zhuǎn)運膜泡內(nèi)。一旦Rab-GTP被結(jié)合在膜泡表面，便與靶膜上的Rab效應(yīng)器結(jié)合蛋白相互作用，從而使轉(zhuǎn)運膜泡被錨定在適當?shù)陌心ど?。v-SNARE與t-SNARE蛋白的配對（互補性）是介導(dǎo)轉(zhuǎn)運膜泡與靶膜融合的主要機制：NSF（N-ethylmaleimide-sensitivefactor）即N-乙基馬來酰亞胺敏感因子和SNAP（solubleNSFattachmentprotein）即可溶性NSF結(jié)合蛋白負責(zé)介導(dǎo)不同類型膜泡的融合，但沒有明顯的特異性；SNARE（SNAPreceptor）即SNAP受體（可溶性N-乙基馬來酰亞胺敏感因子結(jié)合蛋白受體），位于細胞器和膜泡膜上的跨膜蛋白大家族，介導(dǎo)膜泡與靶細胞器膜的特異性融合。其中v-SNARE位于膜泡的膜上，與之互補配對的t-SNARE位于靶細胞器膜上。,37,在供體膜和靶膜之間膜泡的錨定與融合模式圖解（圖8-14）,如果說Rab蛋白主要是控制轉(zhuǎn)運膜泡與適當靶膜的錨定，那么，介導(dǎo)轉(zhuǎn)運膜泡與靶膜融合的主要機制是v-SNARE/t-SNARE蛋白的配對。,38,六、細胞結(jié)構(gòu)體系的組裝,細胞結(jié)構(gòu)體系的組裝和去組裝是整體上認識細胞生命活動應(yīng)該關(guān)注的重要問題。生物大分子的組裝方式大體可分為自我裝配（self-assembly）、協(xié)助裝配（aided-assembly）和直接裝配（direct-assembly）以及更為復(fù)雜的細胞結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)體系之間的組裝。有些裝配過程需ATP或GTP提供能量。各類型的裝配具有以下生物學(xué)意義：（1）減少和校正蛋白質(zhì)合成中出現(xiàn)的錯誤；（2）可大大減少所需的遺傳物質(zhì)信息量；（3）通過裝配與去裝配更容易調(diào)節(jié)與控制多種生物學(xué)過程。事實上細胞內(nèi)許多代謝活動往往涉及蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)與核酸、蛋白質(zhì)與磷脂等組裝成特定的復(fù)合體，這些復(fù)合體構(gòu)成了細胞結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與功能單位。膜圍繞的細胞器大體分為2類：一是內(nèi)膜系統(tǒng)；二是含有DNA的細胞器。細胞器的組裝同樣涉及蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)與核酸、蛋白質(zhì)與膜脂的組裝，其運輸和組裝過程與方式也更為復(fù)雜。細胞骨架體系在整個細胞結(jié)構(gòu)體系中起著重要的組織作用。,39,本章概要,真核細胞中除線粒體和植物細胞葉綠體中能合成少量蛋白質(zhì)外，絕大多數(shù)蛋白質(zhì)都是由核基因編碼，起始合成均發(fā)生在游離核糖體上，然后或在細胞質(zhì)基質(zhì)（游離核糖體）中完成翻譯過程，或在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜結(jié)合核糖體上完成合成。然而，蛋白質(zhì)發(fā)揮結(jié)構(gòu)或功能作用的部位幾乎遍布細胞的各種區(qū)間或組分。因此必然存在不同的機制以確保蛋白質(zhì)分選，轉(zhuǎn)運至細胞的特定部位，也只有蛋白質(zhì)各就各位并組裝成結(jié)構(gòu)與功能的復(fù)合體，才能參與實現(xiàn)細胞的各種生命活動。信號肽學(xué)說是解釋分泌性蛋白在糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的重要理論，該過程是包括蛋白質(zhì)N端的信號肽、信號識別顆粒和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上信號識別顆粒的受體等因子共同協(xié)助完成的。蛋白質(zhì)分選包括蛋白質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運、門控轉(zhuǎn)運和膜泡運輸?shù)戎饕霓D(zhuǎn)運方式。其分選指令存在于多肽鏈自身，繼信號假說提出與確證后，人們又發(fā)現(xiàn)一系列的信號序列，指導(dǎo)蛋白的靶向轉(zhuǎn)運。細胞內(nèi)膜泡運輸?shù)难芯窟M展較大，包括COP包被膜泡介導(dǎo)的細胞內(nèi)順向運輸，即負責(zé)從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體的物質(zhì)運輸；COP包被膜泡介導(dǎo)的細胞內(nèi)膜泡逆向運輸，負責(zé)從cis高爾基體網(wǎng)狀區(qū)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜泡轉(zhuǎn)運，包括再循環(huán)的膜脂雙層、某些蛋白質(zhì)如v-SNARE和回收錯誤分選的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)逃逸蛋白返回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)；網(wǎng)格蛋白/AP包被膜泡介導(dǎo)的蛋白質(zhì)從高爾基體TGN向質(zhì)膜、胞內(nèi)體或溶酶體以及分泌泡的運輸，也參與受體介導(dǎo)的細胞內(nèi)吞作用。包被膜泡的組裝、轉(zhuǎn)運及其與靶膜的融合是一個特異性的、需能的過程，膜泡錨定與融合的特異性是通過供體膜和靶膜上的蛋白相互作用完成的。細胞結(jié)構(gòu)體系的組裝和去組裝是整體上認識細胞生命活動應(yīng)該關(guān)注的重要問題。,40,第九章細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo),第一節(jié)細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)概述第二節(jié)細胞內(nèi)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)第三節(jié)G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)第四節(jié)酶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)第五節(jié)其他細胞表面受體介導(dǎo)的信號通路第六節(jié)細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的整合與控制,41,第一節(jié)細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)概述,一、細胞通訊二、信號分子與受體三、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)及其特性,42,一、細胞通訊（1）,多細胞生物是一個有序而可控的細胞社會，這種社會性的維持不僅依賴于細胞的物質(zhì)代謝與能量代謝，更有賴于細胞間通訊與信號調(diào)控，從而以不同的方式協(xié)調(diào)細胞的行為，諸如細胞生長、分裂、分化、凋亡及其它各種生理功能。細胞通訊（cellcommunication）：指信號細胞發(fā)出的信息（配體/信號分子）傳遞到靶細胞并與其受體相互作用，通過細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)引起靶細胞產(chǎn)生特異性生物學(xué)效應(yīng)的過程。（細胞）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（signaltransduction）：指細胞將外部信號轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨響?yīng)答反應(yīng)的過程。這是實現(xiàn)細胞間通訊的關(guān)鍵過程。細胞信號傳遞（cellsignaling）：通過信號分子與受體的相互作用，將外界信號經(jīng)細胞質(zhì)膜傳遞至細胞內(nèi)部，通常傳遞至細胞核，并引發(fā)特異生物學(xué)效應(yīng)的過程。細胞通訊可概括為3種方式：（1）細胞通過分泌化學(xué)信號進行細胞間通訊，這是多細胞生物普遍采用的通訊方式；（2）細胞間接觸性依賴的通訊，即一方具有跨膜配體另一方具有細胞表面受體，包括細胞-細胞黏著和細胞-細胞外基質(zhì)黏著；（3）動物細胞間通過間隙連接、植物細胞間通過胞間連絲，通過交換小分子實現(xiàn)通訊。,43,不同的細胞通訊方式（圖9-1）,A：內(nèi)分泌B：旁分泌C：化學(xué)突觸通訊D：自分泌E：細胞間接觸依賴性通訊,44,一、細胞通訊（2）,通過胞外信號所介導(dǎo)的細胞通訊通常包括如下6個步驟：信號細胞合成并釋放信號分子（配體）；轉(zhuǎn)運信號分子至靶細胞；信號分子與靶細胞表面受體特異性結(jié)合并導(dǎo)致受體被激活；活化的受體啟動靶細胞內(nèi)一種或多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑；引發(fā)細胞代謝、功能或基因表達的改變；解除信號并導(dǎo)致細胞反應(yīng)終止。本章討論后4步！,45,二、信號分子與受體,（一）信號分子（二）受體（三）第二信使與分子開關(guān),46,（一）信號分子,信號分子（signalmolecule）：指細胞的信息載體，種類繁多，包括化學(xué)信號（各類激素、神經(jīng)遞質(zhì)和局部介質(zhì)等）和物理信號（聲、光、電和溫度等）。激素（hormone）：激素是內(nèi)分泌細胞合成的化學(xué)信號分子，它們經(jīng)血液循環(huán)被送到體內(nèi)各個部位作用于靶細胞。神經(jīng)遞質(zhì)（neurotransmitter）：突觸前端釋放的一種化學(xué)物質(zhì)，與突觸后靶細胞結(jié)合，并改變靶細胞的膜電位。局部介質(zhì)（localmediator）：即由各種不同類型的細胞合成并分泌到細胞外液中的信號分子，它只能作用于周圍的細胞，典型的如生長因子、淋巴因子和前列腺素等。根據(jù)化學(xué)信號（分子）的化學(xué)性質(zhì)可分為3類：氣體性信號分子（可自由擴散進入細胞直接激活效應(yīng)酶，如NO）、疏水性信號分子（可穿過細胞質(zhì)膜與細胞內(nèi)受體結(jié)合成激素-受體復(fù)合物來調(diào)節(jié)基因表達，如甾類激素和甲狀腺素）和親水性信號分子（只能通過與靶細胞表面受體結(jié)合而啟動細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，如大多數(shù)蛋白類激素、神經(jīng)遞質(zhì)和局部介質(zhì)）。,47,信號分子舉例（表9-1）,48,（二）受體（1）,受體（recsptor）：受體是一種能夠識別和選擇性結(jié)合某種配體（信號分子）的大分子，大多數(shù)為糖蛋白，少數(shù)是糖脂，還有的是糖蛋白和糖脂組成的復(fù)合物。細胞內(nèi)受體（intracellularreceptor）與細胞表面受體（cell-surfacereceptor）：細胞內(nèi)受體位于細胞質(zhì)基質(zhì)或核基質(zhì)中，其本質(zhì)是依賴疏水性激素激活的轉(zhuǎn)錄因子。細胞表面受體位于細胞質(zhì)膜上，主要識別和結(jié)合親水性信號分子，包括分泌型信號分子（如多肽類激素、神經(jīng)遞質(zhì)和生長因子等）或膜結(jié)合型信號分子（如細胞表面抗原和細胞表面黏著分子等）。細胞表面受體按其功能分為3大家族：（1）離子通道偶聯(lián)受體（ionchannel-coupledreceptor）：受體-離子通道；（2）G蛋白偶聯(lián)受體（G-protein-coupledreceptor，GPCR）：受體G蛋白；（3）酶連/聯(lián)受體（enzyme-linkedreceptor）：受體-酶或受體酶。受體至少有2個功能域：不管哪種類型的受體，一般至少有2個功能域，即結(jié)合配體的功能域和產(chǎn)生效應(yīng)的功能域，分別具有結(jié)合特異性和效應(yīng)特異性。,49,三種類型的細胞表面受體（圖9-2）,50,（二）受體（2）,受體通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)引發(fā)2種主要的細胞反應(yīng)：受體結(jié)合特異性配體后而被激活，通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑將胞外信號轉(zhuǎn)換為胞內(nèi)信號，引發(fā)2種主要的細胞反應(yīng)：一是細胞內(nèi)存量蛋白活性或功能的改變，進而影響細胞代謝功能的短期反應(yīng)（快反應(yīng)）；二是影響細胞內(nèi)特殊蛋白的表達量，最常見的方式是通過轉(zhuǎn)錄因子的修飾激活或抑制基因表達的長期反應(yīng)（慢反應(yīng)），最后的綜合效應(yīng)是改變細胞的行為。靶細胞對外界信號產(chǎn)生反應(yīng)：受體與配體空間結(jié)構(gòu)的互補性是二者特異性結(jié)合的主要因素，但并不意味著受體與配體之間是簡單的一對一的關(guān)系。靶細胞對外界信號產(chǎn)生反應(yīng)：一是通過受體對信號結(jié)合的特異性，二是通過細胞本身固有的特征。,51,細胞表面受體轉(zhuǎn)導(dǎo)胞外信號引發(fā)兩類主要反應(yīng)：快反應(yīng)和慢反應(yīng)（圖9-3）,52,（三）第二信使與分子開關(guān)（1）,第二信使（secondmessenger）：第二信使是指第一信使分子（胞外激素或其他配體）與細胞表面受體結(jié)合后，導(dǎo)致在胞內(nèi)產(chǎn)生（或釋放）的非蛋白類小分子，通過其濃度變化（增加或減少）來應(yīng)答胞外信號，調(diào)節(jié)細胞內(nèi)酶和非酶蛋白的活性，從而在細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中行使攜帶和放大信號的功能。目前公認的第二信使包括cAMP、cGMP、Ca2+、DAG（二酰甘油）、IP3（1,4,5-三磷酸肌醇）和PIP3（3,4,5-三磷酸磷脂酰肌醇）等。分子開關(guān)（molecularswitch）：分子開關(guān)是指通過活化（開啟）和失活（關(guān)閉）2種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換來控制下游靶蛋白的活性的調(diào)控蛋白。G蛋白超家族開關(guān)：GTP結(jié)合蛋白，包括三聚體（大G蛋白）和單體（小G蛋白），都具有GTPase活性，都具有2種存在狀態(tài)：即G蛋白GDP為失活的“關(guān)閉”狀態(tài)，而G蛋白GTP為活化的“開啟”狀態(tài)。GEF即鳥苷酸交換因子通過以GTP交換G蛋白上的GDP引發(fā)G蛋白構(gòu)象改變而活化（開啟）。隨著結(jié)合的GTP的水解形成GDP，則恢復(fù)失活（關(guān)閉）。GTP的水解速率被GAP即GTPase促進蛋白和RGS即G蛋白信號調(diào)節(jié)子所促進，被GDI即鳥苷酸解離抑制蛋白所抑制。,53,4種常見的細胞內(nèi)第二信使及其主要效應(yīng)（圖9-4）,54,G蛋白開關(guān)活化（開）與失活（關(guān)）的轉(zhuǎn)換（圖9-5）,GEF（guaninenucleotide-exchangefactor）即鳥苷酸交換因子GAP（GTPase-acceleratingprotein）即GTPase促進蛋白RGS（regulatorofGprotein-signaling）即G蛋白信號調(diào)節(jié)子GDI（guaninenucleotidedissociationinhibitor）即鳥苷酸解離抑制蛋白,55,（三）第二信使與分子開關(guān)（2）,蛋白激酶/蛋白磷酸酶開關(guān)：通過蛋白激酶（proteinkinase，PK）使靶蛋白磷酸化和通過蛋白磷酸酶（proteinphosphatase，PP）使靶蛋白去磷酸化，從而調(diào)節(jié)靶蛋白的活化（開啟）與失活（關(guān)閉）。當有些靶蛋白被磷酸化時活化（開啟），則去磷酸化時失活（關(guān)閉）；有些靶蛋白具有相反的變化模式。蛋白質(zhì)磷酸化和去磷酸化可以改變蛋白質(zhì)的電荷并改變蛋白質(zhì)構(gòu)象，從而導(dǎo)致該蛋白質(zhì)活性的增強或降低，這是細胞內(nèi)普遍存在的一種調(diào)節(jié)機制，在代謝調(diào)節(jié)、基因表達和細胞周期調(diào)控中均具有重要作用。細胞內(nèi)許多蛋白，諸如結(jié)構(gòu)蛋白、酶、膜通道蛋白和信號蛋白其活性變化都是通過蛋白激酶/蛋白磷酸酶開關(guān)調(diào)節(jié)的，并具有靶蛋白特異性。此外，鈣調(diào)蛋白（calmodulin，CaM）可通過與Ca2+的結(jié)合或解離分別處于活化（開啟）或失活（關(guān)閉）的狀態(tài)。,56,靶蛋白磷酸化和去磷酸化是細胞調(diào)節(jié)靶蛋白活性的一種普遍機制（圖9-6）,蛋白激酶（PK）/蛋白磷酸酶（PP）：將磷酸基團轉(zhuǎn)移到其它蛋白質(zhì)上（或相反）的酶，通常對其它蛋白質(zhì)的活性具有調(diào)節(jié)作用。,57,三、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)及其特性,（一）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的基本組成及信號蛋白的相互作用（二）細胞內(nèi)信號蛋白復(fù)合物的裝配（三）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的主要特性,58,（一）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的基本組成及信號蛋白的相互作用,細胞表面受體介導(dǎo)的信號通路通常由下列5個步驟組成：激活受體：形成配體-受體復(fù)合物；產(chǎn)生第二信使（或活化的信號蛋白）：信號初級跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)；起始信號放大的級聯(lián)反應(yīng)：由第二信使或信號蛋白復(fù)合物起始；細胞應(yīng)答反應(yīng)：通過酶、轉(zhuǎn)錄因子或細胞骨架等方式引起；終止或降低細胞反應(yīng)：如受體脫敏或下調(diào)。信號傳遞鏈：細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)是由細胞內(nèi)多種行使不同功能的信號蛋白所組成的信號傳遞鏈，具有可調(diào)控的動態(tài)特征，涉及細胞內(nèi)信號蛋白復(fù)合物的裝配。蛋白質(zhì)模式結(jié)合域（modularbindingdomain）：蛋白質(zhì)模式結(jié)合域通常由40120個氨基酸殘基組成，一側(cè)有較淺凹陷的球形結(jié)構(gòu)域，雖不具酶活性，但能識別蛋白質(zhì)上特定基序或特定修飾位點，它們與識別對象的親和性較弱，因而有利于快速和反復(fù)進行精細的組合式網(wǎng)絡(luò)調(diào)控。細胞內(nèi)信號蛋白的相互作用是靠蛋白質(zhì)模式結(jié)合域所特異性介導(dǎo)的，多種模式結(jié)合域經(jīng)多重相互作用極大地拓展了細胞內(nèi)信號網(wǎng)絡(luò)的多樣性。,59,SH2結(jié)構(gòu)域（Srchomology2domain）：由約100個氨基酸殘基組成，可特異性結(jié)合圍繞磷酸酪氨酸（p-Tyr）殘基的氨基酸序列。含有SH2結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)家族包括多種功能性成員：酶（enzyme）：含有1或2個與催化序列相聯(lián)系的SH2結(jié)構(gòu)域，如PK、PP、PLC、Ras、Pho、GAP和GEF等；錨定蛋白（dockingprotein）：IRS（胰島素受體底物）等；接頭蛋白（adaptor）：含單個SH2和多個SH3結(jié)構(gòu)域，如Grb2（生長素受體結(jié)合蛋白2）等；調(diào)節(jié)蛋白（regulator）：STAT通路；轉(zhuǎn)錄因子；癌蛋白（oncoprotein）。,SH2結(jié)構(gòu)域,60,細胞表面受體介導(dǎo)的細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的組成（圖9-7）,61,細胞內(nèi)信號蛋白之間的相互作用是靠蛋白質(zhì)模式結(jié)合域所特異性介導(dǎo)的示意圖（圖9-8）,IRS1：胰島素受體底物,62,蛋白質(zhì)模式結(jié)合域及其結(jié)合基序特異性（表9-2）,63,（二）細胞內(nèi)信號蛋白復(fù)合物的裝配,信號蛋白復(fù)合物的生物學(xué)意義：細胞內(nèi)信號蛋白復(fù)合物的形成在時空上增強細胞應(yīng)答反應(yīng)的速度、效率和反應(yīng)的特異性。細胞內(nèi)信號蛋白復(fù)合物的裝配可能有3種不同類型：（1）基于支架蛋白預(yù)先裝配成等待激活的信號復(fù)合物；（2）在（自磷酸化）活化受體上裝配信號復(fù)合物；（3）在受體活化的肌醇磷脂錨定位點上裝配信號復(fù)合物（募集具有PH結(jié)構(gòu)域信號蛋白）。,64,細胞內(nèi)信號蛋白復(fù)合物裝配的3種類型（圖9-9）,A：基于支架蛋白B：基于受體活化域C：基于肌醇磷脂,65,（三）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的主要特性,（1）特異性（specificity）：“結(jié)合”特異性、飽和性和可逆性以及“效應(yīng)器”特異性。（2）放大效應(yīng)（amplification）：效應(yīng)器蛋白（酶或離子通道蛋白）引發(fā)級聯(lián)反應(yīng)（放大效應(yīng)）。（3）網(wǎng)絡(luò)化效應(yīng)與正反饋（positivefeedback）和負反饋（negativefeedback）環(huán)路：網(wǎng)絡(luò)化效應(yīng)有利于克服分子間相互作用的隨機性對細胞生命活動的負面干擾；正反饋和負反饋環(huán)路對于及時校正反應(yīng)的速率和強度是最基本的調(diào)控機制。（4）整合作用（integration）：細胞通過整合不同的信息，對細胞外信號分子的特異性組合做出程序性反應(yīng)，甚至做出生死抉擇，這樣才能維持生命活動的有序性。,66,第二節(jié)細胞內(nèi)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo),一、細胞內(nèi)核受體及其對基因表達的調(diào)節(jié)二、NO作為氣體信號分子進入靶細胞直接與酶結(jié)合,67,一、細胞內(nèi)核受體及其對基因表達的調(diào)節(jié),信號分子（類固醇激素、甲狀腺素、維生素D和視黃酸）是一些與細胞內(nèi)受體相互作用的親脂性小分子；但個別親脂性小分子（如前列腺素）的受體卻在細胞質(zhì)膜上。細胞內(nèi)受體的本質(zhì)是依賴激素激活的轉(zhuǎn)錄因子。信號分子的作用是將抑制性蛋白從細胞內(nèi)受體上解離，使受體上的DNA結(jié)合位點暴露而激活。激素受體復(fù)合物與基因的特殊調(diào)節(jié)區(qū)即激素應(yīng)答元件（HRE）結(jié)合，調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄。細胞內(nèi)受體一般都含有3個功能域：N端是轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域，中部是DNA（或抑制性蛋白Hsp90）結(jié)合域，C端是激素結(jié)合域。中部結(jié)構(gòu)域是高度保守富含Cys的區(qū)域，具有2個鋅指結(jié)構(gòu)重復(fù)單位。類固醇激素誘導(dǎo)的基因活化通常分為2個階段：快速的初級反應(yīng)階段：即直接激活少數(shù)特殊基因轉(zhuǎn)錄；延遲的次級反應(yīng)階段：即初級反應(yīng)的基因產(chǎn)物再激活其它基因轉(zhuǎn)錄，對初級反應(yīng)起放大作用。,68,細胞內(nèi)受體蛋白及其作用模型（圖9-10）,69,二、NO作為氣體信號分子進入靶細胞直接與酶結(jié)合,血管內(nèi)皮細胞和神經(jīng)細胞是NO的生成細胞，NO合酶（NOS）（需要NADPH）在催化精氨酸轉(zhuǎn)化為瓜氨酸的同時釋放出NO。NO是一種具有自由基性質(zhì)的脂溶性氣體分子，可透過細胞膜快速擴散，通過作用于鄰近（平滑?。┌屑毎l(fā)揮作用?？扇苄詺怏wNO作為局部介質(zhì)在許多組織中發(fā)揮作用，其主要機制是激活靶細胞內(nèi)具有鳥苷酸環(huán)化酶（GC）活性的NO受體。NO可與GC活性中心的Fe2+結(jié)合，改變酶的構(gòu)象，導(dǎo)致GC活性增強，cGMP水平升高。cGMP激活依賴cGMP的蛋白激酶G（PKG），抑制肌動-肌球蛋白復(fù)合物信號通路，導(dǎo)致血管平滑肌舒張。硝酸甘油為什么能用于治療心絞痛？硝酸甘油能在體內(nèi)轉(zhuǎn)化為NO，可舒張血管，從而減輕心臟負荷和心肌的需氧量。,70,NO在導(dǎo)致血管平滑肌舒張中的作用（圖9-11）,71,第三節(jié)G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo),一、G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)與激活二、G蛋白偶聯(lián)受體所介導(dǎo)的細胞信號通路,72,一、G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)與激活（1）,大G蛋白：大G蛋白是三聚體G蛋白的簡稱，由G、G和G3種亞基組成，其中G亞基具有GTPase活性，作為分子開關(guān)，G和G亞基以二聚體形式存在，G和G亞基分別通過共價結(jié)合的脂分子錨定在質(zhì)膜上。G、G和G各有27種、5種和13種。大G蛋白的作用：當配體與受體結(jié)合時，受體與大G蛋白（偶聯(lián)）結(jié)合，發(fā)生GTP與GDP交換，導(dǎo)致大G蛋白解離，游離出來的GGTP結(jié)合并激活效應(yīng)器蛋白，從而傳遞信號；當GGTP水解成GGDP時，則處于失活的關(guān)閉狀態(tài)，終止信號傳遞并導(dǎo)致大G蛋白的重新裝配，恢復(fù)系統(tǒng)進入靜息狀態(tài)。在有些信號途徑中，效應(yīng)器蛋白是離子通道，其活性受游離的G亞基激活與調(diào)節(jié)。,73,與G蛋白偶聯(lián)受體相聯(lián)系的效應(yīng)蛋白的激活機制（圖9-12）,74,一、G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)與激活（2）,G蛋白偶聯(lián)受體（Gproteincoupledreceptor，GPCR）：G蛋白偶聯(lián)受體都含有7次疏水跨膜螺旋段，N端在細胞外側(cè)，C端在細胞胞質(zhì)側(cè)。其中胞外環(huán)狀結(jié)構(gòu)域（E4環(huán)）結(jié)合胞外信號（配體）；跨膜螺旋5（H5）和螺旋6（H6）之間的胞內(nèi)環(huán)狀結(jié)構(gòu)域（C3環(huán)）對于受體與G蛋白之間的相互作用具有重要作用。受體活化G蛋白：與受體偶聯(lián)的大G蛋白作為“活化”與“失活”轉(zhuǎn)換的分子開關(guān)而起作用。推測配體與受體的E4環(huán)結(jié)合會引起H5和H6螺旋的彼此相對移動，結(jié)果導(dǎo)致C3環(huán)構(gòu)象改變，從而容許結(jié)合并激活G亞基。G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)無數(shù)胞外信號的細胞應(yīng)答：包括多種對蛋白或肽類激素、局部介質(zhì)、神經(jīng)遞質(zhì)和氨基酸或脂肪酸衍生物等配體識別與結(jié)合的受體，以及哺乳類嗅覺、味覺受體和視覺的光激活受體（視紫紅質(zhì)）。,75,G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)圖（圖9-13）,76,哺乳類三聚體G蛋白的主要種類及其效應(yīng)器（表9-3）,77,二、G蛋白偶聯(lián)受體所介導(dǎo)的細胞信號通路,根據(jù)G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）在質(zhì)膜上的效應(yīng)蛋白的不同又可分為3類（1）調(diào)節(jié)離子通道的GPCR，如心肌細胞的乙酰膽堿受體，其效應(yīng)蛋白是K+通道；（2）激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶的GPCR，細胞內(nèi)第二信使為cAMP；（3）激活磷脂酶C的GPCR，細胞內(nèi)第二信使包括IP3、Ca2+、DAG。（一）激活離子通道的G蛋白偶聯(lián)受體所介導(dǎo)的細胞信號通路（二）激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶的G蛋白偶聯(lián)受體所介導(dǎo)的細胞信號通路（三）激活磷脂酶C（以IP3和DAG作為雙信使）的G蛋白偶聯(lián)受體所介導(dǎo)的信號通路,78,（一）激活離子通道的G蛋白偶聯(lián)受體所介導(dǎo)的細胞信號通路,1.心肌細胞上M型（蠅蕈堿）Ach受體激活G蛋白開啟K+通道AchM型Ach受體Gi蛋白（GiG）GK+通道K+外流超極化減緩心肌細胞的收縮頻率2.光受體活化誘發(fā)cGMP門控陽離子通道的關(guān)閉光視紫紅質(zhì)（感受弱光刺激）Gt蛋白（傳導(dǎo)素）（GtG）GtcGMP-PDE（磷酸二酯酶）抑制性亞基cGMP-PDE（/）破壞cGMP（水解）cGMP門控陽離子通道關(guān)閉膜瞬間超極化視神經(jīng)腦,79,心肌細胞上M型乙酰膽堿受體的活化與效應(yīng)器K+通道開啟的工作模型（圖9-14）,80,視桿細胞中Gt蛋白偶聯(lián)的光受體誘導(dǎo)的陽離子通道的關(guān)閉（圖9-15）,81,（二）激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶的G蛋白偶聯(lián)受體,不同的配體-受體復(fù)合物或刺激或抑制腺苷酸環(huán)化酶（AC）活性：受體和G蛋白都有刺激性的（Rs和Gs）和抑制性的（Ri和Gi）。不同的激素-受體復(fù)合物，偶聯(lián)不同的G蛋白（僅G亞基不同），導(dǎo)致激活或抑制AC活性。腺苷酸環(huán)化酶（AC）：12次跨膜蛋白，含2個胞質(zhì)側(cè)催化結(jié)構(gòu)域，2個膜整合結(jié)構(gòu)域（每個含6個跨膜螺旋）。AC催化cAMP的生成。cAMP磷酸二酯酶（cAMP-PDE）：水解cAMP的磷酸二酯酶。蛋白激酶A（PKA）：意為cAMP激活型蛋白激酶，屬于絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶家族。無活性時，2個調(diào)節(jié)亞基和2個催化亞基（R2C2）；有活性時（依賴cAMP與R亞基結(jié)合而釋放出C亞基），僅2個催化亞基（C2）。cAMP與R亞基是以協(xié)同方式結(jié)合的，即第一個cAMP的結(jié)合會促進第二個cAMP的結(jié)合，因此胞內(nèi)cAMP水平的很小變化就能導(dǎo)致PKA的C亞基快速釋放而活化。幾個重要結(jié)論：（1）通過激素引發(fā)的某些抑制物的解離導(dǎo)致酶的迅速活化是各種信號通路的普遍特征；（2）雖然許多激素刺激G蛋白偶聯(lián)受體導(dǎo)致PKA的激活，但是細胞應(yīng)答反應(yīng)可能只依賴于細胞表達的特殊PKA異構(gòu)體和PKA底物；（3）雖然PKA在不同類型的細胞中作用于不同底物，但PKA總是磷酸化相同序列的基序：X-R-R/K-X-S/T-。,82,脂肪細胞受激素誘導(dǎo)的AC激活與抑制（圖9-16）,83,哺乳動物AC的結(jié)構(gòu)與該酶同Gs-GTP的相互作用（圖9-17）,A：哺乳動物腺苷酸環(huán)化酶的結(jié)構(gòu)示意圖B：包含牛Gs亞基、狗型腺苷酸環(huán)化酶和鼠型腺苷酸環(huán)化酶催化結(jié)構(gòu)域的重組三維結(jié)構(gòu),84,PKA的結(jié)構(gòu)與活化示意圖（圖9-18）,85,cAMP-PKA信號對肝和肌細胞糖原代謝的調(diào)節(jié)（圖9-19）,86,cAMP-PKA信號通路對基因轉(zhuǎn)錄的激活（圖9-20）,激素GPCRGs蛋白（Gs）ACcAMPPKAC2CREBCREB-CBPCRE靶基因轉(zhuǎn)錄,87,為什么不同的信號（配體）通過類似的機制會引發(fā)多種不同的細胞反應(yīng)？GPCR存在的多種異構(gòu)體、G蛋白不同亞基組合的多樣性以及一些酶存在的多種異構(gòu)體決定了通過類似機制可產(chǎn)生眾多不同的細胞反應(yīng)?；魜y毒素與百日咳毒素對G蛋白的特殊作用：霍亂毒素具有ADP-核糖轉(zhuǎn)移酶活性，進入細胞催化胞內(nèi)的NAD+中的ADP-核糖基共價結(jié)合在Gs亞基上，結(jié)果使Gs亞基喪失GTPase活性，導(dǎo)致Gs亞基被“鎖定”在持續(xù)活化狀態(tài)并不斷地激活A(yù)C，cAMP增加100倍以上，致使細胞大量Na+和水分子持續(xù)外流，產(chǎn)生嚴重腹瀉而脫水。百日咳毒素催化Gi亞基ADP-核糖基化，結(jié)果阻止與Gi亞基結(jié)合的GDP的釋放，使Gi亞基被“鎖定”在非活化狀態(tài)，導(dǎo)致氣管上皮細胞內(nèi)cAMP水平升高，促使液體、電解質(zhì)和黏液分泌減少。,88,（三）激活磷脂酶C（以IP3和DAG作為雙信使）的G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號通路,磷脂酰肌醇代謝途徑：雙信使DAG和IP3來自膜結(jié)合的磷脂酰肌醇（PI）。磷脂酰肌醇（PI）磷脂酰肌醇-4-磷酸（PIP）磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（PIP2）二酰甘油（DAG）肌醇-1,4,5-三磷酸（IP3）DAG是親脂性分子，錨定在膜上；IP3擴散在細胞質(zhì)中。磷脂酶C（phospholipaseC）的異構(gòu)體（PLC）：催化PIP2水解產(chǎn)生二酰甘油（DAG）和肌醇-1,4,5-三磷酸（IP3）2個第二信使分子。蛋白激酶C（PKC）：意為Ca2+激活型蛋白激酶，屬于絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶家族，可廣泛磷酸化多種不同的蛋白質(zhì)底物。DAG和Ca2+共同激活PKC：錨定在質(zhì)膜上的DAG使PKC轉(zhuǎn)位結(jié)合于質(zhì)膜內(nèi)側(cè)；IP3刺激內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放Ca2+進入細胞質(zhì)基質(zhì)，使胞質(zhì)Ca2+濃度升高；DAG和Ca2+共同激活PKC，廣泛磷酸化多種底物蛋白。DAG也可單獨激活一些PKC。,89,磷脂酰肌醇代謝途徑（圖9-21）,90,IP3-Ca2+和DAG-PKC雙信使信號通路（圖9-22）,配體GPCRGo/Gq蛋白（Go/Gq）PLCPIP2（DAG）+IP3IP3RCa2+PKC轉(zhuǎn)位到質(zhì)膜上DAG激活PKC調(diào)節(jié)代謝或基因轉(zhuǎn)錄,91,1.IP3-Ca2+信號通路與鈣火花IP3-Ca2+信號通路：配體GPCRGo/Gq蛋白（Go/Gq）PLCPIP2IP3IP3RCa2+PKC轉(zhuǎn)位到質(zhì)膜PKC被DAG激活調(diào)節(jié)代謝或基因轉(zhuǎn)錄IP3的主要功能：IP3結(jié)合于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的IP3門控受體（IP3R）Ca2+通道，引發(fā)該通道釋放貯存在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的Ca2+到細胞質(zhì)基質(zhì)中，使胞質(zhì)中游離Ca2+濃度瞬時提高。細胞質(zhì)基質(zhì)中Ca2+濃度的升降因素：升的因素：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的IP3受體（IP3R）通道和萊恩素受體（RyR）通道，質(zhì)膜上的Ca2+通道；降的因素：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的Ca2+泵，質(zhì)膜上的Ca2+泵和Ca2+-Na+通道。Ca2+作為第二信使發(fā)揮作用。鈣火花（Ca2+spark）：在短短的10ms內(nèi)，細胞內(nèi)某一微區(qū)Ca2+探針Fluo-3的熒光強度驟升1倍，隨后又在20ms內(nèi)消失，故稱鈣火花。鈣火花的發(fā)生是一個“擴散-反應(yīng)”的過程，即Ca2+從一簇萊恩素受體構(gòu)成的發(fā)放源放出，向周圍擴散，并通過不同的分