细胞生物学

孙美红

目录

  • 1 绪论
    • 1.1 细胞生物学发展简史
    • 1.2 细胞生物学的概念
    • 1.3 细胞生物学的研究内容
  • 2 细胞的统一性与多样性
    • 2.1 细胞的基本概念
    • 2.2 原核细胞
    • 2.3 真核细胞
    • 2.4 病毒
  • 3 细胞生物学研究方法
    • 3.1 显微技术
    • 3.2 生物化学与分子生物学技术
    • 3.3 细胞分离技术
    • 3.4 细胞培养与细胞杂交技术
  • 4 细胞质膜与内膜系统
    • 4.1 细胞质膜
    • 4.2 细胞质基质
    • 4.3 内质网
    • 4.4 高尔基复合体
    • 4.5 溶酶体、过氧化物酶体
  • 5 物质的跨膜运输
    • 5.1 物质的跨膜运输
    • 5.2 胞吞作用与胞吐作用
  • 6 蛋白质分选与膜泡运输
    • 6.1 信号假说与蛋白质分选信号
    • 6.2 蛋白质分选的基本途径与类型
    • 6.3 膜泡运输
    • 6.4 细胞结构体系的组装
  • 7 细胞信号转导
    • 7.1 基本概念
    • 7.2 细胞内受体介导的信号转导
    • 7.3 G蛋白耦联受体介导的信号转导
    • 7.4 酶连受体介导的信号转导
    • 7.5 信号的整合与控制
  • 8 线粒体和叶绿体
    • 8.1 线粒体与氧化磷酸化
    • 8.2 叶绿体与光合作用
  • 9 细胞骨架
    • 9.1 微丝与细胞运动
    • 9.2 微管及其功能
    • 9.3 中间丝
  • 10 细胞核与染色体
    • 10.1 核被膜与核孔复合体
    • 10.2 染色质和染色体
    • 10.3 染色质结构和基因活化
    • 10.4 核仁
    • 10.5 核基质
  • 11 核糖体
    • 11.1 核糖体的类型与结构
    • 11.2 多聚核糖体与蛋白质的合成
  • 12 细胞的增殖、分化与衰老
    • 12.1 细胞增殖及其调控
    • 12.2 细胞分化与基因表达调控
    • 12.3 程序性细胞死亡与细胞衰老
酶连受体介导的信号转导


一 酶联受体 enzyme-linked receptor

与酶连接的细胞表面受体,又称催化性受体 (catalytic receptor),目前已知的都是单次跨膜蛋白,当胞外配体与受体结合即激活受体胞内段的酶活性。

特点:不需信号耦联蛋白(G蛋白),而是通过受体本身的酶活性的激活来完成信号跨膜转导;配体的结合导致受体的二聚化(dimerization)

(1 )受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路

  1. 受体酪氨酸激酶 (receptortyrosine kinase, RTK),

    又称酪氨酸蛋白激酶受体,是细胞表面一大类重要受体家族,包括7个亚族,迄今已鉴定50余种。


    所有RTK 都由一个胞外结构域 (含有配体结合位点)、一个疏水的跨膜 a螺旋和一个胞质结构域(含有一个具有酪氨酸激酶活性的催化位点)组成。


    受体酪氨酸激酶的胞外配体:可溶性或膜结合的多肽或蛋白类激素,包括神经生长因子(NGF)、血小板衍生生长因子(PDGF)、成纤维细胞生长因子(FGF)、上皮生长因子(EGF)等多种生长因子和胰岛素(insulin)


    RTK是单体蛋白,配体的结合导致受体二聚化(dimerization)形成同源或异源二聚体:有些配体是二聚体,使结合的2 个单体性受体直接聚在一起;有些单体性配体(如FGF) 与胞外肝素紧密结合,有利于形成二聚化的配体-受体复合物; 其他的RTK (如胰岛素受体) 在没有激素的情况下形成二硫键连接的二聚体,激素结合后改变受体构象而使其活化。


    受体二聚化后激活蛋白酪氨酸激酶活性,进而二聚体内彼此交叉磷酸化(cross-phosphorylation)胞内肽段的一个或多个酪氨酸残基,也称受体的自磷酸化(autophosphorylation)


    在激活的RTK内,许多磷酸酪氨酸残基作为锚定位点(docking site),可被胞质中多种带有SH2结构域的胞内信号蛋白所识别并与之结合,由此启动下游信号传递过程


  2. 胞内信号蛋白:

    一类是接头蛋白(adaptor proteins), 如生长因子受体结合蛋白2 (GRB2), 本身不具酶活性,也没有传递信号的性质,其作用是耦联活化受体与其他信号分子。


    另一类是信号通路中有关的酶,如GTP酶活化蛋白(GAP)、磷脂酰肌醇代谢有关的酶(磷脂酶Cγ,3-磷脂酰肌醇激酶)、蛋白磷酸酯酶(Syp) 以及Src类的非受体酪氨酸蛋白激酶等。


    两类蛋白均具有两个高度保守而无催化活性的结构域 SH2和SH3,因最早在Src蛋白中发现,称为Src同源区(Src homolog region, SH)。SH2选择结合磷酸酪氨酸残基,SH3选择结合富含脯氨酸的基序。


  3. Ras蛋白是由190 个氨基酸组成的GTP结合蛋白, 具GTPase活性,相对分子量21×103, 分布于质膜胞质侧,有分子开关功能,结合GTP活化,结合GDP失活。

    接头蛋白、鸟苷酸交换因子(GEF) 与GTP 酶活化蛋白(GTPase activating protein, GAP) 协作,使Ras蛋白从失活态转变为活化态,GEF和GAP都与Ras蛋白GTP-GDP转换相关。Sos蛋白具有鸟苷酸交换因子(GEF) 活性。

  4. 接头蛋白、鸟苷酸交换因子(GEF) 与GTP 酶活化蛋白(GTPase activating protein, GAP) 协作,使Ras蛋白从失活态转变为活化态。Ras蛋白从失活态到活化态,先要释放GDP才有GTP的结合,GDP的释放需要GEF参与;Ras蛋白从活化态到失活态,需GAP促进。


(2)细胞表面其它酶联受体

1 受体酪氨酸磷酸酯酶

受体酪氨酸磷酸酯酶 (receptortyrosine phosphatase) 是一次性跨膜蛋白受体,胞内区具有蛋白酪氨酸磷酸酯酶的活性。

•胞外配体与受体结合激发该酶活性,使特异的胞内信号蛋白的磷酸酪氨酸残基去磷酸化,其作用是控制磷酸酪氨酸残基的寿命,使静止细胞具有较低的磷酸酪氨酸残基的水平。

•它的作用似乎与RTK相反,不仅持续地逆转RTK的效应,在细胞信号系统中发挥特殊的调节作用,而且在细胞周期调控中发挥重要作用。白细胞表面的抗原CD45 被认为是这类受体,但对其配体则了解不多。

2 受体丝氨酸/苏氨酸激酶

受体丝氨酸/苏氨酸激酶(receptor serine/threonine kinase) 又称TGF-β受体,主要配体是TGF-β (转化生长因子-β, transforming growth factor-β) 超家族成员,包括TGF-β1~TGF-β5 5种成员,具有类似的结构与功能.

TGF-β受体有3种相对分子质量不同的多肽:RI、RII、RIII。

RIII最丰富,是细胞表面蛋白多糖(proteoglycan, β-glycan),负责结合并富集TGF-β;RI和RII是二聚体跨膜蛋白,胞质侧结构域具有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性,RII是组成型活化激酶,在没有TGF-β的情况下可磷酸化自身,结合TGF-β后磷酸化RI的丝氨酸和苏氨酸残基,激活RI的激酶活性。

具有多种方面的效应,依细胞类型不同,可抑制细胞增殖、刺激胞外基质的合成、刺激骨骼的形成、通过趋化性吸引细胞和作为胚胎发育过程中的诱导信号等。

3 受体鸟苷酸环化酶

•受体鸟氨酸环化酶 (receptorguanylate cyclase) 为一次性跨膜蛋白受体,胞内区具有鸟氨酸环化酶活性,分布在肾和血管平滑肌细胞表面•配体为心房肌细胞分泌的一组肽类激素——心房排钠肽 (atrialnatriuretic peptides, ANPs)

•当血压升高时,心房肌细胞分泌ANPs,促进肾细胞排水、排钠,同时导致血管平滑肌细胞松弛,结果使血压下降

•信号途径:ANPs与受体结合直接激活胞内段鸟苷酸环化酶的活性,使GTP转化为cGMP,cGMP作为第二信使结合并激活cGMP依赖的蛋白激酶G(PKG),导致靶蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化

•除了与质膜结合的鸟苷酸环化酶外,胞质中可溶性的鸟氨酸环化酶是NO作用的靶酶,也催化产生cGMP.

4 酪氨酸蛋白激酶联系的受体

•酪氨酸蛋白激酶联系的受体 (tyrosinekinase-linked receptor) 本身不具酶活性,但胞内区有非受体酪氨酸蛋白激酶的结合位点,通过胞质酪氨酸蛋白激酶(Jak) 的活化实现信号转导•酪氨酸蛋白激酶联系的受体是一大类异质性混合组分:
-造血系统中调节细胞增殖与分化的局部介质 (细胞因子) 的
    受体
-某些激素如生长激素和催乳素的受体
-T 淋巴细胞和 B 淋巴细胞抗原特异性受体•此类受体的活化机制与受体酪氨酸激酶 (RTK)非常相似,胞质酪氨酸蛋白激酶Jak包括Jak1、Jak2、Jak3、Tyk2,各自对应于特异的细胞因子受体

Jak的直接底物中有一类新的转录因子, 称为信号转导子和转录激活子(signaltransducer and activator of transcription, STAT),具有SH2结构域和核定位信号(NLS),活化后以二聚体形式直接入核,将白细胞介素(IL)、干扰素(IFN) 等细胞因子(cytokine) 的信号传到核内,调节特定基因表达•Jak-STAT途径:受体与配体结合而二聚化→二聚化受体激活Jak→Jak将STAT磷酸化→STAT二聚化,暴露入核信号→STAT入核,调节基因表达。

5 细胞表面整联蛋白介导的信号转导

整联蛋白是细胞表面的跨膜蛋白,由α和β两个亚基组成的异二聚体

整联蛋白的胞外段具有多种细胞质组分如纤连蛋白、胶原、蛋白聚糖等的结合位点,结合后可产生多种信号,如胞质Ca2+水平增加、肌醇第二信使的合成、胞内蛋白酪氨酸残基的磷酸化等,从而影响诸如细胞生长、运动、分化和存活这些基本细胞活动,提供了一种胞外环境调控细胞内活性的信号途径

连接细胞与胞外基质的黏着斑(focal adhesions) 含有成簇的整联蛋白、细胞质蛋白和成束的应力丝——肌动蛋白纤维,其组装既受信号控制又具有信号转导功能,通过酪氨酸激酶Src和黏着斑激酶(focal adhesion kinase, FAK) 而实现.

通过黏着斑由整联蛋白介导的信号传递有两条通路

(1)由细胞表面到细胞核的信号通路:胞外配体结合→整联蛋白簇集和黏着斑中的酪氨酸激酶Src活化→黏着斑激酶FAK 的酪氨酸残基磷酸化→结合具有SH2结构域的接头蛋白GRB2和胞内鸟苷酸交换蛋白Sos→GRB2-Sos复合物引起Ras蛋白GDP-GTP交换→Ras-GTP通过MAPK级联反应途径传递细胞生长促进信号到细胞核,激活涉及细胞生长与增殖相关的基因转录。

由细胞表面到细胞核的信号通路可能是通过细胞表面接触导致细胞增殖的主要途径,如果缺乏接触,Ras-Raf-MAPK途径似乎将受到抑制,从而使非黏着细胞通过细胞周期的进程受阻,所以无论在机体内还是体外培养条件下,脱离接触的细胞可能是一个潜在的癌细胞,否则就会自我毁灭

(2)由细胞表面到胞质核糖体的信号通路:黏着斑激酶FAK的酪氨酸残基被Src磷酸化后,与磷脂酰-3-激酶PI(3)K 所具有的SH2 结构域结合,活化的PI(3)K 催化产生两种磷脂酰肌醇衍生物——PI-3,4-二磷酸和PI-3,4,5-三磷酸,二者作为膜结合信使活化激酶p70s6k,活化的p70s6k 进而磷酸化核糖体小亚基的S6 蛋白,含S6 蛋白的核糖体被优先利用, 翻译某些特定mRNA, 合成细胞从G1 期运行到S 期所需要的某些蛋白。