第二节 主要信号传导途径
l G蛋白偶联受体信号传导途径
l 酶偶联受体(酶受体)信号传导途径
l 依赖于受调蛋白水解信号传导途径
l 胞内受体信号传导途径
一、G蛋白偶联受体信号传导途径
（一） G蛋白简介
l 三聚体G蛋白（ αβγ 100kD）具有一个鸟苷酸结合位点 。作为信号转导分子，在各种细胞信号转导途径中转导信号给不同的效应分子(如AC)。
三聚体G蛋白结构特点和功能
①与受体结合并受其活化调节的部位
②βγ亚基结合部位
③GDP/GTP结合部位
④与下游效应分子相互作用部位
α亚基具有多个功能位点
α亚基具有GTP酶活性（能催化所结合的GTP水解，霍乱毒素可使其丧失GTP酶的活性）
α亚基:（Gα）
β、γ亚基:(Gβγ)
主要作用是与α亚基形成复合体并定位于质膜内侧；
在哺乳细胞，βγ亚基也可直接调节某些效应蛋白。
附：α亚基种类众多，可与β、γ亚基形成不同功能的三聚体G蛋白。
哺乳动物细胞中Ga亚基种类及效应
（s代表stimulate）；i代表inhibit）
（二） G蛋白偶联受体信号传导的基本过程
l ①配体（信号分子）结合受体并激活受体；
l ②G蛋白活化及G蛋白循环；
l ③G蛋白激活下游效应分子；
l ④第二信使产生及分布变化；
l ⑤第二信使激活蛋白激酶进而激活效应蛋白，有快慢调节。
Ｇ蛋白循环
l ①GDP结合G蛋白，G蛋白不能激活效应分子。
l ②信号分子作用受体后，可使G蛋白上的GDP被GTP取代，βγ与α解聚， 游离的α能激活效应分子。
l ③α水解α-GTP成α-GDP，后者失去催化活性与βγ亚基重新聚合。
（三）AC-cAMP-PKA途径和PLC-IP3/DAG途径
1、AC-cAMP-PKA途径
l 最早发现的信号传导途径。1957年Sutherland在研究肾上腺素促进肝糖原分解的机制时发现，这些激素的作用依赖于cAMP，从而提出了cAMP是激素在细胞内的第二信使这一著名的激素信号跨膜传递学说。
l 现在发现有刺激型AC-cAMP-PKA途径（如肾上腺素作用于心肌细胞）和抑制型AC-cAMP-PKA途径（如肾上腺素作用于平滑肌细胞）。共同维持机体的动态平衡。
典例：胰高血糖素的AC-cAMP-PKA途径
胰高血糖素的AC-cAMP-PKA途径
l ①胰高血糖素结合于受体；
l ②受体构象改变使与G蛋白结合GDP被GTP取代，Gα获得活性；
l ③通过G蛋白循环激活AC；
l ④AC使胞内cAMP浓度增加；
l ⑤cAMP激活PKA；
l ⑥PKA磷酸化胞内代谢酶或基因调控蛋白，可通过快慢调节引起相应生物学效应；
l ⑦cAMP可被PDE降解为5’-AMP，PKA失活。
PKA功能
l PKA活化后，可使多种蛋白质底物的丝氨酸或苏氨酸残基发生磷酸化，改变其活性状态，底物分子包括一些糖、脂代谢相关的酶类（快速调节）、离子通道和某些转录因子（CREB-CRE慢速调节）。
l CREB： cAMP response element binding protein(反式作用因子)
l CRE： cAMP response element（顺式作用元件）
AC-cAMP-PKA途径快速应答
--对代谢相关酶活性的调节
l 激素→ G蛋白偶联受体→G蛋白→AC→cAMP– →PKA→磷酸化靶酶→生物学效应。
l 例如在肝细胞中，激活的PKA有多个底物，包括磷酸化酶激酶（磷酸化激活）和糖原合成酶（磷酸化抑制）。被激活的磷酸化酶可将糖原磷酸化而分解成1-磷酸葡萄糖，最后生成葡萄糖进入血液循环。
AC-cAMP-PKA途径慢速应答
--对基因表达的调节
l 激素→ G蛋白偶联受体→G蛋白→AC→cAMP→ PKA →磷酸化基因调控蛋白→调控基因转录→生物学效应。
l 例如某些分泌细胞内需要几个小时。激活的PKA进入细胞核，将CREB磷酸化，磷酸化的CREB以二聚体形式结合于DNA上的CRE，从而激活受CRE调控的基因的转录。
利用AC-cAMP-PKA途径转导的信息分子
2、PLC-IP3/DAG途径(双信使系统视频演示3，注意动画中缺少G蛋白)
DAG--PKC途径
IP3-- Ca2+途径
磷脂酶C(PLC):催化PIP2 → IP3 +DAG
血管紧张素II的PLC-IP3/DAG途径
l ①血管紧张素II（或抗利尿激素）结合于受体；
l ②受体构象改变使与G蛋白结合GDP被GTP取代，Gα获得活性；
l ③通过G蛋白循环激活PLC；
l ④PLC使胞内IP3、DAG浓度增加；
l ⑤IP3结合内质网膜上的Ca2+通道，Ca2+通道打开，胞液中Ca2+浓度增加；
l ⑥一方面DAG和Ca2+共同激活靶分子PKC ；另一方面Ca2+通过与CaM结合，进一步激活CaM-K；
l ⑦PKC或CaM-K磷酸化胞内代谢酶或基因调控蛋白，可通过快慢调节引起相应生物学效应（血管收缩或抗利尿）。
Ca2+和CaM
l Ca2+在细胞中的分布具有明显的区域特征（胞外和内质网内、线粒体内高，胞液中很低）；
l Ca2+信号功能主要是通过钙调蛋白（calmodulin，CaM）实现。
l 4个Ca2+ 结合1个CaM后，导致CaM发生构象变化后，作用于Ca2+/CaM依赖性激酶（CaM-K）， CaM-K再激活效应蛋白。
利用PLC-IP3/DAG途径转导的信息分子
小结：G蛋白参与信号转导的基本模式
水溶性信息分子(肾上、胰高；血管、抗利尿)+７次跨膜受体
G蛋白（G蛋白循环）
激活效应分子（如AC、PLC）
第二信使（如cAMP、IP3、DAG、Ca2+ 、 cGMP）
靶分子（PKA，PKC, CaM-K ）
生物学效应（快慢调节:磷酸化胞内代谢酶或基因调控蛋白）
二、酶偶联受体/酶受体信号传导途径
l 受体型酪氨酸激酶（RTK）介导的信号传导
l 酪氨酸激酶偶联受体介导的信号传导
l 受体型丝/苏氨酸激酶介导的信号传导
酶偶联受体/酶受体信号传导特点
l ①信息分子结合受体，受体形成二聚体或寡聚体，同时激发受体本身酶活性（如EGF受体）或受体偶联酶的活性（如IFN受体）使信号继续向下游传递。
l ②主要特征是级联磷酸化反应。
l ③一般是通过蛋白质-蛋白质相互作用激活胞内蛋白激酶。
l ④蛋白激酶通过磷酸化修饰激活代谢途径中的关键酶（快速调节）、反式作用因子（慢速调节）等，影响代谢途径、基因表达、细胞运动、细胞增殖等。
（一）受体型酪氨酸激酶（RTK）介导的信号传导
1、 RTK的结构与RTK的活化
l （1）RTK的结构
l 单次跨膜受体，胞外（N端）具有配体结合结构域；胞内（C端）具有酪氨酸激酶结构域。见右图
l （2）RTK的活化
l 配体结合—-受体多聚化，构象改变---胞内的酪氨酸激酶结构域中的酪氨酸残基自身磷酸化—-下一级具有SH2结构域的信号分子与之结合-—信号依次传递。见下图
表皮生长因子受体作用机制：
2、RTK信号传导途径
l （1）Ras-MAPK级联反应信号传导途径：表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor, EGFR）是一个典型的受体型PTK。
l （2）其他RTK信号传导途径。略
表皮生长因子（epidermal growth factor）
Grb2 （growth factor binding protein） ： 生长因子结合蛋白，一种衔接蛋白，具有SH2结构域（能识别磷酸化的酪氨酸残基并与之结合）。
Sos（son of sevenless）:具有鸟苷酸交换因子GEF的活性
Raf具有丝/苏氨酸蛋白激酶活性
表皮生长因子的细胞信号传导途径
l ①表皮生长因子结合于细胞膜上受体型酪氨酸蛋白激酶，通过自身磷酸化改变其活性；
l ②再通过Grb2以及Sos，使Ras原来结合GDP被GTP取代，Ras被激活；
l ③有活性的Ras激活MAPK三级体系（Raf→ MEK→ ERK）；
l ④ERK磷酸化相应底物（转录因子或蛋白激酶等），导致的相关基因表达和细胞周期的改变。
哺乳动物细胞三个重要的MAPK亚家族
l 细胞外调节激酶（extracellular regulated kinase，ERK）；
l c-Jun N -末端激酶/应激激活的蛋白激酶（c-Jun N-terminal kinase/stress-activated protein kinase，JNK/SAPK）
l P38-MAPK （韩家淮）
l MAPK三级级联激活是多种信号通路的中心。
MAPK作用机制和调控的生物学效应
l MAPK作用机制：被激活后转移至细胞核内，使一些转录因子发生磷酸化，改变细胞内基因表达的状态（慢调节）。另外，它也可以使一些酶发生磷酸化使之活性发生改变（快调节）。
l MAPK调控的生物学效应：参与多种细胞功能的调控，尤其是在细胞增殖、分化、应激及凋亡过程中，是多种信号转导途径的共同作用部位。
（二）酪氨酸激酶偶联受体介导的信号传导
STAT（signal transducer and activator of transcription)：
一种转录因子，被磷酸化后以二聚体进入核内调节基因表达。
酪氨酸激酶偶联受体介导的信号传导 (以α-干扰素信号传导为例)
l ①α-干扰素与受体结合，相邻受体偶联的jak引发对方磷酸化。
l ②激活的jak使受体磷酸化。
l ③stat锚定于受体的磷酸化位点并被jak磷酸化。
l ④磷酸化的stat与受体解离，形成二聚体，进入细胞核与其他基因调节蛋白结合成复合物。
l ⑤此复合物作用于靶基因上的干扰素反应元件，调节相关基因表达。
（三）受体型丝/苏氨酸激酶介导的信号传导
以转化生长因子β 为例
Smad家族被磷酸化后形成多聚体进入核内调节基因表达。其取名来自果蝇mad和线虫sma基因。
三、依赖于受调蛋白水解信号传导途径
肿瘤坏死因子
2种衔接蛋白-RIPK-IKKK NF-B（nuclear factor-B）是一种几乎存在于所有细胞的转录因子，广泛参与机体防御反应、组织损伤和应激、细胞分化和凋亡以及肿瘤生长抑制等过程。
I B （inhibitor of NF-B，）是 NF-B抑制蛋白，也可被PKA，PKC等磷酸化去抑制作用。
四、胞内受体信号传导途径
l 胞内受体通常为400-900个AA残基组成的蛋白质，包括4区：其中配体结合区、DNA结合区、转录激活区、NLS。
l 其多为转录因子，与脂溶性信息分子（如类固醇激素、甲状腺素、维甲酸、维生素D）结合后，复合物能与DNA的顺式作用元件结合，在转录水平调节基因表达。
类固醇激素的信息传递途径
l ①类固醇激素的受体位于胞内，受体与热休克蛋白结合，没有活性；
l ②当类固醇激素进入胞内与受体结合后，受体与热休克蛋白分离，而与激素结合为激素受体复合物；
l ③该复合物进入核内与DNA上HRE结合，从而促进或抑制某些特异基因的转录，引起相应生物学效应。
糖皮质激素类药物（可的松,强的松，地塞米松等）抗炎作用机制
l 糖皮质激素抗炎作用机制：
l ①GC由血清蛋白携带到达靶细胞;
l ②GC扩散进入胞浆内，并与胞内GR—Hsp结合，同时Hsp被分离。
l ③GC和GR复合物进入细胞核，与靶基因启动子序列的GRE结合，增加抗炎细胞因子基因转录。与nGRE结合，抑制致炎因子的基因转录，而产生抗炎作用。
l 注意：甲状腺素是与核受体结合。
体内的NO生成
l NO合酶（NOS）催化生成。 Ca2+/CaM可增加NOS的活性。
l NO是非极性小分子，易穿过细胞膜，从产生的细胞扩散到临近细胞中发挥作用。NO是心血管中重要的信号分子。
l Furchgott、Ignarro、Murad发现NO是心血管系统的信号分子获1998年诺贝尔生理和医学奖。
NO的细胞信号传导途径
l ①NO结合于细胞内鸟苷酸环化酶（GC）；
l ②GC活性增加使第二信使cGMP浓度增加；
l ③cGMP激活靶分子PKG；
l ④PKG磷酸化相应底物，并改变底物活性，产生相应的生物学效应（导致血管平滑肌舒张）。
临床运用
l 硝酸甘油等药物在临床上作为血管扩张剂（降压作用）使用是因为它们能自发地产生NO；
Viagra（万艾可，俗名伟哥）通过抑制cGMP分解酶的作用而提高cGMP的浓度，促使阴茎血管舒张而勃起。
