《细胞生物学》教案（第19次课2学时）一、授课题目第十章细胞信号转导（Signaltransduction）二、教学目的和要求1、熟练掌握受体，配体，G蛋白，腺苷酸环化酶，第一信使以及第二信使的概念2、掌握受体的基本类型，G蛋白的类型和分子组成，G蛋白的作用机制；3、掌握cAMP信号系统，cGMP信号系统以及磷脂酰肌醇信号系统。三、教学重点和难点教学重点：1、通过细胞内受体介导的信号传递2、通过细胞表面受体介导的信号传递教学难点：细胞表面整联蛋白介导的信号传递四、主要参考资料翟中和。细胞生物学，第四版．北京：高等教育出版社，2011五、教学过程
《细胞生物学》教案 （第 19 次课 2 学时） 一、授课题目 第十章 细胞信号转导（Signal transduction） 二、教学目的和要求 1、熟练掌握受体，配体，G蛋白，腺苷酸环化酶，第一信使以及第二信使的概念； 2、掌握受体的基本类型，G蛋白的类型和分子组成，G蛋白的作用机制； 3、掌握cAMP信号系统，cGMP信号系统以及磷脂酰肌醇信号系统。 三、教学重点和难点 教学重点：1、通过细胞内受体介导的信号传递 2、通过细胞表面受体介导的信号传递 教学难点：细胞表面整联蛋白介导的信号传递 四、主要参考资料 翟中和． 细胞生物学， 第四版．北京：高等教育出版社，2011 五、教学过程
第三节G蛋白耦联受体介导的信号转导、G蛋白偶联受体的结构与激活大G蛋白：大G蛋白是三聚体G蛋白的简称，由G、Gβ和G3种亚基组成，其中Ga亚基具有GTPase活性，作为分子开关，Gβ和G亚基以二聚体形式存在，Ga和GβY亚基分别通过共价结合的脂分子锚定在质膜上。Gα、Gβ和G各有27种、5种和13种。与受体结合并受其活化调节的部位具有多个亚基结合部位功能位点GDP/GTP结合部位o亚基与下游效应分子相互作用部位(Ga)α亚基具有GTP酶活性主要作用是与亚基形成复合体并定位于质膜内侧；β、亚基(GβY)在哺乳细胞，阳亚基也可直接调节某些效应蛋白。大G蛋白的作用：①当配体与受体结合时，受体与大G蛋白（偶联）结合，发生GTP与GDP交换，导致大G蛋白解离，游离出来的Gα·GTP结合并激活效应器蛋白，从而传递信号：当Ga·GTP水解成Ga·GDP时，则处于失活的关闭状态，终止信号传递并导致大G蛋白的重新装配，恢复系统进入静息状态。②在有些信号途径中，效应器蛋白是离子通道，其活性受游离的Gβ亚基激活与调节。激未激活的受体Pi611激活的GAG.G蛋白效应酶未激活的激素一受体复合物效应酶2GTP未激活的OGDP效应酶与G蛋白偶联受体相联系的效应蛋白的激活机制聚体G-蛋白解离活化周期如下：
第三节G 蛋白耦联受体介导的信号转导 一、G 蛋白偶联受体的结构与激活 大 G 蛋白：大 G 蛋白是三聚体 G 蛋白的简称，由 Gα、Gβ和 Gγ3 种亚基组成，其中 Gα亚基具有 GTPase 活性，作为分子开关，Gβ和 Gγ亚基以二聚体形式存在，Gα和 Gβγ亚基分别通过共价结合的脂分子锚定在质膜上。Gα、Gβ和 Gγ各有 27 种、5 种 和 13 种。 大 G 蛋白的作用：① 当配体与受体结合时，受体与大 G 蛋白（偶联）结合，发生 GTP 与 GDP 交换，导致大 G 蛋白解离，游离出来的 Gα·GTP 结合并激活效应器蛋白，从 而传递信号；当 Gα·GTP 水解成 Gα·GDP 时，则处于失活的关闭状态，终止信号传 递并导致大 G 蛋白的重新装配，恢复系统进入静息状态。② 在有些信号途径中，效应 器蛋白是离子通道，其活性受游离的 Gβγ亚基激活与调节。 与 G 蛋白偶联受体相联系的效应蛋白的激活机制 聚体 G-蛋白解离活化周期如下：
①配体（激素）结合诱发受体构象改变：②活化受体与Ga亚基结合：③活化的受体引发Ga亚基构象改变，致使GDP与G蛋白解离④GTP与Ga亚基结合，引发Ga亚基与受体和Gβ亚基解离③配体-受体复合物解离，Gα亚基结合并激活效应蛋白③GTP水解成GDP，引发Ga亚基与效应蛋白解离并重新与Gβ亚基结合，恢复到三聚体G-蛋白的静息状态。哺乳类三聚体G蛋白的主要种类及其效应器Gα类型第二信使结合的效应器受体举例β肾上腺素受体，胰高血糖素腺苷酸环化酶CAMP（升高）Gsa受体，血中复合胺受体，后叶加压素受体Gia腺苷酸环化酶cAMP（降低）α1肾上腺素受体K+通道（Gβ激活膜电位改变M乙酰胆碱受体效应器）Golfa腺苷酸环化酶CAMP（升高）嗅觉受体（鼻腔）GqaIP3，DAG（升高）磷脂酶Cα2肾上腺素受体Goa磷脂酶CIP3，DAG（升高）乙酰胆碱受体（内皮细胞）GtaCGMP（降低）CGMP磷酸二酯酶视杆细胞中视紫红质（光受体）G蛋白偶联受体（Gproteincoupledreceptor，GPCR)：G蛋白偶联受体都含有7次疏水跨膜a螺旋段，N端在细胞外侧，C端在细胞胞质侧。其中胞外环状结构域（E4环）结合胞外信号（配体）；跨膜螺旋5（H5）和螺旋6（H6）之间的胞内环状结构域（C3环）对于受体与G蛋白之间的相互作用具有重要作用。NH3信号结合位点胞外细胞膜胞内COO'AB
①配体（激素）结合诱发受体构象改变； ②活化受体与 Gα亚基结合； ③活化的受体引发 Gα亚基构象改变，致使 GDP 与 G 蛋白解离 ④GTP 与 Gα亚基结合，引发 Gα亚基与受体和 Gβγ亚基解离 ⑤配体-受体复合物解离，Gα亚基结合并激活效应蛋白 ⑥GTP 水解成 GDP，引发 Gα亚基与效应蛋白解离并重新与 Gβγ亚基结合，恢复到三 聚体 G-蛋白的静息状态。 哺乳类三聚体 G 蛋白的主要种类及其效应器 G 蛋白偶联受体（G protein coupled receptor，GPCR）： G 蛋白偶联受体都含有 7 次疏水 跨膜α螺旋段，N 端在细胞外侧，C 端在细胞胞质侧。其中胞外环状结构域（E4 环）结 合胞外信号（配体）；跨膜螺旋 5（H5）和螺旋 6（H6）之间的胞内环状结构域（C3 环）对于受体与 G 蛋白之间的相互作用具有重要作用
受体活化G蛋白：与受体偶联的大G蛋白作为“活化”与“失活”转换的分子开关而起作用。推测配体与受体的E4环结合会引起H5和H6螺旋的彼此相对移动，结果导致C3环构象改变，从而容许结合并激活G亚基。G蛋白偶联受体介导无数胞外信号的细胞应答：包括多种对蛋白或肽类激素、局部介质、神经递质和氨基酸或脂肪酸衍生物等配体识别与结合的受体，以及哺乳类嗅觉、味觉受体和视觉的光激活受体（视紫红质）。二、G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路G蛋白偶联受体分为三类（1）激活离子通道（2）激活或抑制腺苷酸环化酶，第二信使为cAMP（3）激活磷脂酶C，以IP3和DAG为双信使（一）激活离子通道的G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路1.心肌细胞上M型-乙酰胆碱受体激活G蛋白开启K+通道Ach-M型Ach受体→Gi蛋白（GiaGβ）→Gβ→K+通道→K+外流→超极化一→减缓心肌细胞的收缩频率（注：M型（蝇蕈碱）Ach受体）乙酰胆碱开启的K+通道关闭的K*通道活化的Gs,亚基G, GgGa胞外++++细胞膜脑内福GDPM乙酰胆碱受体活化的G.亚基KGTP激活M乙酰阻碱受体GDP心肌细胞上M型乙酰胆碱受体的活化与效应器K+通道开启的工作模型2.光受体活化诱发cGMP门控阳离子通道的关闭人类视杆细胞含有大约4x107个视紫红质分子，组成7次跨膜的视蛋白（opsin）与光吸收色素共价连接光→视紫红质（感受弱光刺激）→Gt蛋白（传导素）（GtaGβ）→Gta→cGMP-PDE（磷酸二酯酶）抑制性亚基→cGMP-PDE（a/β）→破坏cGMP（水
受体活化 G 蛋白：与受体偶联的大 G 蛋白作为“活化”与“失活”转换的分子开关而起 作用。推测配体与受体的 E4 环结合会引起 H5 和 H6 螺旋的彼此相对移动，结果导致 C3 环构象改变，从而容许结合并激活 Gα亚基。 G 蛋白偶联受体介导无数胞外信号的细胞应答：包括多种对蛋白或肽类激素、局部介 质、神经递质和氨基酸或脂肪酸衍生物等配体识别与结合的受体，以及哺乳类嗅觉、味 觉受体和视觉的光激活受体（视紫红质）。 二、G 蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路 G 蛋白偶联受体分为三类 （1）激活离子通道 （2）激活或抑制腺苷酸环化酶，第二信使为 cAMP （3）激活磷脂酶 C，以 IP3 和 DAG 为双信使 （一）激活离子通道的 G 蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路 1. 心肌细胞上 M 型-乙酰胆碱受体激活 G 蛋白开启 K+通道 Ach→M 型 Ach 受体→Gi 蛋白（GiαGβγ）→ Gβγ →K+通道→ K+外流→超极 化→减缓心肌细胞的收缩频率 (注：M 型（蝇蕈碱）Ach 受体) 心肌细胞上 M 型乙酰胆碱受体的活化与效应器 K+通道开启的工作模型 2. 光受体活化诱发 cGMP 门控阳离子通道的关闭 人类视杆细胞含有大约 4х107 个视紫红质分子，组成 7 次跨膜的视蛋白 （opsin）与光吸收色素共价连接 光→视紫红质（感受弱光刺激）→ Gt 蛋白（传导素）（GtαGβγ） → Gtα → cGMP-PDE（磷酸二酯酶）抑制性γ亚基→ cGMP-PDE（α/β） →破坏 cGMP（水
解）→cGMP门控阳离子通道关闭→膜瞬间超极化→视神经→脑膜盘激活的光受体活化PDEPDE抑制性亚基非活化PDE激活的GL亚基GDF外节CGMEGMP细胞质BsNa'CaNaCa黑酷状Ca数管CGMP浓度降低CGMP开启离子通道离子通道关闭线粒体一高尔基体内节细胞板视杆细胞中Gt蛋白偶联的光受体诱导的阳离子通道的关闭（人类视杆细胞含有大约4x107个视紫红质分子，组成7次跨膜的视蛋白（opsin）与光吸收色素共价连接：在暗适应状态下的视杆细胞，高水平的第二信使cGMP保持cGMP门控非选择性阳离子通道的开放：①光的吸收产生激活的视蛋白O*，②活化的视蛋白与无活性的GDP-Gt三聚体蛋白结合并介导GDP被GTP置换：③Gt三聚体蛋白解离形成游离的Gta，通过与cGMP磷酸二酯酶（PDE）抑制性亚基结合导致PDE活化同时引起亚基与催化性α和β解离；③由于抑制的解除，催化性a和β亚基使cGMP转换成GMP；③由于胞质中cGMP水平降低导致cGMP从质膜cGMP-门控阳离子通道上解离下来，并致使阳离子通道关闭，然后，膜瞬间超极化。）（二）激活或抑制腺苷酸环化酶的G蛋白偶联受体G蛋白：刺激性G蛋白（Gs）：抑制性G蛋白（Gi）受体：刺激性激素的受体（Rs）：抑制性激素的受体（Ri)腺苷酸环化酶（AC)
解）→ cGMP 门控阳离子通道关闭→膜瞬间超极化→视神经→脑 视杆细胞中 Gt 蛋白偶联的光受体诱导的阳离子通道的关闭 （人类视杆细胞含有大约 4х107 个视紫红质分子，组成 7 次跨膜的视蛋白（opsin）与 光吸收色素共价连接； 在暗适应状态下的视杆细胞，高水平的第二信使 cGMP 保持 cGMP 门控非选择性阳离子 通道的开放； ①光的吸收产生激活的视蛋白 O*，②活化的视蛋白与无活性的 GDP-Gt 三聚体蛋白结合 并介导 GDP 被 GTP 置换；③Gt 三聚体蛋白解离形成游离的 Gtα，通过与 cGMP 磷酸二 酯酶（PDE）抑制性γ亚基结合导致 PDE 活化④同时引起γ亚基与催化性α和β解离； ⑤由于抑制的解除，催化性α和β亚基使 cGMP 转换成 GMP；⑥由于胞质中 cGMP 水 平降低导致 cGMP 从质膜 cGMP-门控阳离子通道上解离下来，并致使阳离子通道关闭， 然后，膜瞬间超极化。） （二）激活或抑制腺苷酸环化酶的 G 蛋白偶联受体 G 蛋白：刺激性 G 蛋白（ Gs）；抑制性 G 蛋白（ Gi） 受体：刺激性激素的受体（Rs） ；抑制性激素的受体（Ri） 腺苷酸环化酶（AC)
肾上腺素前列腺素(PGE1)刺激性激素胰高血糖素抑制性激素（腺苷（促肾上腺皮质激素腺苷酸环化酶细胞膜细胞质刺激性抑制性酶的激活酶的抑制激素受体激素受体GsaGyG8GiaGy3GDPGDPATPCAMP不同的配体-受体复合物或刺激或抑制腺苷酸环化酶（AC）活性：受体和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-受体复合物，偶联不同的G蛋白（仅Gα亚基不同），导致激活或抑制AC活性。脂肪细胞受激素诱导的AC激活与抑制腺苷酸环化酶（AC)：12次跨膜蛋白，含2个胞质侧催化结构域，2个膜整合结构域（每个含6个跨膜α螺旋）。AC催化cAMP的生成。cAMP磷酸二酯酶（cAMP-PDE）：水解cAMP的磷酸二酯酶腺苷酸环化酶胞外细胞膜胞内SNH3催化域GSa腺苷酸环化酶催化域BAA：哺乳动物腺苷酸环化酶的结构示意图B：包含牛Gsα亚基、狗V型腺苷酸环化酶和鼠II型腺苷酸环化酶催化结构域的重组三维结构
不同的配体-受体复合物或刺激或抑制腺苷酸环化酶（AC）活性：受体和 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-受体复合物，偶联不同的 G 蛋白（仅 Gα亚基不同），导致激活或抑制 AC 活性。 脂肪细胞受激素诱导的 AC 激活与抑制 腺苷酸环化酶（AC）：12 次跨膜蛋白，含 2 个胞质侧催化结构域，2 个膜整合结构域 （每个含 6 个跨膜α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 A：哺乳动物腺苷酸环化酶的结构示意图 B：包含牛 Gsα亚基、狗Ⅴ型腺苷酸环化酶和鼠Ⅱ型腺苷酸环化酶催化结构域的重组三 维结构
蛋白激酶A（PKA）：cAMP激活型蛋白激酶，属于丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶家族无活性时，2个调节亚基和2个催化亚基（R2C2）；有活性时（依赖cAMP与R亚基结合而释放出C亚基），仅2个催化亚基（C2）。cAMP与R亚基是以协同方式结合的，即第一个cAMP的结合会促进第二个cAMP的结合，因此胞内cAMP水平的很小变化就能导致PKA的C亚基快速释放而活化。调节亚基催化亚基RR+RR活化PKACAMP未活化PKA几个重要结论：（1）通过激素引发的某些抑制物的解离导致酶的迅速活化是各种信号通路的普遍特征：（2）虽然许多激素刺激G蛋白偶联受体导致PKA的激活，但是细胞应答反应可能只依赖于细胞表达的特殊PKA异构体和PKA底物：（3）虽然PKA在不同类型的细胞中作用于不同底物，但PKA总是磷酸化相同序列的基序：X-R-R/K-X-S/T-Φ
蛋白激酶 A（PKA）：cAMP 激活型蛋白激酶，属于丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶家族 无活性时，2 个调节亚基和 2 个催化亚基（R2C2）； 有活性时（依赖 cAMP 与 R 亚基结合而释放出 C 亚基），仅 2 个催化亚基（C2）。 cAMP 与 R 亚基是以协同方式结合的，即第一个 cAMP 的结合会促进第二个 cAMP 的结 合， 因此胞内 cAMP 水平的很小变化就能导致 PKA 的 C 亚基快速释放而活化。 几个重要结论： （1）通过激素引发的某些抑制物的解离导致酶的迅速活化是各种信号通路的普遍特征； （2）虽然许多激素刺激 G 蛋白偶联受体导致 PKA 的激活，但是细胞应答反应可能只依 赖于细胞表达的特殊 PKA 异构体和 PKA 底物； （3）虽然 PKA 在不同类型的细胞中作用于不同底物，但 PKA 总是磷酸化相同序列的基 序：X-R-R/K-X-S/T-Φ
ACAMP增加促进糖原降解抑制糖原合成活化的PKA抑制磷蛋白GPKPGSGPKGSPi磷酸酶GPPP?GPIPPIP+ne?活化的PP失活的PP糖原G-1-PnB.CAMP减少抑制糖原降解促进糖原合成活化的PPGPKGPPGPGPKPGSPIGSUDPUDP葡萄糖cAMP-PKA信号对肝和肌细胞糖原代谢的调节PKA：蛋白激酶A;PP：磷蛋白磷酸酶：GPK：糖原磷酸化酶激酶；GP：糖原磷酸化酶GS：糖原合酶：IP：磷蛋白磷酸酶抑制蛋白：G-1-P：葡糖-1-磷酸
cAMP-PKA 信号对肝和肌细胞糖原代谢的调节 PKA：蛋白激酶 A; PP：磷蛋白磷酸酶；GPK：糖原磷酸化酶激酶；GP：糖原磷酸化酶 GS：糖原合酶；IP：磷蛋白磷酸酶抑制蛋白；G-1-P：葡糖-1-磷酸
信号分子胞外胞内CAMPC腺苷酸环化酶G蛋白偶联受体RCPKA细胞核P2ADPCC5CBP/P300A3ATPCREBDNACRE转录mRNAcAMP-PKA信号通路对基因转录的激活激素-GPCR-→Gs蛋白（Gsa）→AC-→cAMPPKA→C2→CREB（基因调控蛋白）-CREB-CBP→CRE→靶基因转录为什么不同的信号（配体）通过类似的机制会引发多种不同的细胞反应？GPCR存在的多种异构体、G蛋白不同亚基组合的多样性以及一些酶存在的多种异构体决定了通过类似机制可产生众多不同的细胞反应
cAMP-PKA 信号通路对基因转录的激活 激素 →GPCR →Gs 蛋白（Gsα） →AC →cAMP →PKA →C2 →CREB（基因调控蛋白） →CREB-CBP →CRE →靶基因转录 为什么不同的信号（配体）通过类似的机制会引发多种不同的细胞反应？ GPCR 存在的多种异构体、G 蛋白不同亚基组合的多样性以及一些酶存在的 多种异构体决定了通过类似机制可产生众多不同的细胞反应
霍乱毒素对G蛋白的特殊作用：霍乱毒素具有ADP-核糖转移酶活性，进入细胞催化胞内的NAD+中的ADP-核糖基共价结合在Gsa亚基上，结果使Gsa亚基丧失GTPase活性，导致Gsa亚基被“锁定”在持续活化状态并不断地激活AC，cAMP增加100倍以上，致使细胞大量Na+和水分子持续外流，产生严重腹泻而脱水。0-NH2OCHa-0-0--0核糖腺嘌呤Arg-NH20-0-正常的G：GTP酶的作HOOH用终止了信号从受体NAD+传向腺苷酸环化酶o霍乱毒素NH,0O0核糖腺嘌岭CH20-P.-0-NHAr00ADP核糖化的GS:GTPHOOH酶被失活：Gs一直作ADP·核糖用于腺苷酸环化酶百日咳毒素对G蛋白的特殊作用百日咳毒素催化Gia亚基ADP-核糖基化，结果阻止与Gia亚基结合的GDP的释放，使Gia亚基被“锁定”在非活化状态，导致气管上皮细胞内cAMP水平升高，促使液体、电解质和黏液分泌减少。Aop-ribosetransierse
霍乱毒素对 G 蛋白的特殊作用： 霍乱毒素具有 ADP-核糖转移酶活性，进入细胞催化胞内的 NAD+中的 ADP-核糖基共价结合在 Gsα亚基上，结果使 Gsα亚基丧失 GTPase 活性，导致 Gsα亚 基被“锁定”在持续活化状态并不断地激活 AC，cAMP 增加 100 倍以上，致使细胞大量 Na+和水分子持续外流，产生严重腹泻而脱水。 百日咳毒素对 G 蛋白的特殊作用 百日咳毒素催化 Giα亚基 ADP-核糖基化，结果阻止与 Giα亚基结合的 GDP 的释放，使 Giα亚基被“锁定”在非活化状态，导致气管上皮细胞内 cAMP 水平升高，促使液体、 电解质和黏液分泌减少