細胞生物學第五節(jié)第二信使

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1、Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,*,細胞內信息物質,在細胞內傳遞細胞調控信號的化學物質稱為細胞內信息物質。,細胞內信息物質的組成,:,無機離子，如,Ca2+,；,脂類衍生物，如甘油二酯（,DG,）、,N-,脂酰鞘氨醇（,Cer,）；,糖類衍生物，如,1,4,5-,三磷酸肌醇（,IP,3,）；,核苷酸。如,cAMP,、,cGMP,；,信號蛋白分子,-,多數(shù)為癌基因的產物，如,Ras,和底物酶

2、。底物酶主要為酪氨酸或絲蘇氨酸蛋白激酶，但它們本身又是其他酶的底物，如,JAK,。,Raf,等。,第五節(jié) 第二信使,通常將階,Ca,2+,、,DAG,、,IP,3,、,Cer,、,cAMP,、,cGMP,等這類在細胞內傳遞信息的小分子化合物稱為第二信使（,second messager,）。,第二信使至少有兩個基本特性,:,是第一信使同其膜受體結合后最早在細胞膜內側或胞漿中出現(xiàn)、僅在細胞內部起作用的信號分子；,能啟動或調節(jié)細胞內稍晚出現(xiàn)的反應信號應答。,第二信使學說是,E.W.Sutherland,于,1965,年首先提出。他認為人體內各種含氮激素（蛋白質、多肽和氨基酸衍生物）都是通過細胞內的

3、環(huán)磷酸腺苷,(cAMP),而發(fā)揮作用的。首次把,cAMP,叫做第二信使，激素等作用于細胞膜的信號分子為第一信使。,ATP cAMP,第二信使的作用是對胞外信號起轉換和放大的作用，可激活蛋白激酶起生理作用或作用于細胞內配體門控性通道使膜電位改變。,cAMP,生理作用的特點為：,傳遞不同的細胞外信息，表達不同的生理效應,。如下丘腦的生長激素,(GH),的釋放。而垂體后葉的抗利尿激素,(ADH),，則通過,cAMP,促進腎臟對水的回吸收。,介導不同的激素發(fā)揮相似的作用,。如腎上腺素和胰高血糖素，都能通過,cAMP,增加糖原分解，抑制糖原合成。,介導一種激素發(fā)揮不同的作用,。如促腎上腺皮質激素,(AC

4、TH),作用于腎上腺皮質,使,cAMP,增加,促進類固醇激素合成。但,ACTH,還可以通過,cAMP,促進脂肪分解。,作為第二信使，,cAMP,不單是對細胞外信息起轉遞作用，而且能使信息量得到顯著放大。,如,cAMP,介導的下丘腦垂體甲狀腺系統(tǒng)，從下丘腦分泌促甲狀腺激素釋放激素,(TRH),開始，經過刺激垂體分泌促甲狀腺素,(TSH),，到甲狀腺分泌甲狀腺素,(thyroxine/T4),，經過,3,級連續(xù)反應，信息量擴大近,1000,萬倍。,細胞內,Ca,2+,來源于細胞外液,分為兩部分：,細胞漿,Ca,2+,；,亞細胞結構（內質網、線粒體）中,Ca,2+,，這一部分組成細胞內,Ca,2+,

5、庫。,Ca,2+,在細胞內的主要生物功能是起第二信使作用。,Ca,2+,在細胞漿中的濃度為,10,-7,mol/L,在細胞外液和某些細胞器,(,內質網、線粒體,),內的濃度則高達,10,-3,mol/L,。在正常情況下,細胞必須維持,Ca,2+,這樣一種高濃度差，以發(fā)揮正常生理作用。,GTP,鳥嘌呤核苷酸,cGMP,鳥苷環(huán)化酶,cGMP,是第二信使，但它在細胞內的確切作用并不十分清楚。,催化,GTP,變成,cGMP,的鳥苷酸環(huán)化酶，通常不與受體相聯(lián)。而,cGMP,的形成常與磷酸肌醇酯通路的活化同時發(fā)生。,cGMP,雖然能使某些蛋白質磷酸化，但這些蛋白質的功能尚不清楚。,在黑暗中，視網膜細胞內高

6、水平的,cGMP,能保持細胞膜,Na+,通道的開通,心鈉素通過增加,cGMP,在細胞內的濃度,使血管平滑肌松弛,借以調節(jié)血壓。,第二信使的作用方式,直接作用。如,Ca2+,能直接與骨骼肌的肌鈣蛋白結合引起肌肉收縮,;,間接作用。這是主要的方式，第二信使通過活化蛋白激酶，誘導一系列蛋白質磷酸化，最后引起細胞效應。,由第二信使介導的細胞內信號通路,主要有兩種：,以,cAMP,為第二信使的通路,IP3,、,DG,和,Ca2+,為第二信使的聯(lián)合式通路,以,cAMP,為第二信使的通路,信息傳遞包括如下步驟,:,外部信號（激素等）與細胞膜上特異受體結合，在,GTP,參與下，通過激活,G-,蛋白，影響腺苷環(huán)

7、化酶活化（以上在細胞膜內進行）,該酶使,ATP,轉變?yōu)?cAMP,，,cAMP,刺激,A-,激酶,A-,激酶將特異蛋白質磷酸化,最后激起細胞效應（以上在胞漿內進行）。,腎上腺素作用于脂肪細胞時，即循上述信號傳遞路線，最終將脂肪酶磷酸化，促進脂肪的分解代謝，釋放出能量。對于某些組織細胞，,cAMP,通路引起的細胞應答,是通過調節(jié)細胞內,Ca2+,水平實現(xiàn)的。如腎上腺素對心肌的作用即屬于此,。,激動型,G,蛋白,IP3,、,DG,和,Ca,2+,為第二信使的聯(lián)合式通路,外部信號與細胞膜受體結合，通過,G-,蛋白活化,PIP2,磷酸二酯酶,(PDE),，該酶將,PIP2,裂解為第二信使,IP3,和,

8、DG,。,IP3,是水溶性，進入胞漿后引起胞漿內質網中貯存的,Ca2+,釋出,使胞漿,Ca2+,濃度升高。,Ca2+,與鈣調素結合，激活蛋白激酶。,DG,則仍留在膜內，將,C-,激酶活化。,IP3,和,DG,組成這一通路的兩個分支,最后都引起有關蛋白質的磷酸化，導致細胞的應答。,G,蛋白耦聯(lián)受體信號轉導途徑,1,）受體,G,蛋白,cAMP,PKA,途徑,2,）受體,G,蛋白,DG/PKC,途徑,3,）受體,G,蛋白,IP3/Ca2+,系統(tǒng),4,）受體,G,蛋白離子通道途徑,（腎上腺素，胰高血糖素、垂體激素、下丘腦調節(jié)激素）,兩條主要信息通路的共同點,位于細胞膜表面的受體蛋白，接受細胞外的信息，

9、通過細胞膜，由一種依賴于,GTP,的,G-,蛋白,將位于細胞膜內表面的“放大酶”激活，然后該酶使第二信使的前身物轉變成第二信使。,信息在細胞內傳遞，最終都表現(xiàn)為第二信使誘導細胞內靶蛋白成為有活性的磷酸化形成，引起細胞效應。,若細胞外的信息分子發(fā)生異常，細胞膜上受體出現(xiàn)障礙，或受體后某個環(huán)節(jié)有缺陷，都將破壞信息的正常傳遞，從而導致第二信使代謝異常。,原發(fā)性甲狀旁腺功能亢進，腎臟,cAMP,、血、尿中,cAMP,明顯。,心律不齊及急性心肌梗死時，血中,cAMP,動脈粥樣硬化時可見,cAMP,急性胰腺炎時,胰腺組織中,Ca2+,堆積。,（腎上腺素,受體阻斷劑，緩解心絞痛,治療高血壓）,抑制,胰島素,

10、激活,加壓素,促皮質素,促黑細胞素,甲狀旁腺激素,促甲狀腺素等,cAMP,生物效應,藥物作用于環(huán)狀核苷酸的環(huán)節(jié),（,1,）特異性地阻斷激素對環(huán)化酶的激活作用：心得安，阿托品,（,2,）干擾環(huán)狀核苷酸的貯存與釋放,（,3,）干擾核苷酸的作用：咖啡堿、氯甲苯,（,4,）拮抗環(huán)狀核苷酸的作用,霍亂菌感染足以致命，但事實上霍亂菌并不侵犯細胞，僅在腸腔內寄生數(shù)日，它們不能滲入細胞，也不能進入淋巴或血流。小腸的主要功能為消化與吸收食物，包括將蛋白、多糖、脂質等降解，這代謝作用通過小腸與胰腺分泌的特異性酶的催化，而這類酶的作用在堿性介質中更好。當食物從胃轉運到小腸時，攜帶信息的化學介質與小腸細胞的受體作用，

11、興奮,腺苷環(huán)化酶,，促使抽取約,2,升的堿性溶液至腸道內，食物消化以后，這液體在小腸與結腸重被吸收，霍亂菌所分泌的毒素也可結合在小腸的受體部位，同樣可興奮,腺苷環(huán)化酶,，并且過度興奮而抽取至小腸的液體達,20,30,升，小腸與結腸無力重吸收這樣多液體，于是產生劇烈嘔吐與腹瀉，導致嚴重失水而死亡,激素,鳥苷環(huán)化酶,GTP,cGMP,生物效應,（甾體激素、甲狀腺激素、胰島素）,cGMP,在每種組織都有存在，但含量僅及,cAMP,的,1/5,1/10,。在,cAMP,濃度較低的一些組織如腦髓、睪丸、肺等處，,cGMP,的含量較高。,在,cAMP,與,cGMP,兩種核苷酸中，一種濃度偏高就會阻止另一種

12、產生、代謝或效應，因而兩種環(huán)狀核苷酸的效應往往相反，如收縮與松馳、糖原的合成與分解、細胞的增生與接觸抑制等。在異丙腎上腺素促使心肌收縮時，一方面升高,cAMP,的濃度，同時也降低,cGMP,的濃度。用茶堿類藥物使細胞內,cAMP,增多，也同時去除,cGMP,的效應。,cGMP/cAMP,比例升高,cAMP/cGMP,比例升高,高血壓：腺苷環(huán)化酶靈敏性降低，磷酸二酯酶活力增高,哮喘：腺苷環(huán)化酶靈敏性降低,心臟麻痹癥：腺高血糖素不足以激動腺苷環(huán)化酶,牛皮癬：磷酸二酯酶活力增高,糖尿?。?cAMP,合成加快，破壞減弱,動脈粥樣硬化：腺苷活化酶活力增強，鳥苷活化酶活性下降,甲狀腺機能亢進,:,甲狀腺興

13、奮,過度激活腺苷環(huán)化酶,5.2,磷酸二酯酶抑制劑（,PDEI,）,磷酸二酯酶,(PDE),是催化水解細胞內第二信使分子,cAMP,及,cGMP,的超級酶家族,.,根據(jù)特殊激動劑和抑制劑的特異性、敏感性、酶動力學特性及一級氨基酸序列的不同進行分類,目前已認定了,PDE,的,11,個家族成員,而且還會不斷擴大。（,Fawcett L,et al.Proc Natl Acad Sci U S A,2000,97:702-707,）,磷酸二酯酶抑制劑是強效的正性肌力藥（強心藥）及血管擴張藥，在急性充血性心力衰竭，它們能增加心輸出量，降低總外周血管阻力，改善衰竭的心臟負荷情況，改善急性心衰癥狀作用強度相

14、當于或大于兒茶酚胺或硝普鈉，其作用不受,受體阻滯劑所拮抗。,抑制,PDE1,產生血管擴張作用,PDE2,興奮心臟,PDE3,治療急性心衰,:,氨力農,米力農,PDE4,舒張支氣管,PDE5,治療陽痿,PDE6,對視覺產生作用,本類藥物為吡啶、聯(lián)吡啶酮類化合物，性質相對穩(wěn)定。,本類藥物通過抑制,磷酸二酯酶,，阻礙,心肌細胞,內的,cAMP,降解，高濃度的,cAMP,激活多種,蛋白酶,，使,心肌膜,上的,鈣信道,開放，,Ca,2+,內流，達到正性肌力作用,氨力農、米力農的作用機理,扎普司特,(,抗過敏,),吡唑并嘧啶酮類,Seldennafil,Udenafil,Udenafil Zydena D

15、ong-A Pharm 2005,年,12,月,Korea,Udenafil 1.01.5 1113,PDE4 inhibitors-respiratory disease,Jeon YH,Heo YS,Kim CM,Hyun YL,Lee TG,Ro S,Cho JM.Phosphodiesterase:overview of protein structures,potential therapeutic applications and recent progress in drug development.,Cell Mol Life Sci.2005,62(11):1198-220.

16、,PG,升高：,(1),前列腺素,A,2,升高：甲亢早期高血壓和肝硬化明顯升高，,期高血壓和甲亢患者輕度升高。,(2),前列腺素,E,1,升高：肺心病、癲間病和動脈硬化明顯升高，甲狀腺功能低下和腦血管病輕度升高,(3)6-,酮前列腺素,F,1,在,Bartter,綜合征（,低鉀、高腎素、高醛固酮血癥）,患者升高。,(4),前列腺素,F,2,升高：甲亢和癲癇病子宮內膜異位癥。,5.3,前列腺素,PG,降低：,(1),前列腺素,A,2,降低：甲狀腺功能減退癥、癲間病,(2),前列腺素,E,1,降低：早期高血壓和,期高血壓。,(3)6-,酮前列腺素,F,1,降低：糖尿病、,Bartter,綜合征、低血鉀、高血壓及系統(tǒng)性紅斑狼瘡。,(4),前列腺素,F,2,降低：甲狀腺功能減低、腦血管病、冠心病、肺心病、早期高血壓和,期高血壓。,I2,cyclooxygenase,花生四烯酸,Cox enzyme,前列腺素的產生受到抑制,胃粘膜粘膜損傷，胃或十二指腸潰瘍、流血或穿孔,腎水、鈉排泄不正常，可產生急性腎衰竭,血液系統(tǒng)血小板產生的血栓素減少，凝血受抑制，易出血。婦女產前服用,NSAIDs,可延長分娩