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1、细胞通讯与细胞信号转导Cellular Signal Transduction细胞信号转导的重要性l贝时璋教授 ：根据生物物理学的观点， 无非是自然界三个量综合运动的表现， 即物质、能量和信息在生命系统中无时 无刻地在变化，这三个量有组织、有秩 序的活动是生命的基础。信息流起着调 节控制物质和能量代谢的作用。 l薛定谔：“生命的基本问题是信息问题” 细胞通讯与细胞信号转导 生物所处的环境时刻在变化，机体功能的协调统一要 求细胞间相互识别、相互反应和相互作用的机制称作 细胞通讯(Cell Communication)。 细胞或者识别与之相接触的细胞，或者识别周围环境 中存在的各种信号(来自于周围
2、或远距离的细胞)，并 将其转变为细胞内各种分子功能上的变化，从而改变 细胞内的某些代谢过程，影响细胞的生长速度，甚至 诱导细胞的死亡。这种针对外源性信号所发生的各种 分子活性的变化，以及将这种变化依次传递至效应分 子，以改变细胞功能的过程称为信号转导(Signal Transduction) 信息与信号信息是认识主体（人、生物、机器）所感受的或所 表达的事物运动的状态和运动状态变化的方式。 信息的特征为： （1） 接收者在收到信息之前，对它的内容是不知 道的，所以信息是新知识、新内容。 （2） 信息是能使认识某一事物的未知性或不确定 性减少的有用知识 （3） 信息可以产生，也可以消失，同时信息
3、可以 被携带、贮存及处理（ 4） 信息是可以量度的，信息量有多少的差别。 信号是信息的载体，它是物理性的。 细胞信号转导的重要性l生物体的生命活动受遗传信息及环境变 化信息的调节控制 。l细胞的基因表达及增殖、分化、生长、 衰老、死亡、代谢、神经传导、免疫等l生存依赖于精巧调控的细胞间、细胞内 分子通讯网络l内环境恒稳态l对于多细胞生物来说，为了协调和配合各组织细胞之间得功能活动，需要对各组织细胞的物质代谢或生理活动进行调节。此外当外界环境变化时也需通过细胞间复杂的信号传递系统来传递信息，从而调控机体活动。l细胞信息的传递是由许多不同的信息物质所组成的信息传递链来完成的。 通过相邻细胞的直接接
4、触； 通过细胞分泌各种化学物质来调节其他细胞的代谢和功能。具有调节细胞生命活动的化学物质称为信息物质。细胞信息传递方式细胞通讯方式 三种方式:胞间隙连接 表面分子接触通讯 化学通讯细胞信息传递方式间隙连接(Gap Junction) 两个相邻的细胞间存在着一种特殊的由蛋白质构 成的结构连接子(Connexon)。连接子两端分别嵌入 两个相邻的细胞，形成一个亲水性孔道。这种孔道允 许自由交换分子量为1500道尔顿以下的水溶性分子。 这种直接交换的意义在于相邻的细胞可以共享小分子 物质，因此可以快速和可逆地促进相邻细胞对外界信 号的协同反应。连接子为一个多基因家庭，现已发现 12个成员。在肿瘤生长
5、和创伤愈合等过程中都观察到 某些类型连接子表达的变化。因此，连接子可能对细 胞的生长、分化、定位及细胞形态的维持具有重要意 义。 膜表面分子接触通讯细胞都有众多的分子分布于膜的外表面。这些分子 或为蛋白质，或为糖蛋白。这些表面分子作为细胞 的触角，可以与相邻细胞的膜表面分子特异性地相 互识别和相互作用，以达到功能上的相互协调。这 种细胞通讯方式称为膜表面分子接触通讯。膜表面 分子接触通讯也属于细胞间的直接通讯，最为典型 的例子是T淋巴细胞与B淋巴细胞的相互作用。 化学通讯细胞可以分泌一些化学物质蛋白质或小分 子有机化合物至细胞外，这些化学物质作为 化学信号(chemical signaling
6、)作用于其它 的细胞(靶细胞)，调节其功能，这种通讯方 式称为化学通讯。化学通讯是间接的细胞通 讯，即细胞间的相互联系不再需要它们之间 的直接接触，而是以化学信号为介质来介导 的。根据化学信号分子可以作用的距离范围 ，将其分为三类 细胞信号l1、生物大分子的结构信号：蛋白质、多糖、核酸的结构信息 l2、物理信号：电、光、磁 l3、化学信号：细胞间通讯的信号分子：激素、神经递质 与神经肽、局部化学介导因子、抗体、淋巴因 子 细胞内通讯的信号分子 ：cAMP, cGMP, Ca2+, IP3, DG、NO 化学信号分类 根据分子作用的距离l内分泌(endocrine)系统以激素为主，它们是由内分泌
7、器官分泌的化学 信号，并随血流作用于全身靶器官。l旁分泌(paracrine)系统以细胞因子为主，它们主要作用于局部的细胞 ，作用距离以毫米计算。l自分泌(autocrine)系统神经介质为主，其作用局限于突触内，作用距 离在100nm以内。 根据分子作用的距离分类根据分子作用的距离分类化学信号 根据其溶解性分类脂溶性化学信号:脂溶性化学信号可以通过膜脂双层结构进入 胞内，其受体位于胞浆或胞核内。 水溶性化学信号:水溶性化学信号不能进入细胞，其受体位于 细胞外表面。 所有的化学号都必须通过与受体结合方可发 挥作用.信 息 物 质Signal Moleculesl凡是由细胞分泌的、能够调节特定靶
8、细胞生理活动的化学物质都称为细胞间信息物质(extracellular signal molecules)，或第一信使。 一、细胞间信息物质 类固醇衍生物：如肾上腺皮质激素、性激素等； 氨基酸衍生物：如甲状腺激素，儿茶酚胺类激素； 多肽及蛋白质：如生长因子、细胞因子、胰岛素、下丘脑激素、垂体激素、甲状旁腺素、胃肠激素等； 脂类衍生物：如前列腺素。 气体分子：如NO，CO等。 细胞间信息物质可按照其化学本质的不同分为五类：l根据细胞分泌和传递信息物质方式的不同，又可将细胞间信息物质分为：n神经递质；n内分泌激素；n局部化学介质；n气体信号。神经递质：l由神经元突触前膜释放的信息物质，可作用于突触
9、后膜上的受体，传递神经冲动信号。如乙酰胆碱、去甲肾上腺素等等。 l激素(hormone)是由特殊分化细胞合成并分泌的一类生理活性物质，这些物质通过体液进行转运，作用于特定的靶细胞，调节细胞的物质代谢或生理活动。l在体内，有些能够分泌激素的特殊分化细胞集中在一起构成内分泌腺；有些细胞则分散存在；有些细胞兼具其他功能。 2内分泌激素：l激素被分泌后，可以三种不同的方式作用于靶 细胞：内分泌(endocrine)：激素分泌后作用较远的 靶细胞，其传递介质为血液。旁分泌(paracrine)：激素分泌释放后作用于 邻近的靶细胞，其传递介质为细胞间液。自分泌（autocrine)：激素分泌释放后仍作 用
10、于自身细胞，其传递介质为胞液。激素的作用方式 ：l局部化学介质又称为旁分泌信号，指由细胞分泌的信息分子通过扩散而作用于邻近的靶细胞，调节细胞的生理功能。l体内的局部化学介质包括组胺、花生四烯酸（AA）、生长因子等。 3局部化学介质 ：4. 气体信号 ： NO合酶（NOS）通过氧化L-精氨酸的胍基而产生NO ；血红素单加氧酶氧化血红素产生CO 。二、细胞内信息物质 l在细胞内传递特定调控信号的化学物质称为细胞内信息物质(intracellular signal molecules) 。l细胞内信息物质主要包括：第二信使、第三信使、信号转导蛋白或酶等。1第二信使：l在细胞内传递信息的小分子化学物质
11、称为第二信使(secondary messenger) 。l第二信使主要包括：n环核苷酸类：如cAMP和cGMP；n脂类衍生物：如甘油二酯（DAG）；神经酰胺， 花生四烯酸；n无机物：如Ca2+、NO；n糖类衍生物： 1,4,5-三磷酸肌醇（IP3）。细胞膜上或细胞内能够传递特定信号的蛋白质 或酶分子，常与其他蛋白质或酶构成复合体以 传递信息。包括：G蛋白及其调节蛋白，如GEF、GAP等；信号连接蛋白，如SOS，GRB2等；具有酪氨酸激酶活性的胰岛素受体底物- 1/2（IRS1/2）；各种蛋白激酶和磷蛋白磷酸酶等。 2信号转导蛋白或酶：3. 第三信使：l负责细胞核内、外信息传递的物质称为第三信
12、使(third messenger) ，又称为DNA结合蛋白。l第三信使是一类可与靶基因特异序列结合的核蛋白，能调节基因的转录。如立早基因(immediate-early gene)的编码蛋白质 。细胞间信息物质影响细胞功能的途径细胞外信号通讯通常包括六个步骤：l1、合成l2、信号细胞释放信号分子l3、信号分子运输到靶细胞l4、通过特定受体蛋白的信号检测l5、细胞内由受体-信号复合体触发的代 谢、功能和发育的改变l6、信号的消除，终止细胞响应l受体(receptor)是指存在于靶细胞膜上或细胞内能特异识别与结合生物活性分子（配体），进而引起靶细胞生物学效应的分子。l绝大部分受体为蛋白质，少数为
13、糖脂。l能与受体呈特异性结合的生物活性分子则称配体(ligand)。受 体l受体的功能有三个方面：n识别与结合；n信号转导；n产生相应的生物学效应。一、受体的分类、结构与功能（一）膜受体这类受体是细胞膜上的结构成分，一般是糖蛋白、 脂蛋白或糖脂蛋白。多肽及蛋白质类激素、儿茶酚胺类激素、前列腺素 以及细胞因子通过这类受体进行跨膜信号传递。当配体与受体结合后，往往引起细胞膜结构和功能 的改变，导致细胞内某种化学物质的浓度改变， 由此触发一系列的化学和生理变化。膜 受 体根据受体的分子结构可将膜受体分为： l即配体依赖性离子通道，主要在神经冲动的快速传递中起作用。l此型受体的共同结构特点是由均一性的
14、或非均一性的亚基构成一寡聚体，而每个亚基则含有4-6个跨膜区。 1. 环状受体：l此型受体包括:烟碱样乙酰胆碱受体(N-AchR)、A型-氨基丁酸受体(GABAAR)、谷氨酸受体、甘氨酸受体及5-羟色胺受体(5-HTR)等。l其中:lGABAAR及甘氨酸受体对Cl -、HCO3-离子的通透性具有选择性，l5-HTR对Na+、K+离子的通透性具有选择性，lN-AchR和谷氨酸受体对Na+、K+及Ca2+离子的通透性具有选择性。 Chemical synapse烟碱样乙酰胆碱受体的分子结构Three conformation of the acetylcholine receptorlG蛋白偶联受
15、体(G-protein coupled receptor, GPCR)又称蛇型受体。此型受体通常由单一的多 肽链或均一的亚基组成，其肽链可分为细胞外区 、跨膜区、细胞内区三个区。l受体的跨膜区由7个螺旋结构组成；多肽链的N -端位于细胞外区，而C-端位于细胞内区；在第 五及第六跨膜螺旋结构之间的细胞内环部分（ 第三内环区），是与G蛋白偶联的区域。l大多数常见的激素受体和慢反应神经递质受体是 属于G蛋白偶联型受体。 2. G蛋白偶联受体：G蛋白偶联受体的分子结构lG蛋白即鸟苷酸调节蛋白，是一类位于细胞膜胞液面的外周蛋白，通常由、和三种亚基构成的异三聚体。其中亚基可与GTP、GDP结合，并具有GT
16、Pase活性。G蛋白(guanylate binding protein)G蛋白异三聚体的分子结构lG蛋白有许多种类，不同的G蛋白能特异地将受体与相应的效应酶偶联起来，将特异的信息传递到细胞内。l现已发现，在哺乳动物中，G蛋白的亚基有20余种，亚基有5种，亚基有12种。信息传递过程中的蛋白lG蛋白存在有活性和无活性两种状态。当 亚基与GDP结合，并构成异三聚体 时呈无活性状态。l当配体与受体结合后，受体的构象发生 变化，与亚基的C-端相互作用，促使 GDP从亚基上脱落下来，而GTP结合上 去，G蛋白被激活。此时，亚基与亚 基分离，可分别与效应蛋白（酶）发生 作用。l接着，亚基的GTPase将GTP水解为GDP ，亚基重新与亚基结合而失活。两种G蛋白的活性型和非活性型的互变GTP-binding regulatory protein3. 单个跨膜螺旋受体：l此型受体一般是由均一性的多肽链构成的单体或寡聚体。每个单体或亚基的跨膜-螺旋区只有一个
