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1、第五章.细胞通讯细胞通讯(cell communication)是细胞间或细胞内通过高度精确和高效地发送与接收信息的通讯机制，对环境作出综合反应的细胞行为。5.1 细胞通讯的基本特点细胞的通讯与人类社会的通讯有异曲同工之妙(图5-1):由信号发射细胞发出信号(接触和产生信号分子)，由信号接收细胞(靶细胞)探测信号，其接收的手段是通过接收分子(受体蛋白)，然后通过靶细胞的识别，最后作出应答。图5-1 信号传导(a)电话接收器将电信号转换成声信号;(b)细胞将细胞外信号(分子A)转变成细胞内的信号(分子B)。5.1.1 细胞通讯的方式与反应 通讯方式细胞有三种通讯方式(图5-2):通过信号分子;通
2、过相邻细胞间表面分子的粘着或连接;通过细胞与细胞外基质的粘着。在这三种方式中，第一种不需要细胞的直接接触，完全靠配体与受体的接触传递信息，后两种都需要通过细胞的接触。所以可将细胞通讯的方式分为两大类:不依赖于细胞接触的细胞通讯;依赖于细胞接触的细胞通讯。图5-2 细胞通讯的方式及引起的某些反应 细胞通讯的反应过程细胞通讯中有两个基本概念: 信号传导(cell signalling) 信号转导(signal transduction)这两个概念反映了细胞通讯的两个最主要的反应过程。请从细胞通讯的反应过程比较这两个概念的差异。比较信号传导(cell signalling)与信号转导(signal
3、transduction)的差别（答案） 答: 都是关于细胞通讯的基本概念， 但二者的涵义是不同的， 前者强调信号的释放与传递，包括细胞通讯的前三个过程:信号分子的合成: 一般的细胞都能合成信号分子，而内分泌细胞是信号分子的主要来源。信号分子从信号传导细胞释放到周围环境中:这是一个相当复杂的过程，特别是蛋白类的信号分子，要经过内膜系统的合成、加工、分选和分泌，最后释放到细胞外。信号分子向靶细胞运输:运输的方式有很多种，但主要是通过血液循环系统运送到靶细胞。信号转导强调信号的接受与放大， 包括细胞通讯的后三步:靶细胞对信号分子的识别和检测: 主要通过位于细胞质膜或细胞内受体蛋白的选择性的识别和结
4、合。细胞对细胞外信号进行跨膜转导，产生细胞内的信号。细胞内信号作用于效应分子，进行逐步放大的级联反应，引起细胞代谢、生长、基因表达等方面的一系列变化。另外，细胞完成信号应答之后，要进行信号解除，终止细胞应答，主要是通过对信号分子的修饰、水解或结合等方式降低信号分子的水平和浓度以终止反应。5.1.2信号分子及信号传导 信号分子(signal molecules)( 信号分子是指生物体内的某些化学分子, 既非营养物, 又非能源物质和结构物质,而且也不是酶,它们主要是用来在细胞间和细胞内传递信息, 如激素、神经递质、生长因子等统称为信号分子,它们的惟一功能是同细胞受体结合, 传递细胞信息。多细胞生物
5、中有几百种不同的信号分子在细胞间传递信息,这些信号分子中有蛋白质、多肽、氨基酸衍生物、核苷酸、胆固醇、脂肪酸衍生物以及可溶解的气体分子等。根据信号分子的溶解性分为水溶性信息(water-soluble messengers)和脂溶性信息(lipid-soluble messengers),前者作用于细胞表面受体,后者要穿过细胞质膜作用于胞质溶胶或细胞核中的受体。其实，信号分子本身并不直接作为信息,它的基本功能只是提供一个正确的构型及与受体结合的能力,就像钥匙与锁一样,信号分子相当于钥匙,因为只要有正确的形状和缺齿就可以插进锁中并将锁打开。至于锁开启后干什么,由开锁者决定了)细胞通讯的信息多数是
6、通过信号分子来传递的。信号分子是同细胞受体结合并传递信息的分子。信号分子本身并不直接作为信息，它的基本功能只是提供一个正确的构型及与受体结合的能力。 信号分子的类型及信号传导方式有三种类型的信号分子(图5-3)。图5-3 三种不同类型的信号分子及其信号传导方式 激素(hormone)激素是由内分泌细胞(如肾上腺、睾丸、卵巢、胰腺、甲状腺、甲状旁腺和垂体)合成的化学信号分子，一种内分泌细胞基本上只分泌一种激素，参与细胞通讯的激素有三种类型:蛋白与肽类激素、类固醇激素、氨基酸衍生物激素(表5-1)表5-1 某些激素的性质和功能名称合成部位化学特性主要作用肾上腺素肾上腺酪氨酸衍生物提高血压、心律、增
7、强代谢 皮质醇肾上腺类固醇在大多数组织中影响蛋白、糖、 脂的代谢雌二醇卵巢类固醇诱导和保持雌性副性征胰高血糖素胰细胞肽在肝、脂肪细胞刺激葡萄糖合成、糖原断裂、 脂断裂胰岛素胰细胞蛋白质刺激肝细胞等葡萄糖吸收、蛋白 质及脂的合成睾酮睾丸类固醇诱导和保持雄性副性征甲状腺素甲状腺酪氨酸衍生物刺激多种类型细胞的代谢 通过激素传递信息是最广泛的一种信号传导方式，这种通讯方式的距离最远，覆盖整个生物体。在动物中，产生激素的细胞是内分泌细胞，所以将这种通讯称为内分泌信号(endocrine signaling)。 局部介质(local mediators)局部介质是由各种不同类型的细胞合成并分泌到细胞外液中
8、的信号分子，它只能作用于周围的细胞。通常将这种信号传导称为旁分泌信号(paracrine signaling)，以便与自分泌信号相区别。有时这种信号分子也作用于分泌细胞本身， 如前列腺素(prostaglandin，PG)是由前列腺合成分泌的脂肪酸衍生物(主要是由花生四烯酸合成的)， 它不仅能够控制邻近细胞的活性，也能作用于合成前列腺素细胞自身，通常将由自身合成的信号分子作用于自身的现象称为自分泌信号(autocrine signaling)。 神经递质 (neurotransmitters) 神经递质是由神经末梢释放出来的小分子物质，是神经元与靶细胞之间的化学信使。由于神经递质是神经细胞分泌
9、的,所以这种信号又称为神经信号(neuronal signaling)。 依赖于细胞接触的信号传导通过细胞的接触，包括通过细胞粘着分子介导的细胞间粘着、细胞与细胞外基质的粘着、连接子(植物细胞为胞间连丝)介导的信号传导。通过细胞接触进行的通讯中，信号分子位于细胞质膜上，两个细胞通过信号分子的接触传递信息(图5-4)。图5-4 通过分泌的信号分子通讯与通过膜结合的信号分子通讯的比较5.1.3 受体与信号的接收 细胞通讯中，由信号传导细胞送出的信号分子必须被靶细胞接收才能触发靶细胞的应答，接收信息的分子称为受体( receptor)，信号分子则被称为配体(ligand)。 受体存在的部位 信号分子
10、识别并结合的受体通常位于细胞质膜或细胞内，所以有两类受体: 表面受体(surface receptor)( 位于细胞质膜上的受体称为表面受体(surface receptor), 细胞表面受体主要是识别周围环境中的活性物质或被相应的信号分子所识别, 并与之结合, 将外部信号转变成内部信号, 以启动一系列反应而产生特定的生物效应。表面受体多为膜上的功能性糖蛋白, 也有由糖脂组成的, 如霍乱毒素受体、百日咳毒素受体; 有的受体是糖脂和糖蛋白组成的复合物, 如促甲状腺素受体。若仅为由一条多肽链组成的受体, 称单体型受体, 若由两条或两条以上的多肽链组成的则称聚合型受体。表面受体主要是同大的信号分子或
11、小的亲水性信号分子作用，传递信息)于细胞质膜上的称为表面受体(surface receptor) 细胞内受体(intracellular receptor) 位于胞质溶胶、核基质中的受体称为细胞内受体(intracellular receptor)( 位于胞质溶胶、核基质中的受体称为细胞内受体(intracellular receptor)。细胞内受体主要是同脂溶性的小信号分子相作用。位于胞质溶胶中受体要与相应的配体结合后才可进入细胞核。胞内受体识别和结合的是能够穿过细胞质膜的小的脂溶性的信号分子,如各种类固醇激素、甲状腺素、维生素D以及视黄酸。细胞内受体的基本结构都很相似,有极大的同源性。细
12、胞内受体通常有两个不同的结构域, 一个是与DNA结合的中间结构域, 另一个是激活基因转录的N端结构域。此外还有两个结合位点,一个是与脂配体结合的位点,位于C末端,另一个是与抑制蛋白结合的位点)。 表面受体主要是同大的信号分子或小的亲水性的信号分子作用，传递信息。而细胞内受体主要是同脂溶性的小信号分子作用(图5-5)。 图5-5 细胞表面受体与细胞内受体 细胞内受体细胞内受体通常有两个不同的结构域, 一个是与DNA结合的结构域, 另一个是激活基因转录的N端结构域。此外有两个结合位点,一个是与配体结合的位点,位于C末端,另一个是与抑制蛋白结合的位点,在没有与配体结合时,则由抑制蛋白抑制了受体与DN
13、A的结合,若是有相应的配体,则释放出抑制蛋白(图5-6)。图5-6 细胞内受体的结构示意图细胞内受体在接受脂溶性的信号分子并与之结合形成受体-配体复合物后就成为转录促进因子，作用于特异的基因调控序列，启动基因的转录和表达(图5-7)。图5-7 糖皮质激素受体激活(a) 类固醇激素通过扩散穿过细胞质膜;(b)激素分子与胞质溶胶中的受体结合;(c)抑制蛋白与受体脱离，露出与DNA结合和激活基因转录的位点;(d)被激活的复合物进入细胞核;(e)与DNA增强子区结合;(f)促进受激素调节的基因转录。 细胞表面受体位于细胞质膜上的受体称为表面受体，主要有三种类型离子通道偶联受体(ion-channel
14、linked receptor)、G-蛋白偶联受体(G-protein linked receptor)、酶联受体(enzyme-linked receptor)(图5-8)。图5-8 三种类型的细胞表面受体(a)离子通道偶联受体;(b)G-蛋白偶联受体;(c)酶联受体。 离子通道偶联受体(ino-channel linked receptor)( 具有离子通道作用的细胞质膜受体称为离子通道受体。这种受体见于可兴奋细胞间的突触信号传导，产生一种电效应，如烟碱样乙酰胆碱受体(nAchR)、-氨基丁酸受体(GABAR)和甘氨酸受体等都是离子通道偶联受体。它们多为数个亚基组成的寡聚体蛋白, 除有配体
15、结合位点外, 本身就是离子通道的一部分,并借此将信号传递至细胞内。信号分子同离子通道受体结合, 可改变膜的离子通透性)具有离子通道作用的细胞质膜受体称为离子通道受体， 这种受体见于可兴奋细胞间的突触信号传导，产生一种电效应(图5-9)。图5-9 离子通道偶联受体与信号传导动作电位到达突触末端,引起暂时性的去极化;去极化作用打开了电位门控钙离子通道,导致钙离子进入突触球;Ca2+浓度提高诱导分离的含神经递质分泌泡的分泌,释放神经递质;Ca2+引起储存小泡分泌释放神经递质;分泌的神经递质分子经扩散到达突触后细胞的表面受体;神经递质与受体的结合,改变受体的性质;离子通道开放,离子得以进入突触后细胞;突触后细胞中产生动作电位。烟碱样乙酰胆碱受体(nicotinic acetylcholine receptor)是研究得比较清楚的离子通道偶联受体，它存在于脊椎动物骨骼肌细胞以及某些鱼的放电器官细胞的质膜上，受体与乙酰胆碱结合，引起Na+通道的开放，Na+流入靶细胞，使得质膜去极化并引起细胞的收缩。如何通过实验分离烟碱样乙酰胆碱受体并证明烟碱样乙酰胆碱受体具有通道偶联受体的作用?
