细胞生物学13 39页

第十一章细胞信号转导系统\n一、细胞通讯与细胞识别（一）细胞通讯细胞通讯（cellcommunication）是指一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应的反应。\n细胞以三种方式进行通讯：①细胞通过分泌化学信号进行细胞间相互通讯.(包括内分泌,旁分泌,自分泌和通过化学突触传递神经信号)------间接联系型②细胞间接触性依赖的通讯（contact-dependentsignaling）-------直接接触型③细胞间形成间隙连接使细胞质相互沟通，通过交换小分子来实现代谢偶联或电偶联-------直接联系型\n\n\n\n\n（二）细胞识别和信号通路细胞识别（cellrecognition）：指细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子（配体）选择性地相互作用，从而导致胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效应的过程。细胞信号通路(cellsignalingpathway)：细胞接受外界信号，通过一整套特定的机制，将胞外信号转导为胞内信号，最终调节特定基因的表达，引起细胞的应答反应，这种反应系列称为细胞信号通路。细胞识别正是通过各种不同的信号通路实现的。\n（三）细胞的信号分子与受体细胞间的通讯实质是细胞间信息的交流，信号是信息的物质体现。引起细胞间通讯产生的信号包括由信号细胞分泌的化学小分子（化学信号），还包括物理性信号（电、磁、光、声、辐射、温度等）。如：神经细胞间的信号传递依赖于细胞膜静息电位改变时所引起动作电位的定向传播。静息电位：正常状态的细胞，细胞一般处于内负外正的极化状态，其电位差约在-100～-50mV之间。动作电位：当细胞受刺激时，静息电位去极化，产生一次瞬息即逝的内正外负的电位变化。如：植物细胞上有多种类的接受不同光刺激的受体，其中红光、远红光、蓝光和紫外光对植物的光形态建成反应起主要的调节作用。\n1、细胞的化学信号分子细胞的化学信号分子根据其溶解性可分为亲脂性、亲水性和气体性三类：1）亲脂性信号分子：如甲状腺素。特点：分子小，疏水性强，可穿过细胞膜进入细胞，与细胞质或细胞核中受体结合形成激素-受体复合物，调节基因表达。2）亲水性信号分子：如神经递质、生长因子、局部化学递质及大多数激素。特点：不能穿过靶细胞质膜的脂双分子层，只能通过与靶细胞表面受体结合，再经信号转换机制，在细胞内产生第二信使或激活蛋白激酶或蛋白磷酸酶的活性，引起细胞的应答反应。3）气体信号分子：NO，能进入细胞直接激活效应酶，参与体内众多的生理病理过程（如使血管平滑肌松弛）。CO、乙烯对植物整个生活周期都有调节作用\n信号分子的共同特性：①特异性，只能与特定的受体结合；②高效性，几个分子即可发生明显的生物学效应，这一特性有赖于细胞的信号逐级放大系统；③可被灭活性，完成信息传递后可被降解或修饰而失去活性，保证信息传递的完整性和细胞免于疲劳。\n2、受体受体(receptor)：是一种能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子，当和配体结合后，能通过信号转导作用将胞外信号转换为胞内化学或物理信号，以启动一系列过程，最终表现为生物学效应。根据靶细胞上受体存在的部位，可将受体分为细胞内受体和细胞表面受体。不同细胞对同一种化学信号分子可能具有不同的受体，不同的靶细胞以不同的方式应答于相同的化学信号。同一细胞上不同的受体应答于不同的胞外信号产生相同的效应。\n\n3、第二信使与分子开关第二信使学说（secondmessengertheory）：胞外化学物质（第一信使）不能进入细胞，它作用于细胞表面受体，而导致产生胞内第二信使，从而激发一系列生化反应，最后产生一定的生理效应，第二信使的降解使其信号作用终止。目前公认的第二信使有cAMP、cGMP、三磷酸肌醇(IP3)、二酰基甘油(DG)等，Ca2+曾被当作第二信使，现在一般认为其为磷脂酰肌醇信号通路的“第三信使”。\n\n二、通过细胞内受体介导的信号传递亲脂性小分子信号蛋白通过与细胞内受体结合传递信号。细胞内受体的本质是激素激活的基因调控蛋白，构成细胞内受体超家族。\n三、通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递根据信号转导机制和受体蛋白类型的不同，细胞表面受体分属三大家族：①离子通道偶联的受体；②G蛋白偶联的受体；③酶偶联的受体。\n\n（一）G蛋白偶联的受体指配体-受体复合物与靶蛋白（酶或离子通道）的作用要通过与G蛋白的偶联，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内影响细胞的行为。由G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路主要包括：cAMP的信号通路（PKA系统）和磷脂酰肌醇信号通路（PKC系统）。PKA系统主要是通过激活蛋白激酶A进行信号放大，PKC系统主要是通过激活蛋白激酶C进行信号放大。\n\n1.cAMP的信号通路细胞外信号与相应受体结合，导致细胞内第二信使cAMP的水平变化而引起细胞反应的信号通路。这一信号通路的首要效应酶是腺苷酸环化酶，通过它调节胞内cAMP的水平。\n1）cAMP信号的组分①.激活型激素受体（Rs）或抑制型激素受体（Ri）②.活化型调节蛋白（Gs）或抑制型调节蛋白（Gi）；③.腺苷酸环化酶：腺苷酸环化酶催化生成cAMP。④.蛋白激酶A（ProteinKinaseA，PKA）：由两个催化亚基和两个调节亚基组成，在没有cAMP时，以钝化复合体形式存在。cAMP与调节亚基结合，改变调节亚基构象，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基。活化的PKA催化亚基可使细胞内某些蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，于是改变这些蛋白的活性，进一步影响到相关基因的表达。⑤.环腺苷酸磷酸二酯酶：可降解cAMP，起终止信号的作用。\n2)Gs调节模型信号通路激素→G蛋白偶联受体→G蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP→cAMP依赖的蛋白激酶A→基因调控蛋白→基因转录。\n激素→G蛋白偶联受体→G蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP→cAMP依赖的蛋白激酶A→基因调控蛋白→基因转录。\n\n\n*其它G蛋白偶联型受体化学感受器中的G蛋白气味分子与化学感受器中的G蛋白偶联型受体结合，可激活腺苷酸环化酶，产生cAMP，开启cAMP门控阳离子通道，引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲动，最终形成嗅觉或味觉。\n2、磷脂酰肌醇信号通路特点：胞外信号被膜受体结合后，同时产生两个胞内信使，分别激动两个信号传递途径即三磷酸肌醇-Ca2+(IP3-Ca2+)和二酰基甘油-蛋白激酶C(DG-PKC)途径，实现细胞对外界信号的应答，因此把这一信号系统称之为“双信使系统”（doublemessengersystem）\n\n胞外信号分子与细胞表面G蛋白耦联型受体结合→G蛋白活化→磷脂酶C活化→水解PIP2三磷酸肌醇（IP3）→胞内Ca2+浓度升高→激活各类依赖钙离子的蛋白二酰基甘油（DG）→PKC活化→基因调控蛋白→基因转录\nIP3信号的终止是通过去磷酸化形成IP2，或被磷酸化形成IP4。Ca2+由质膜上的Ca2+泵和Na+-Ca2+交换器将抽出细胞，或由内质网膜上的钙泵抽进内质网。DG通过两种途径终止其信使作用：一是被DG-激酶磷酸化成为磷脂酸，进入磷脂酰肌醇循环；二是被DG酯酶水解成单酯酰甘油。由于DG代谢周期很短，不可能长期维持PKC活性，而细胞增殖或分化行为的变化又要求PKC长期活性所产生的效应。现发现另一种DG生成途径，即由磷脂酶催化质膜上的磷脂酰胆碱断裂产生的DG，用来维持PKC的长期效应。\n（二）与酶连接的受体当胞外配基和与酶连接的受体结合时，即激活受体胞内段的酶活性，从而引发细胞内一系列反应发生。\n酶偶联型受体（enzymelinkedreceptor）分为两类：一是本身具有激酶活性，如肽类生长因子（EGF，PDGF，CSF等）受体；二是本身没有酶活性，但可以连接非受体酪氨酸激酶，如细胞因子受体超家族。这类受体的共同点是：①通常为单次跨膜蛋白；②接受配体后发生二聚化而激活，起动其下游信号转导。已知六类：①受体酪氨酸激酶、②酪氨酸激酶连接的受体、③受体酪氨酸磷脂酶、④受体丝氨酸/苏氨酸激酶⑤受体鸟苷酸环化酶、⑥组氨酸激酶连接的受体。\n四、细胞信号传递的基本特征1、多途径、多层次的细胞信号传递通路具有收敛或发散的特点。2、细胞的信号转导既具有专一性又有作用机制的相似性。3、细胞信号传递构成一个复杂的信号网络系统。4、信号转导过程具有信号放大作用，但这种放大作用又受到适度的控制。5、当细胞长期暴露在某种形式的刺激下，细胞对刺激的反应将会降低，这就是细胞的适应。\n\n例：两“鼻祖”荣获诺贝尔医学奖（2004、10）２００４年诺贝尔生理学或医学奖被授予有“气味专家”之称的美国科学家理查德·阿克塞尔和琳达·巴克，以表彰两人在气味受体和嗅觉系统组织方式研究中作出的贡献。\n人能够分辨和记忆约１万种不同的气味，但人具有这种能力的基本原理是什么？气味分子气味受体电信号（鼻上皮气味受体细胞中）大脑的嗅球大脑其它区域组合成特定模式形成大脑记忆\n人体约有１０００个基因用来编码气味受体细胞膜上的不同气味受体，占人体基因总数的约３％。每个气味受体细胞会对有限的几种相关分子作出反应。绝大多数气味都是由多种气体分子组成的，因此每种气味会激活相应的多个气味受体，并会通过“嗅小球”和大脑其他区域的信号传递而组合成一定的气味模式。尽管气味受体只有约１０００种，但它们可以产生大量的组合，形成大量的气味模式，这也就是人们能够辨别和记忆约１万种不同气味的基础\n讨论、思考题、作业：1、课后查阅相关文献。2、预习下章、节内容3、思考：1）比较载体蛋白和通道蛋白。2）比较cAMP信号通路与磷脂酰肌醇信号通路。3）比较细胞内受体与细胞表面受体。4）试述细胞是如何与周围环境进行信息的交流？思考题