细胞生物学108-6-15-第五章：细胞通讯1-20.pptx

5. 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)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,1,,,,,,¨通讯方式,细胞有三种通讯方式(图 5-2):①通过信号分子;②通过相邻细胞表面分子的粘 着或连接;③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:①不依赖于细胞接触的细胞通讯;②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,5.1.2 信号分子及信号传导,¨ 信号分子(signal molecules),细胞通讯的信息多数是通过信号分子来传递的信号分子是同细胞受体结合并,2,,,,,,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 肾上腺,化学特性 酪氨酸衍生物 类固醇,主要作用,肾上腺素 皮质醇,提高血压、心律、增强代谢 在大多数组织中影响蛋白、糖、 脂的代谢,肾上腺,雌二醇,卵巢,类固醇 肽,诱导和保持雌性副性征 在肝、脂肪细胞刺激葡萄糖合 成、糖原断裂、 脂断裂 刺激肝细胞等葡萄糖吸收、蛋白 质及脂的合成,胰高血糖素 胰α细胞,胰岛素,胰β细胞,蛋白质,睾酮,睾丸,类固醇,诱导和保持雄性副性征 刺激多种类型细胞的代谢,甲状腺素,甲状腺,酪氨酸衍生物,3,,,,,,,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)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,在细胞通讯中,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,与信号分子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) 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)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 DNA 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,6,,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7,,,¨ 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 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(图 5-9)8,,图 5-9 离子通道偶联受体与信号传导,①动作电位到达突触末端,引起暂时性的去极化;②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;③Ca2+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;④ Ca2+引起储存小泡分泌释放神经递质;⑤分泌的神经递质分子经扩散到达突触后细胞的表面受体; ⑥神经递质与受体的结合,改变受体的性质;⑦离子通道开放,离子得以进入突触后细胞;⑧突触后 细胞中产生动作电位9,,,,,,,,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?,¦ G-蛋白偶联受体(G-protein linked receptor),这类受体的种类很多，在结构上都很相似∶都是一条多肽链，并且有 7 次α螺 旋跨膜区(图 5-10)。

这种 7 次跨膜受体蛋白的超家族包括视紫红质(脊椎动物眼中 的光激活光受体蛋白)，以及脊椎动物鼻中的嗅觉受体图 5-10 G-蛋白偶联受体的结构 每一种G-蛋白偶联受体都有7个α螺旋的跨膜区,信号分子与受体的细胞外部分结合,并引起 受体的细胞内部分激活相邻的 G-蛋白¦ 酶联受体(enzyme linked receptor),这种受体蛋白既是受体又是酶，一旦被配体激活即具有酶活性并将信号放大， 又称催化受体(catalytic receptor)按照受体的细胞内结构域是否具有酶活性将 此类受体分为两大类:缺少细胞内催化活性的酶联受体和具有细胞内催化活性的酶 联受体举例说明什么是缺少细胞内催化活性的酶联受体和具有细胞内催化活性的酶联 受体?,非酪氨酸激酶受体(nonreceptor tyrosine kinases)就是缺少细胞内催化活性,10,,,的酶联受体虽然这种受体本身没有酶的结构域,但实际效果与具有酶结构域的受体 是一样的(图 5-11)图 5-11 缺少细胞内酪氨酸激酶的酶联受体 受体与酪氨酸激酶是分开的,配体与受体结合后,受体形成二聚体,两个酪氨酸激酶分别与受 体结合并被激活。

细胞内具有催化结构域的酶联受体有很多种类型, 包括具有鸟苷环化酶活性 受体和磷酸酶的活性(图5-12a,b)受体、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性受体或酪氨酸 蛋白激酶的活性的受体(图 5-12c,d)图 5-13 具有细胞内催化结构域的酶联受体,11,,,,5.1.4 受体与配体相互作用及研究方法,细胞通过化学信息进行通讯的能力取决于信号分子的合成与分泌以及受体与配 体的相互识别和结合,配体与受体的结合又与配体与受体的结构和化学性质相关联¨ 表面受体超家族(surface receptor superfamilies),根据表面受体进行信号转导的方式将受体分为三大类,若是根据表面受体与质 膜的结合方式则可分为单次跨膜、7 次跨膜和多亚单位跨膜等三个家族(图 5-13)图 5-13 单次、7 次与多亚基跨膜的表面受体,¨ 受体与配体相互作用的特点,多细胞生物体中的细胞,其周围环境中常常有多达几百种的化学信号分子,细胞 如何去识别?是否一种信号分子只能作用于一种类型的细胞?受体与配体如何结合? 这些都是由受体自身的特性决定的¦特异性(specificity)受体与配体的结合是高度特异性的反应,但不是绝对的, 有受体交叉(receptor crossover)现象 。

请设计一个实验研究受体与配体结合的特异性,¦ 高亲和力(high affinity binding),受体与配体结合的能力称为亲和力通过配体与受体结合反应的动力学分析可 获得亲和力的信息受体对其配体的亲和力很强, 亲和力越强, 受体越容易被占据 亲和力的大小常用受体-配体复合物的解离常数(Kd)值来表示, 通常是 10-9 M 左右 ¦ 饱和性(saturation),由于细胞含有有限数量受体分子,提高配体分子的浓度,可使细胞的受体全部被 配体所占据,此时的受体处于饱和状态,因为即使增加配体的浓度也不会增加配体与 受体的结合由于一个细胞或一定组织内受体的数目是有限的, 因此受体与配体的 结合是可以饱和的¦ 可逆性(reversibility),配体与受体的结合是通过非共价键,所以是快速可逆的当引发出生物效应后, 受体-配体复合物解离, 受体可以恢复到原来的状态, 并再次使用受体与配体结合,的可逆性有利于信号的快速解除,避免受体一直处于激活状态 12,,¦ 生理反应 (physiological response),信号分子与受体的结合会引起适当的生理反应,反应的强弱与结合配体的受体 数量正相关。

如在胰岛素与受体的结合时,会激。