细胞生物学细胞通讯与细胞转导

细胞通讯与信号传导

细胞通讯

细胞通讯是指一个信号产生的细胞发出的信息通过介质（又称配体）传递到另一个靶细胞并与其相应的受体相互作用，然后通过细胞信号转导，产生靶细胞内一系列生理生化变化，最终表现为靶细胞整体的生物学效应的过程。细胞信号转导是实现细胞间通讯的关键过程，它是协调多细胞生物细胞间功能，控制细胞的生长和分裂，组织发生与形态建成所必需的细胞通讯可概括为3种方式：

1.通过分泌化学信号进行细胞间通讯，这是多细胞生物普遍采用的通讯方式

2.细胞间接依赖通讯，细胞间之间接触，通过信号细胞跨膜信号分子（配体）与相邻靶细胞表面受体相互作用

3.动物细胞相邻细胞间形成间隙连接、植物细胞间通过胞间连丝使细胞间相互沟通，通过交换小分子来实现代谢偶联或电偶联，从而实现功能调控。

信号分子

信号细胞通过外派分泌和穿膜扩散释放出信号分子，有的信号分子可对远距离的膜细胞发生作用；而有的信号分子在释放后，仍然结合在细胞表面上，只能影响到与之接触的细胞，甚至细胞本身。

信号分子按其作用的性质可分为以下几类

1.旁分泌信号

信号细胞分泌的信号分子扩散不太远，只能影响到周围领近的细胞，很快被邻近细胞所获取和破坏

2.突触信号

神经末梢与另一神经元或肌肉细胞之间建立有特殊的连接，称为突触。神经末梢和分泌神经递质，作用于突触后靶细胞。

3.内分泌信号

内分泌细胞分泌的信号分子称为激素，激素可远距离传递，随血流或汁液散步全身，信号分子由于被液体高度稀释，故对靶细胞的作用浓度很低。

4.自分泌信号

细胞分泌的信号分子只作用于同种细胞，甚至同自身的受体结合引起反应，分泌信号分子的细胞即使信号细胞也是靶细胞。例如在细胞分化过程中分化方向一旦确定，自分泌信号可加强细胞沿该方向分化的趋势。因此在同种群体细胞中，可产生彼此促进的“基团效应”。

根据化学性质可以分为

1.气体性信号分子：包括NO、CO、可以自由扩散，进入细胞直接激活效应酶（鸟苷酸酶）产生第二信使cGMP，参与众多的生理过程）

2.疏水性信号分子：主要是甾类激素和甲状腺素，是血液中长效信号，这类亲脂性分子小，疏水性强，可穿过细胞质膜进入细胞，与细胞内核受体结合形成激素-受体符合物，调节基因表达

3.亲水性信号分子：包括神经递质、局部介质和大多数蛋白类激素，它们不能透过靶细胞质膜、只能通过与靶细胞表面受体结合，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。

靶细胞

靶细胞是信号分子作用的效应细胞，其反应过程有如下特征：

1.专一信号识别

细胞按发育过程编程，在不同的分化阶段，分别与专一的信号分子结合。在分化过程中，有的细胞只对分化信号起反应，有的则只对增殖信号发生反应，也有的只对其他功能信号发生反应。

2.反应差异

细胞的环境中有数百种信号分子，通常是以组合的方式起作用，数百种分子可形成几百万中组合，细胞只是利用有限的几种分子来调控其行为。一个细胞对环境的反应途径可有所不同。

3.靶细胞中的受体

信号传递过程的第一步是信号分子（配体）同靶细胞受体的结合，受体起靶细胞“天线”的作用。它是一类特殊的蛋白质，可同信号分子专一结合，启动靶细胞的反应。

靶细胞的受体

受体是一类能识别和选择性结合某种配体的大分子，已经鉴定的绝大多数受体都是蛋白质且为糖蛋白。

根据受体在靶细胞中的存在位置，可分为两类：

一、胞内受体

此类受体存在于细胞质基质或核中。一些疏水性信号小分子，如类固醇和甲状腺激素、类视黄素、维生素D等可直接穿越质膜脂双层进入靶细胞内部，与细胞内受体结合，激活受体。这些脂溶性信号分子（配体）的受体被激活后，均可同配体所调节基因相邻进的专一DNA序列结合

激素要在一个细胞中引起一种典型反应必须具备两个先觉条件：1.细胞中含有激素信号的受体 2.细胞含有不同于它种细胞的基因调节蛋白组合。激素是通过激活对基因表达有调节作用的受体蛋白影响基因的转录。因此这些受体蛋白属于基因调节蛋白。但是激素信号分子穿过质膜进入细胞后，大都不是直接激活基因调节蛋白，而是通过细胞内信号传递途径发生信号传递途径，发生信号传递级联反应，途径的最后激活基因调节蛋白。

二、表面受体蛋白

所有的亲水性信号分子（包括神经递质、蛋白质激素、蛋白质生长因子）都是和靶细胞的表面受体结合发挥作用。表面受体都是跨膜整合蛋白，其配体结合部位暴露在质膜外表面，这些表面受体起信号转化器的作用的作用，同信号配体结合后，可将细胞外信号转变成一个或几个细胞内信号，从而引起靶细胞的反应

根据传导机制的不同，细胞表面受体可分为3类

1.离子通道关联受体

离子通道关联受体也叫做递质门控离子通道。受体是多次穿膜的蛋白质，这种受体与电兴奋细胞间突触信号快速传递有关，信号传递是由少量神经递质介导。受体和配体结合后，构象发生改变，通道瞬时打开或关闭，改变了质膜的离子透性，使突触后细胞大声兴奋。2.G-蛋白关联受体

G-蛋白关联受体可间接调节结合在质膜上的靶蛋白的活性，靶蛋白是一种酶或是一种离子通道。其特点是：在受体蛋白与靶蛋白之间介以第三种蛋白质，即三体GTP结合调节蛋白，简称为G蛋白。如果靶蛋白是一种酶，被激活后可使细胞内的一种或几种介体的浓度发生改变。如果靶蛋白是一种离子通道，被激活后可改变质膜的离子透性。细胞内介体又可进而使细胞中其他蛋白的性能发生改变。

3.酶关联受体

酶关联受体多为一次穿膜的蛋白质，自身具有酶的性质，或者可与酶结合在一起。受体外端具有配体结合部位，内端为催化部位。这类受体大多数为蛋白质激酶或与蛋白质激酶结合在一起，它们被激活后，可使靶细胞中专一的一组蛋白质发生磷酸化。

信号传导的第一步是激活受体

第二信使以及分子开关

即胞外化学信号（第一信使）不能进入细胞，它作用于细胞表面受体，倒是产生胞内信号（第二信使），从而引发靶细胞内一系列生化反应，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。

第二信使是指在细胞内产生的非蛋白类小分子，通过其浓度变化应答外信号与细胞表面受体的结合，调节细胞内酶和非蛋白酶的活性，从而在细胞信号转导途径行使携带和放大信号的功能。目前公认的第二信使包括cAMP、cGMP、钙离子、二酰甘油（DAG）、肌醇-1，4，5-三磷酸（IP3）和3，4，5-三磷酸脂酰肌醇（ＰＩＰ３）等

在细胞信号转导过程中，除细胞表面受体和第二信使分子以外，还有两类在进化上保守的胞内蛋白，其功能左右那个依赖于细胞外信号的刺激，这两类蛋白在引发信号转导级联反应中起分子开关的作用。一类是GTｃａｓｅ分子开关调控蛋白构成的细胞内GTcase超家族，包括三聚体GTP结合蛋白和单体GTP结合蛋白如Ras和类Ras蛋白。另一类更为普遍存在的分子开关机制，是通过蛋白激酶使靶蛋白磷酸化，通过蛋白磷酸水解酶使靶蛋白去磷酸化从而调节靶蛋白的活性。

信号转导系统的基本组成与特点

通过细胞表面受体介导的信号通路，通常由下列５个步骤组成。

１.细胞表面受体特异性识别并结合胞外信号分子（配体），形成受体－配体复合物，导致受体激活

２.由于激活受体构象改变，导致信号初级跨膜转导，把细胞内产生第二信使或活化的信号蛋白

３.通过胞内第二信使或细胞内信号蛋白复合物的装配，起始胞内信号放大的级联反应４.细胞应带反应，如果这种级联反应主要是通过酶的逐次激活，结果将改变细胞代谢活性，或者通过基因表达调控蛋白影响细胞基因表达和发育，或者通过细胞骨架蛋白的修饰改变细胞形状或运动

５.由于受体脱敏或受体下调，终止或降低细胞反应。

特点：

1特异性，细胞受体和胞外配体通过结构互补机制以非共价键连接，形成受体-配体复合物，具有结合特异性

2.放大效应：信号传递至胞内效应器蛋白，引发细胞内信号放大的级联反应

3.网络化与发聩调节机制

4.整合作用：多细胞生物的每个细胞都处于细胞“社会”环境之中，大量的信息以不同组合的方式调节细胞的行为。因此细胞必须整合不同的信息。

胞内信号传导的级联反应

细胞反应是细胞外信号分子影响了细胞专一性基因的表达。但是，胞外信号分子并不是直接对基因活动发生作用，而是经过一个复杂的反应历程。第一步就是靶细胞的受体与配体