细胞通讯和信息传导培训课件

细胞通讯和信息传导二、信息的重要性掌握了信息的意义是十分重要的，如：（一）竞争的胜负在很大程度上取决于信息的掌握；（二）生产者掌握了市场信息；就可优质价廉占领市场，战胜竞争对手；（三）投资者掌握了股票（期货）利率的走向，就会获取高额利润；（四）指挥员掌握了战地地形、气象、敌我双方的态势，就会克敌制胜；

（五）考生们掌握了信息，就会金榜题名；（六）高等生物掌握了信息，就会迅速准确的对周围环境作出反应。反之，如果不掌握信息或依赖错误信息，就会导致失败、灾难性失败。（信息、情报与知识，英文写法一样“information”,但中文解释不一样。情报是准备传逆发生效用的知识，最有生气的知识（情报）知识信息，情报处于核心地位。）2细胞通讯和信息传导

三、国家对信息通讯的重视和我们讨论的主要内容在信息与通讯方面，发达国家均投以巨资使经济高速运转获取高效益，如：美国的信息高速公路——光纤信息网日本研究信息流通的新干线网通讯建设先行、是我国四化建设的战略重点之一，所以人们称现代的通讯网络——人类社会的神经系统。但是，我们不讨论这些问题，我们主要讨论：1.细胞通讯的分子基础；2.信息传递中信息分子结构与功能及其调节；3.细胞识别与信息传递障碍。3细胞通讯和信息传导四、细胞间的信息传递性是维持机体正常机能的基本机制之一细胞是生物体结构和功能单位，是生命活动的基本单位，生命活动绝大部分生化反应是在胞内进行的。大约在15亿年以前，结构简单的原核细胞（procareticcell）演化成结构复杂的真核C（Encaryaticcell)，以多个真核C为基础构成了高等的、复杂的、多细胞的生物有机体。多细胞生物学特点是细胞产生了特化，同时又能协作，使众多细胞联合成一个协调的整体。多细胞机体内细胞间的信息传递是维持机体正常机能的基本生物学机制之一。高等生化清楚可辨的特化C200多种，这些特化细胞具有很多微细差异构成了不同的C系统，在所有系统中有2个系统：IS（免疫细胞系统）和NS（神经系统）。4细胞通讯和信息传导五、特化了的细胞的协作和协调这些特化了的细胞怎样协作和协调呢？请看下列（一）IS具有化学识别能力，能够识别“异己”，消灭其致病作用，当侵入体内，辅佐C提呈激活消灭致病作用。ICC（免疫活性细胞）吞噬病毒、细菌，首先涉及到识别异己的能力，如何识别并把信息传递给其它ICC，这就涉及细胞通讯和信息传递问题。（二）NS其功能是传递兴奋，它迅速将感受器CNS，使多细胞高等生物适应周围环境，且使C各部分协调一致。这种IS识别“异己”到消灭“异己”，NC传递“兴奋”都属细胞通讯和信息传递范畴。病毒TDAgTiAgTCBC介导细胞免疫应答（CML）介导细胞体液免疫应答（Ig)细菌5细胞通讯和信息传导六、人体通讯的三大干线和两类信息物质及三种传递方式

假若大脑是人的通讯总站，人的细胞通讯和信息传递至少有3大干线：

（一）“硬线”NS（二）“软线”IS（三）经络系统。

目前，了解比较深入的细胞外信息物质有两大类，一类是甾体激素，它们可以通过膜脂双层，自由进入细胞与胞浆或核内相应受体反应，从而影响基因活动。另一类包括蛋白质、多肽、生物胺等其它小分子，它们共同特点是不能通过脂双层，其信息传递方式有如下几种。

（一）简单直接摄入，如Na+、K+、ATP酶转运细胞内Na+、K+可视为特殊信息物质、影响细胞内代谢过程。

（二）与载体蛋白结合后进入细胞、如VitB12和胆固醇。（三）通过受体跨膜信息传递。本章进述将要涉及到这3种方式。6细胞通讯和信息传导

七、细胞通讯和信息传递

细胞通讯——生物体内C与C之间的联络、识别以及相互作用称C通讯。信息传递——通过受体将外来信号刺激传至胞内，产生一系列新的信息分子和有规律的生化级联反应，最终对C和整个生物体的生理功能进行调控的过程，称为受体介导的信息传递（机制）。7细胞通讯和信息传导第一节细通讯的分子基础信息分子——1种C释放一种物质传给靶C发挥作用，该物质称之。信息分子（引起靶C应答反应）作用6个步骤：1.信息C合成信息分子；2.信息C释放信息分子；3.信息分子弥散或血运至靶C；4.信息分子同靶C特异性结合；5.信息分子通过膜R传至胞内（其它Pr）；6.靶C产生效应。8细胞通讯和信息传导信息分子4个一般特点：1.在调节C功能中，除与R结合外，几乎无任何作用，不能降解成有用的产物，不能直接介导C内反应，唯一的是导致受体结构和活性的变化。

2.基本上可分2大类：

①水溶性信息分子②脂溶性信息分子例：神经介质、局部化学介质甾体激素、甲状腺素大部分激素前列腺素特点：①不能通过膜脂双层*除前列腺外、其它脂溶激素R均位于胞内。

②传不到C内①能通过脂质双层

③通过膜R发挥作用。②血中借助载体运至靶C。9细胞通讯和信息传导*各种不同的前列腺素与不同的CR结合，产生不同的生物效应，与其它的信息分子不同，一旦合成（不贮存），立即释放分泌到C间液，发挥作用后在局部迅速被降介。3.维持时间、大不相同，从仅几毫秒→几天。如：维持时间：几毫秒→几秒→几分钟→几小时→几天降解速度：神经介质、前列腺素、水溶性激素、类固醇激素、甲状腺素4.作用距离：有远有近从仅数百Å→数公里作用距离数百Å1米左右（遍及全身）数公里例：N-M接头处激素雌蛾吸引公蛾交配信息素顺风传布数公里。10细胞通讯和信息传导一、信息分子通讯方式及其作用特点信息分子通讯方式特点（一）局部化学介质信息C——信息分子——局部扩散到靶C→发挥作用（生物效应）如（NGF）“3快”1.分泌快2.作用快3.降介快（二）激素C长程通讯内分泌腺→激素→靶C“2正2负”1.浓底很低10-8mol2.作用距离远3.作用慢4.作用持久（三）神经介质神经突触C：效应C之间效应“2快1高”1.快于激素，它不径血液循环可直接作用靶C，速度以毫秒计算。2.在局部不被稀释而浓度高，如Ach在N-M接头处为5×10-4mol/L。3.灭活更快。（四）信息分子的分类及特性（参信息分子一般特点）11细胞通讯和信息传导二、受体受体——是细胞膜上或细胞内能识别生物活性分子（激素，神经递质，抗原细胞粘附分子、药物毒素等）并与之相结合的生物大分子。它们能将生物活性分子产生的信息传递致应器，从而引起相应的生物效应。其化学本质多为蛋白质，个别是糖脂。12细胞通讯和信息传导（一）受体的功能受体是（生物大）分子、化学本质是蛋白质或糖脂，在每个细胞数目悬殊很大，约为5×102～1×105，分布不平衡，有胞内，胞外，有集中，有分散。1.识别和结合功能受体对相应配体有特异识别和结合过程。2.传递信息功能受、配体结合后，能将二者相互作用产生的信息传递到第二信使或效应器上，如酶、离子通道等。

配体——能与受体特异性结合的生物活性分子，从生物学效应可以分为2类：1.与受体结合后产生效应者称为激动剂；2.不产生效应或阻碍激动剂与受体结合者称拮抗剂。13细胞通讯和信息传导（二）（配、受体结合的4个特点）受体性质：1.专一性取决于配受体之间高度亲和力和空间结构互补决定的。2.包和性因为受体数目是有限的。3.可逆性“配、受体一般以非共价键（H键、离子键、VDW力）结合，结合是可逆的，使之可接受调节。

4.配、受体结合后有强大的生物效应。14细胞通讯和信息传导附讲：受体应答偶联的复杂性，表现在：1.不同细胞对同一信息分子产生不同的反应，如：Ach可使骨骼肌收缩增强（+），促进某些腺体分泌（+）；但减弱心肌收缩（-）2.同一细胞含有不同的受体，对不同的信息分子，产生相同的效应。如：

导致糖原分解和游离葡萄糖入血高血糖素肾上腺素与肝细胞相应受体结合→→

3.信息分子与受体结合的偶联反应，有的作用快而短暂，有的作用慢而持久。15细胞通讯和信息传导如：N-M接头处，Ach释放导致肌肉收缩，几毫秒即可完成。β—C分泌胰岛素几分钟内促进糖原合成，血糖→脂肪从而↓血糖浓度生长激素促进骨骼发育及雌二醇使动物青春期第二性征的出现都是1个逐步成熟的过程。4.不同的信息分子有类似的作用和相同的受体：如：①雌二醇促进乳腺C生长

②甲状腺素促进肌肉软骨C生长

③生长激素径生长介素（somatomelin）间接促进骨骼和肌内生长

这些都类似生长因子的作用而：①胰岛素

②生长激素和

③表皮生长因子的受体都是酪氨酸蛋白激酶，后者与细胞的生长增殖及癌变发生有关16细胞通讯和信息传导（三）受体的分类1.传统法（按照配体的功能效应将R分为9类）类别举例1）神经递质R如AchR、r-氨基丁酸等2）激素R胰岛素、甲状腺素等3）摄取血浆蛋白和转运物质RLDLR4）细胞粘附R5）化学趋向性物质R高等生物中性多核白细胞的甲酰寡肽R等。6）直接参入免疫功能RT、BC的AgR、IgR、补体R7）药物R以药物名分类，如苯环利定R8）毒素R9）病原体R17细胞通讯和信息传导2.据受体在效应细胞上的部位分2类1）细胞内受体即DNA转录调节性R，位于胞浆和核内。2）膜受体据受体结构和信息传递机制又分3类：①G蛋白偶联R；②配体门控离子通道；③酪氨酸蛋白激酶性R

3.据受体结构和信号转导机制、分为4型：分型受体部位效应器作用方式效应时程代表受体I细胞膜离子通道直接作用毫秒n-Ach-RII细胞膜酶或离子通道通过G蛋白秒m-Ach-RIII细胞膜酪氨酸激酶直接作用分，小时胰岛素受体IV细胞核或胞浆转录基因通过DNA小时，天糖皮质激素受体（讲义P180表7-2，重点）18细胞通讯和信息传导（四）受体的结构与功能（现代分类I-IV基本特性）型名称举例在信息传递增中的作用膜受体I1.离子通道型2。配体门控离了通道型1,n-Ach受体2.GABA-A（r-氨基丁酸-A型受体）快速反应神经递质受体→配受体结合→受体变构→离子通道II1.G蛋白效应蛋白型受体2.G蛋白偶联型受体1.m-Ach受体2.激素激素和慢反应神经递质信息物质受体结合→受体变构→激活效应蛋白（酶或其它功能蛋白质）→酶催化生成一些小分子物质（第二信使）→后者入胞产生效应III1.酪氨酸蛋白激酶型受体1.胰岛素2.各种生长因子受体本身激酶活性→控制蛋白磷酸化→产生生物效应核受体IV1.DNA转录调节型受体2.转录因子型受体位于可溶性胞浆或核内，又称核受体受体激活直接影响DNA转录→效应时程需数天或更长开放或关闭引起或切断阳或阴离子流动传递信息19细胞通讯和信息传导第二节信息传递一、概述1.信息传递——如前所述，通过受体将外来信号刺激传至胞内，产生一系列信息分子和有规律的生化级联反应，最终对细胞和整个生物体的生理功能进行调控的过程，称（受体介导的）信息传递。2.信息分子——传递信息的媒介称为信息分子。3.信息传递的方式，可分为：1）直接传递——如局部化学介质，在邻近小群C之间传递信息；

间接传递——如激素细胞因子（第一信使）→膜R结合，活化，→偶联蛋白（G蛋白）或效应酶活化→级联反应→细胞功能性应答。第二信使活化胞内效应酶20细胞通讯和信息传导生物信号是怎样从胞外传至胞内的？即生物信息跨膜传递机制如何？这一直是细胞分子生学研究的热点与前沿课题，从胞外信号作用于膜受体到胞内信使物质的生成，便间味着胞外信号的跨膜传递的完成。4.第二使信——至少cAMP/cGMP、IP3、DG、PG、Ca2+及CaM等起到胞内信使作用。5.跨膜传递机制中还涉及到——（1）受体操纵的离子通道系统；（2）受体酪氨酸蛋白激酶的自身转导；（3）受体内部化的信息传导途径。21细胞通讯和信息传导6.信息分子分水溶信息分子和脂溶性信息分子；受体分膜受体和细胞内受体。

疏水性甾体激素是脂溶性较大的配体→可透过膜与胞浆中受体结合成复合物→跨过核膜与核内染色体结合→进而启动或抑制DNA转录翻译过程→诱导或抑制新的蛋白质生成→产生各种生理生化反应，这属配体跨膜基因表达的信息传递途径。（参图7-7核受体作用示意图，比较图7-8膜受体信息传递的一般模式）。22细胞通讯和信息传导二、信息传递中的信息分子及其调节信息传递的第一站是膜受体和胞内受体，这里不准备讨论受体本身的调节机制，主要介绍受体后的信息分子及其调节机制，包括膜上的G蛋白和效应酶胞内的激酶和磷酸酶以及一些小分子信使。（一）G蛋白与效应酶的调节G蛋白——全称为GTP结合蛋白或GTP结合调节蛋白它广泛存在于各种组织细胞膜上，是（G蛋白偶联）受体与效应酶（酶或离子通道）之间的中介物质，是一种酶，在反应过程中与GTP结合故称为G蛋白。受体活化后→引起GTP与（不同的）G蛋白结合使之活化→对效应酶产生抑制或活化作用→影响胞内信使产生→产生不同的调控效应。（1971年，由Rodbell等人发现）

G蛋白的种类较多，可以分成2大类，即：兴奋性G蛋白（GS）和抑制性G蛋白（Gi)。23细胞通讯和信息传导1.G蛋白的结构及其作用（1）结构G蛋白种类繁多，但在结构功能上都有相似之处，所有此类G蛋白都是膜蛋白，都由αβγ3个不同亚基组成，不同G蛋白α不同，βγ相同（似），互换不影响G蛋白功能。

α—MW39～46KD，含GTP、GDP受体3个结合位点，有GTPase活性，可水解GTP→GDP＋Pi，是决定G蛋白功能亚基。β35KDγ10KD常组成紧密二聚体，其主要功能是调节α亚基活性在某些细胞也直接参入效应酶的调节。24细胞通讯和信息传导(2)作用，可分为2个阶段，5个步骤（讲义P188）第一阶段；G蛋白变构①基础状态G蛋白是细胞膜上的一个独立三聚体,含α、β和γ亚基，其中α与GDP处于结合状态；

②激动剂激活受体，H+R→R变构形成R+G蛋白质复合物，二者相互作用，释放GDP，结合GTP；③G蛋白结合GTP后，构象改变，使α-GTP与βγ亚基分离，同时激素受体复合物分离。第二阶段：α-GTP调控效应酶功能，如④游离α-GTP激活腺苷酸环化酶催化ATP→cAMP。⑤α亚基有GTPase活性，水解GTP→GDP+pi，α亚基与效应蛋白解离，α、β、γ聚合恢复基础状态，受体介导的信号作用也告结束。25细胞通讯和信息传导

G蛋白均通过第二信使引起级联反应，产生生物效应。激动剂与受体结合后，通过G蛋白，才能将信号传递到效应系统。其作用特点是在一个细胞库可与不同受体和不同的效应器，产生不同特定功能。如：与G蛋白偶联的心肌细胞的m-Ach受体和β-肾上腺受体介导了两种相反作用，前者使心率↓后者反之，究其原因之一是与G蛋白多样性（尤是α亚基）有关。

26细胞通讯和信息传导目前已知G蛋白有（P189）：GS—兴奋性G蛋白，能激活腺苷酸环化酶（AC）使cAMP增加。Gi—抑制性G蛋白，能抑制腺苷酸环化酶（AC）使cAMP减少。Gplc—介导磷脂酶C（PLC）水解肌醇脂质，生成IP3和DG。Gpla—介导磷脂酶A2（PLA）促使肌醇脂质释放花生四烯酸合成前列腺素。Gt-r存在视网膜视锥细胞，偶联光受体（视紫红质与cGMP-PDE）Gt-c-存在视网膜杆细胞，功能同Gt-rGo-从鱼脑中取得，有传递神经冲动和调节神经元Ca++及K+通讯功能；它只能被百日咳毒素ADP-核糖化，即百日咳毒素可阻断Go参入的各种功能活动。GP-从血小板、胎盘及人脑细胞膜中分离所得，其α亚基分子为21~24KD，可被百日咳毒素所抑制，并参与磷脂酶的活化。与不同类型G蛋白偶联的受体参P189表7-4。不同的效应酶受不同的G蛋白调节。27细胞通讯和信息传导细菌毒素可选择性催化G蛋白ADP核糖基化反应，从而影响G蛋白的功能。28细胞通讯和信息传导①磷脂酶C催化PIP2磷脂酰肌醇4、5二磷酸→IP3+DGIP3与IP3受体结合，受体变构→Ca++通道开放→进而对细胞功能产生影响。

钙调节蛋白（CaM）——是Ca++的受体蛋白，每分子CaM可结合4个Ca2+，当Ca2+浓度低时，只有和Ca2+亲和力高的两个位点结合少量的Ca2+，当Ca2+浓度升高，4个位点均被Ca2+占据，此时CaM构象变化，就可激活CaM依赖的蛋白激酶（CaMK）→使CREB（CAMP反应元件结合蛋白）磷酸化→启动核内基因表达→诱发一系列反应。30细胞通讯和信息传导

②磷脂酶D

在Ca2+存在条件下，水解磷脂酰胆碱→磷脂酸，后者磷脂酸磷酸水解酶水解→DG与磷脂酶C催化生成的DG，二者都能活化PKC→引起相应生物效应。DG在相应酶作用下，可生成花生四烯酸（AA）发挥信息作用；或生成磷脂酸→肌酸磷脂代谢途径。

③磷脂酶A2（PLA2）水解甘油磷脂→溶血磷脂+脂肪酸3）磷酸二酯酶（PDE）主要参入第二信息cAMP、cGMP的分解。31细胞通讯和信息传导4）离子通道离子通道一般分电压依赖型和配体依赖型。后者由受体直接操纵离子通讯的开关，介导快速的信号传递，无需产生胞内其它的信息物质。典例就是肌肉的N-乙酰胆碱受体。

G蛋白对内向整流钾通道和钙通道研究较为完善。前者主要由GBr介导，后者有多种调节方式，可见相关专著。32细胞通讯和信息传导3.小GTP结合蛋白——ras超家族ras超家族是与G蛋白α亚基有同源性单体小分子蛋白，同样具有GTP结合位点和GTPase活化。ras蛋白活化受两种蛋白的调节

①GTPase活化蛋白它可激活ras蛋白内在GTPase，使GTP水解成GDP而使ras蛋白失活。②核苷酸交换蛋白加快GTP取代GDP速度，从而激活ras蛋白，正常的ras蛋白（P21）可能介导生长因子传递过程中起作用。癌基因编码的ras蛋白不受其他蛋白的调节，其活性是通过点突变获得的。33细胞通讯和信息传导（二）蛋白激酶与蛋白质磷酸化蛋白磷酸化是机体调节生物功能的重要方式之一。这种磷酸化通过两种酶的催化来实现：蛋白激酶使磷酸根到底物蛋白的特定氨基酸残基上，使底物蛋白磷酸化；而磷酸化蛋白磷酸酶则使磷酸根从残基上去除，去磷酸化。两者调节使蛋白磷酸化和去磷酸化成为机体中1种普遍存在调节机理。在跨膜信息传递机理中，蛋白磷酸化的作用尤其重要。根据蛋白磷酸化部位不同，可将蛋白激酶分为两类，一类对Ser或Thr残基专一，统称为Spk（丝氨酸蛋白激酶），是第二使息的主要靶蛋白；另一类对Tyr残基专一，称Tpk（酪氨酸蛋白激酶）近年发现，有的pk有双向专一性，可使Ser/Thr，也可以使Thr残基磷酸化。34细胞通讯和信息传导1、cAMP依赖的蛋白激酶受cAMP活化，简称PKA（蛋白激酶A）催化反应（P195图7-21）PKA在体内分布广泛，催化胞内许多酶磷酸化而介入体内细胞分泌和代谢功能。另外还有一种cGMP依赖的蛋白激酶（GPK）分子特性及催化性质与TPK相似。至于cAMP和cGMP在生理反应中表现的相互拮抗作用是否通过TPK和GPK来实现，目前还不清楚。2、Ca2+、磷脂依赖的蛋白激酶（PKC）PKC的分布广泛，其活化的胞外信号主要是通过磷脂酶系统传入胞内，DG是PKC的主要激动剂。35细胞通讯和信息传导3、Ca2+、钙调素依赖的蛋白激酶（cal-pk）Cal-pk是一群构功各异的酶，其共同特点是可被Ca2+、钙调素活化，且同pkA、GPK和PKC一样，能使ser和Thr残基磷酸化。钙调蛋白又叫钙调素（calmoduhin,cam）是结合钙离子的一种蛋白质，广泛分布于动植物细胞中。

（1）肌球蛋白轻链激酶（MLCK）MLCK能使MLC（肌球蛋白轻链）N端专一的ser磷酸化。（2）磷酸化酶激酶（Phk）是糖原代谢的关键酶。（3）其它cal-pk4、酪氨酸蛋白激酶（Tpk）

据Tpk基因类型不同可分类两类，一类为癌基产物，如P60src，另一类为生长因子受体，如EGF等的受体，Tpk使Tyr残基磷酸化，这种磷酸化作用对于细胞增殖和分化可能具有重要意义。36细胞通讯和信息传导（三）Ca2+与细胞功能的调节Ca2+是细胞功能调节最重要的阳离子。胞外Ca2+浓度高出细胞内1万倍，当细胞接受外来信号刺激后，胞内钙可达到1~10mol/L，（高出比值上限则亦越出了正常范围）。从而影响多种蛋白或酶的活性，实现对细胞功能的调节。37细胞通讯和信息传导（四）磷酸酶、磷酸二酯酶与信号传递的抑制以上是外来的一些刺激信号在胞内引起的反应，为避免这些反应产生的信号分子在胞内过多积聚对细胞产生不利影响，以使其完成使命后得以分解或转化，上述这2种酶则有此功能。

1.磷酸酶

此酶的基本功能是使被蛋白激酶催化磷酸化的蛋白质脱去磷酸，此类酶种类较多其作用底物有交叉现象，没有蛋白激酶那样高的底物选择性。

2.磷酸二酯酶主要参入第二信使cAMP和cGMP的分解。38细胞通讯和信息传导三、信号传递机制的生理意义上面我们讨论了信号传递机制中信号转导组成成分和途径，下面我们讨论信号传递机制的生理意义，各种细胞功能都应有其独特的信号传递机制。（一）血小板活化中的信号传递1.血小板（BPC）是血液中的一种有形成分，是一多功能细胞。它在生理止血及某些病理过程，如血栓形成、动脉粥样硬化、肿瘤转移和炎症反应过程中起着重要作用。BPC是一种非常敏感细胞，当它受到外源性或内源性激动剂刺激时，会发生粘附、变形、聚集和分泌等一系列变化。由于这些生理变化体内外进行十分相近，因而BPC是研究第二信息的系统和细胞与细胞相互作用的理想材料。39细胞通讯和信息传导2.BPC激活的生化途径BPC激活是相当于复杂的，它是由多种激活剂参入多种信息介入的过程。不同BPC激动剂引起BPC应答不同，但有一个共同点，即所有的生理性激动剂都和BPC膜上相应受体专一性结合，激活受体通过BPC膜上信息传递蛋白（G蛋白）→调控专一效应系统（例如磷脂酶C诱导的肌酸磷脂水解和离子通讯开放→效应系统调节胞内信息，如IP3、Ca2+和DG水平→这些胞内信息通过蛋白磷酸化，酶活化，蛋白结构改变→改变生理应答。