细胞生物学108-6-15-第五章：细胞通讯1-20.pptx

1、,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)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,1,通讯方式,细胞有三种通讯

2、方式(图 5-2):通过信号分子;通过相邻细胞表面分子的粘 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,5.1.2 信号分

3、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

4、-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 胰细胞,胰岛素,胰细胞,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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、)(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,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

11、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。,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

12、很多，在结构上都很相似都是一条多肽链，并且有 7 次螺 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:

13、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5-12

14、a,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

15、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

16、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

17、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,会激发葡萄糖向靶细胞的运输,并且,葡萄 糖运输的数量随受体结合胰岛素的数量增加而增加。, 信号分子与受体相互作用的复杂性,尽管细胞通过产生有限的受体来限制自己对众多的细胞信号分子作出反应，但 是信号分子仍能以相当复杂的方式来控制细胞的行为。这种复杂性分表现在两个方 面, 虽然一种信号只能同一种受体作用，但能作用于不同的靶细胞引起多种效 应如当心肌细胞暴露于神经递质乙酰胆碱时

18、，它降低了收缩的频率；但是当唾液 腺暴露于相同的信号分子时，却能分泌唾液(图5-14)。,图 5-14 相同的信号分子在不同的靶细胞中引起不同的应答 不同类型的细胞以不同的方式对神经递质乙酰胆碱作出应答。在(a)和(b)中,信号分子与相 同的受体蛋白结合,但由于细胞的功能不同,引起不同的反应；在(c)中乙酰胆碱作用于不同的受 体。,一个细胞表面有几十甚至上千种不同的受体同时与细胞外基质中的不同信号 分子起作用，这些信号分子共同作用的影响比任何单个信号所起的作用都强得多。 所以细胞必须对多种信号进行协调综合。由于不同信号分子间的不同组合，会使细 胞产生不同的综合性反应,有些信号组合起来可促进使细

19、胞分裂，有些则促使细胞死 亡。,13,亲和标记法分离表面受体,亲和标记(affinity labeling)常用是常用的分离细胞表面受体的方法, 其原 理是: 将细胞与超量标记的激素(配体)混合,以饱和所有特异受体的激素结合位点。 洗去多余的激素,然后加入能够与受体和配体结合的共价交联剂将激素与受体进行 共价交联(图 5-15)。,图 5-15 亲和标记胰岛素受体,大多数交联剂(cross-linking agent)含有两个可与蛋白质中自由氨基相互作 用的基团(图 5-16), 当表面受体与配体结合后,配体和受体上各自的自由氨基的距 离靠近到足以被小分子的交联剂结合时,受体和配体就会被交联在

20、一起。又由于与交 联剂共价结合的配体和受体能够耐受去垢剂和变性剂的处理,也就是说，在有去垢剂 和变性剂存在时,它们依然交联在一起,因而可用去垢剂和变性剂溶解细胞质膜,分 离膜蛋白通过电泳进行分析。,图 5-16 交联剂的分子结构及与受体和配体的共价交联,14,5.1.5 信号转导与第二信使,信号分子这把钥匙一旦打开了细胞表面的受体锁,细胞就要作出应答。由于细胞 自身就是一个社会,有各种不同的结构和功能体系,外来信号应由何种功能体系应答? 这就是所谓的信号转导的通路。,信号转导途径,信号转导途径有两个层次,第一是将外部信号转换成内部信号途径,即信号转导 途径。第二层次的含义是外部信号转换成内部信

21、号后从哪个途径引起应答。 两种信号转导途径:,一种是通过 G 蛋白偶联方式,即信号分子同表面受体结合后激活 G 蛋白,再由 G 蛋白激活效应物,效应物产生细胞内信号;第二种转导途径是结合的配体激活受体的 酶活性,然后由激活的酶去激活产生细胞内信号的效应物(图5-17)。,图 5-17 信号转导的两种途径,途径：结合的配体激活 G 蛋白,然后由 G 蛋白激活效应物产生信号;途径：结合配体激活 受体的酶活性,然后由激活的受体酶激活产生信号的效应物。, 细胞内生化反应途径:,当外部信号被转换成内部信号后,在细胞内的传递途径如何? 细胞内各种不同 的生化反应途径都是由一系列不同的蛋白和酶组成的,执行着

22、不同的生理生化功能。 各途径中上游蛋白对下游蛋白活性的调节(激活或抑制)主要是通过添加或去除磷酸,基团,从而改变下游蛋白的构型完成的(图5-18)。所以,构成生化反应途径的主要成,15,员是蛋白激酶和磷酸酶,它们能够引起细胞活性的快速变化又迅速恢复。,图 5-18 由蛋白激酶和蛋白质磷酸酶构成的信号转导途径, 细胞应答与信号级联放大, 细胞应答,细胞对外部信号的应答通常是综合性反应,包括基因表达的变化、酶活性的变 化、细胞骨架构型的变化、通透性的变化、DNA 合成的变化、细胞死亡程序的变化 等(图5-19)。这些变化并非都是由一种信号引起的，通常要几种信号结合起来才能 产生较复杂的反应，而且通

23、过信号的不同组合产生不同的反应。,图 5-19 多种细胞外信号引起动物细胞的应答,16,细胞在信号应答中的每一种最终表现都是受体接受了一套相关的细胞外信号并作出综合应 答的结果。图中所示只是推测的简化模式。,信号级联放大(signaling cascade),从细胞表面受体接收外部信号到最后作出综合性应答,不仅是一个信号转导过 程,更重要的是将信号进行逐步放大的过程(图 5-20)。,图 5-20 细胞内的信号级联放大作用 细胞表面受体蛋白将细胞外信号转变为细胞内信号,经信号级联放大、分散和调节产生综合 性的细胞应答。,第二信使(second messengers), 由细胞表面受体接受信号后

24、转换而来的细胞内信号称为第二信使(图5-21)。,图 5-21 第二信使的产生及作用,17, 细胞内有五种最重要的第二信使:cAMP、cGMP、1,2-二酰甘油,(diacylglycerol,DAG) 、 1,4,5- 三 磷 酸 肌 醇 (inosositol,1,4,5-trisphosphate,IP )、Ca2+ 等(图 5-22)。,3,图 5-22 细胞内五种第二信使的结构,5.2 G 蛋白偶联受体及信号转导,细胞质膜上最多,也是最重要的信号转导系统是由G-蛋白介导的信号转导。这种 信号转导系统有两个重要的特点:系统由三个部分组成:7 次跨膜的受体、G 蛋白和 效应物(酶); 产

25、生第二信使。,5.2.1 G 蛋白的结构与功能,G 蛋白,即GTP 结合蛋白(GTP binding protein),参与细胞的多种生命活动,如细 胞通讯、核糖体与内质网的结合、小泡运输、微管组装、蛋白质合成等。, 异源三体G 蛋白(heterotrimeric G protein)的结构组成,G 蛋白偶联系统中的G 蛋白是由三个不同亚基组成的异源三体,三个亚基分别是 、, 总相对分子质量在 100kDa 左右。G 蛋白有多种调节功能, 包括 Gs 和 Gi 对腺苷酸环化酶的激活和抑制、对cGMP 磷酸二酯酶的活性调节、对磷酯酶C 的,2+,调节、对细胞内Ca 浓度的调节等， 此外还参与门控离子通道的调节(表5-2)。,18,表 5-2,某些 G 蛋白的功能,效应物,G 蛋白 Gs,作用,腺苷酸环化酶,激活酶活性 抑制酶活性 打开离子通道 激活酶活性 激活酶活性,Gi,+,K 离子通道,Gi,磷脂酶 C,Gp,cGMP 磷酸二脂酶,Gt,G 蛋白循环(G protein cycle),在 G