細胞生物學-5信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

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inPlantCell四川師范大學陶宗婭

生物體的生長發(fā)育主要受遺傳信息及環(huán)境信息的調(diào)節(jié)控制。環(huán)境信息包括生物體的外界環(huán)境和體內(nèi)環(huán)境信息兩個方面。

細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)研究

“細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)”研究的主要內(nèi)容就是細胞感受、轉(zhuǎn)導(dǎo)環(huán)境刺激的分子途徑及其在生物個體發(fā)育過程中如何調(diào)節(jié)基因表達和代謝生理反應(yīng)。

信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的概念已深入生物學的各個領(lǐng)域，成為解決許多重要理論和實踐問題的基本思路和思想武器。90年代以來，以信號轉(zhuǎn)導(dǎo)為研究內(nèi)容而獲得諾貝爾生理學/醫(yī)學獎的有三項：

1離子單通道研究（1991，E.Nelzer和B.Sokmann）

2糖原代謝中蛋白質(zhì)的可逆磷酸化

（1992,Krebs和Fisher）

3G蛋白（1994,Gilman和Rodbell）

信息論認為：信息相當于“消息”、“情報”等，總是與“不確定性”的消除聯(lián)系在一起。信號是信息的物質(zhì)體現(xiàn)形式及物理過程。5.1信號的概念及類型概念：

植株不同部位可能感受到的外部信號來源多樣根據(jù)信號的性質(zhì)：結(jié)構(gòu)信號物理信號化學信號根據(jù)信號存在的部位：胞間信號胞內(nèi)信號類型：胞外刺激信號傳遞

膜上信號轉(zhuǎn)換

胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)換（包括信號傳遞和蛋白質(zhì)可逆磷酸化）

信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子途徑生物大分子的結(jié)構(gòu)信號：這種信號包含在一級結(jié)構(gòu)順序中，一級結(jié)構(gòu)決定具有三維空間構(gòu)象的高級結(jié)構(gòu)。

5.1.2信號類型1.氨基酸序列決定蛋白質(zhì)的形狀和構(gòu)象；2.具有三級結(jié)構(gòu)的亞基自組裝形成超分子結(jié)構(gòu)，亞基必然含有一個或多個識別和結(jié)合位點，即組裝的信息主要存在于蛋白質(zhì)自身結(jié)構(gòu)中；（一）蛋白質(zhì)：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)信號在分子識別、酶的催化作用中起重要作用。（二）多糖和糖蛋白、糖脂類：細胞表面的糖被在細胞識別中起作用。細胞相互識別的典型例子

——“接觸抑制”正常細胞組織培養(yǎng)時，如生長在固體表面（如玻璃）的細胞開始可以自由分裂，增長，當長成單細胞層相互接觸后，細胞分裂即受到抑制。

這種抑制的信號來自接觸后細胞之間的傳遞。

癌細胞增殖時失去接觸抑制，因而生長堆積成數(shù)層細胞。（三）核酸：核酸的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯等過程不僅包含簡單的分子識別（如堿基配對），還包括完整的遺傳信息流。二.化學信號（一）胞間信號（第一信使）

動物體內(nèi)最主要的有內(nèi)分泌激素、神經(jīng)遞質(zhì)與神經(jīng)肽、局部化學介導(dǎo)因子（如神經(jīng)生長因子等）、免疫系統(tǒng)中的抗體和淋巴因子等。

植物體內(nèi)主要有天然植物激素、植物生長調(diào)節(jié)劑及Ca離子等。（二）胞內(nèi)信號（第二信使）

動物體內(nèi)：公認的胞內(nèi)信使有cAMP、cGMP、Ca2+、IP3(肌醇三磷酸)、DG(甘油二脂)等；也有人認為花生四烯酸等也是細胞內(nèi)通訊的化學信號分子。

植物體內(nèi)：除有cGMP、Ca2+、IP3、DG外，H+、脫落酸（ABA）、乙酰膽堿、乙烯等也具有第二信使作用。三.物理信號：狹義的細胞信號指物理化學信號。電場、磁場、光、聲、輻射等物理因素是可以影響生物生長發(fā)育的重要外界環(huán)境因子。

其中電信號是生物體內(nèi)最重要的物理信號，它主要是指細胞靜息電位改變時所引起的動作電位的定向傳播，在外界刺激——細胞反應(yīng)偶聯(lián)中起重要作用。

當用一個微電極插入一個未受刺激的細胞內(nèi)時，可以記錄到細胞內(nèi)外有一電位差，稱為靜息電位，一般為內(nèi)負外正，即正常細胞一般都處于極化狀態(tài)。

當給予一個刺激時，只要能引起靜息電位發(fā)生一定程度的去極化，即膜電位降低到一個臨界水平，就會產(chǎn)生一次瞬息即逝的內(nèi)正外負的電位變化，稱為動作電位。

也就是說：細胞膜內(nèi)外靜息電位與動作電位的產(chǎn)生是由于細胞內(nèi)外離子濃度差所造成。5.2信號的跨膜轉(zhuǎn)換5.2.1受體：受體是細胞表面或亞細胞組分中的一種天然分子。具有兩方面的功能：

一是識別自己特異的信號物質(zhì)——配體（多數(shù)是胞外信使），識別的表現(xiàn)在于兩者結(jié)合。配體的唯一的功能就是通知細胞在環(huán)境中存在一種特殊信號或刺激因素；

二是把識別和接受的信號準確無誤的放大并傳遞到細胞內(nèi)部，啟動一系列胞內(nèi)生化反應(yīng)，最后導(dǎo)致特定的細胞反應(yīng)。

質(zhì)膜表面的受體種類有三種：（1）G蛋白偶聯(lián)受體（后面講）（2）離子通道型受體：其共同特點是本身有信號接受部位，又有離子通道，跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)無中間步驟，反應(yīng)快。（3）酶聯(lián)受體（即具有酶活性的受體）特點：受體本身是一種具有跨膜結(jié)構(gòu)的酶蛋白，其胞外域與配體結(jié)合而被激活，通過胞內(nèi)側(cè)激酶反應(yīng)將胞外信號傳至胞內(nèi)。連接此兩部分的跨膜結(jié)構(gòu)區(qū)。這一結(jié)構(gòu)即具有受體功能，又具有將胞外信號直接轉(zhuǎn)化成胞內(nèi)效應(yīng)的能力。質(zhì)膜上三類受體示意圖

對植物細胞的受體研究較多的是光受體和激素受體。植物細胞內(nèi)有三類光受體：1.對紅光和遠紅光敏感的光敏色素(phytochrome)2.對藍光和紫外光A敏感的隱花色素(cryptochrome)；3.對紫外光B敏感的紫外光B區(qū)光受體。

有關(guān)植物激素受體的研究也取得了重要進展，利用擬南芥突變體已鑒定、克隆了乙烯受體及其調(diào)控因子。人們根據(jù)雙子葉植物黃化幼苗對乙烯的特殊反應(yīng)即三重反應(yīng)（抑制伸長生長、促進橫向生長和偏上生長）篩選了擬南芥的不同突變體:(1)對乙烯幾乎完全不敏感的突變體etr;(2)對乙烯不敏感的突變體ein和eti；(3)對乙烯持續(xù)表現(xiàn)三重反應(yīng)的突變體ctr不同溶度的乙烯對豌豆幼苗的“三重反應(yīng)”

細胞膜上信號轉(zhuǎn)換和細胞內(nèi)信號傳遞狹義的G蛋白概念：指與膜受體偶聯(lián)的異三聚體G蛋白。5.2.2G蛋白與跨膜信號轉(zhuǎn)換：

廣義的G蛋白概念：指所有能夠與GTP結(jié)合的蛋白質(zhì)，都具有GTP酶的活性，即水解GTP生成GDP。其中，有些與信號傳遞無直接關(guān)系。把所有這些

GTP結(jié)合蛋白都歸屬于“G蛋白超家族”。根據(jù)G蛋白含有的亞基數(shù)量，分為：大G蛋白，即異三聚體G蛋白：提純的各種G蛋白分子量約為100kD，在SDS（十二烷基磺酸鈉）電泳中可以看出它由α、β、γ三種亞基組成，其中β和γ亞基呈穩(wěn)定的復(fù)合狀態(tài)。

α亞基的Mr在39-46kD之間，不同的G蛋白α亞基的大小不同。

α亞基的共同特點是有一個GTP結(jié)合位點，本身具有GTP酶的活性，即可以將GTP水解成GDP和Pi。小G蛋白：

含有1個亞基的單體蛋白，其結(jié)構(gòu)和功能類似大G蛋白的α亞基。小G蛋白分為ras、rho和rab/ypt三類。小D蛋白參與細胞生長分化等多種代謝的調(diào)節(jié)。

異三聚體G蛋白在結(jié)構(gòu)上沒有跨膜蛋白的特點，主要是通過對其亞基上氨基酸殘基的脂化修飾作用，即可把G蛋白錨定在細胞膜內(nèi)側(cè)。異三聚體G蛋白的調(diào)節(jié)作用模型

總之，上述模型中，G蛋白穿梭于膜上兩個蛋白質(zhì)之間——受體與cAMP環(huán)化酶之間，起一個信號傳遞者的作用，而G蛋白的α亞基上結(jié)合GTP-GDP循環(huán)在激活-滅活環(huán)化酶中起了關(guān)鍵作用。

霍亂的癥狀是嚴重腹瀉，患者脫水死亡。霍亂毒素（choleratoxin）是由霍亂桿菌產(chǎn)生的兩種肽組成。其中一種是ADP-核糖轉(zhuǎn)移酶，它可以穿過細胞表面進入細胞質(zhì)，催化胞內(nèi)NAD+的ADP核糖基共價結(jié)合到G蛋白的α亞基的修飾位點上；

這種α亞基不可逆修飾，使它可與GTP結(jié)合，但喪失了GTP酶活性，GTP不能水解為GDP，因此活化的α亞基始終結(jié)合在環(huán)化酶上，使其長久活化，細胞質(zhì)中cAMP增加了100倍以上，導(dǎo)致膜蛋白讓大量水分進入腸腔，造成嚴重腹瀉。

以上事實的闡明不僅弄清了霍亂疾病的機制，也為G蛋白作用模型提供了證據(jù)。

cAMP:植物細胞中的cAMP是否普遍存在以及是否也具有象動物細胞類似的第二信使作用，尚無定論。

cGMP:作為第二信使在植物細胞中的作用取得一定進展.5.3胞內(nèi)信號和第二信使系統(tǒng)5.3.1環(huán)核苷酸信使系統(tǒng)（一）Ca2+具有多種細胞學效應(yīng)：

（1）促進細胞粘合和胞間通訊；

（2）影響酶活性，如ATP酶；

（3）調(diào)節(jié)細胞膜透性；

（4）調(diào)節(jié)細胞分裂；

（5）控制細胞代謝活動；

（6）調(diào)節(jié)細胞質(zhì)相變；

（7）高濃度Ca2+可能造成細胞死亡。5.3.2Ca2+信號系統(tǒng)（二）細胞內(nèi)Ca2+的分布呈現(xiàn)區(qū)域化：1.Ca2+以結(jié)合態(tài)和自由態(tài)形式存在；2.胞壁[Ca2+]較高，10-5-10-4mol/L，稱為胞外鈣庫；胞質(zhì)[Ca2+]較低，10-8-10-7mol/L，如果胞質(zhì)Ca2+濃度過高，可能使PO4-

沉淀；3.鈣庫與胞質(zhì)之間依靠鈣轉(zhuǎn)移系統(tǒng)維持濃度差，概括如下：通過ER的鈣通道具有持久、大容量的調(diào)節(jié)作用將Ca2+轉(zhuǎn)入線粒體：依靠運送器（一種膜蛋白）從線粒體釋放Ca2+：依靠運送器，以Na+-Ca2+交換形式進行線粒體Ca2+轉(zhuǎn)移系統(tǒng)（三）Ca2+信使受體（或稱為靶分子）：

鈣結(jié)合蛋白——指所有能夠與Ca2+結(jié)合的蛋白質(zhì)，其中鈣調(diào)素（CaM）在細胞中分布最廣，功能多樣，研究最為深入；CaM主要通過結(jié)合Ca2+而活化。另外，Ca2+調(diào)節(jié)蛋白也是Ca2+受體之一。

最大的特點是：雙信使系統(tǒng)。即胞外配體被膜上受體接受后，同時產(chǎn)生2個胞內(nèi)信使，分別啟動2個信號傳遞途徑：5.3.3磷酯酰肌醇信號系統(tǒng)磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸

PIP2磷脂酶C肌醇三磷酸IP3+二酰甘油DG（PLC）途徑一：

PI3引起細胞ER釋放Ca2+，使得胞質(zhì)[Ca2+]增加，再進一步產(chǎn)生生理反應(yīng)，叫做IP3/Ca2+途徑；途徑二：DG可提高蛋白激酶（PKC）與Ca2+、磷脂的親和力，使PKC被激活，激活的PKC對靶酶、靶蛋白磷酸化，再引起生理反應(yīng)，叫做DG/PKC途徑。

該兩條途徑相輔相成，互相制約，兩條通路信號的強弱又可根據(jù)原始信號的不同特征在細胞內(nèi)加以調(diào)節(jié)，而使細胞對這些外界信號做出不同的反應(yīng)。5.4蛋白質(zhì)的可逆磷酸化：

美國科學家E.Fischer和E.Krebs在50年代的研究工作，首次闡明了蛋白質(zhì)磷酸化、脫磷酸化作用在糖代謝中的重要調(diào)節(jié)作用，獲得了1992年諾貝爾醫(yī)學生理學獎。磷酸化的概念：把磷酸基團通過酶促反應(yīng)轉(zhuǎn)移到其他化合物的過程，如NAD轉(zhuǎn)化成NDAP。

蛋白質(zhì)的磷酸化是指：由蛋白激酶催化的把ATP或GTP中γ位的磷酸基轉(zhuǎn)移到底物蛋白質(zhì)殘基上的過程，其逆過程是由蛋白磷酸酶催化，稱為蛋白質(zhì)的脫磷酸化。

蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)-n-Pi蛋白激酶nNTPnNDP

nPiH2O蛋白磷酸酶

蛋白磷酸化是一種共價調(diào)節(jié)或共價修飾。這種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)方式體現(xiàn)在：通過控制信號傳遞途徑中的酶或蛋白質(zhì)的活性，使細胞內(nèi)部的生理過程對外界的信號產(chǎn)生響應(yīng)。具有幾個特點：（1）專一應(yīng)答；（2）對外界信號具有級聯(lián)放大作用；（3）幾乎涉及所有的生理過程；（4）可以控制細胞內(nèi)已存在酶的“活性”總量。血糖濃度調(diào)節(jié)過程中的共價修飾與級聯(lián)放大當信息分子與受體結(jié)合后：酶1（受體偶聯(lián)酶）被激活；酶1激活酶2；酶2激活酶3，……于是引起級聯(lián)放大的瀑布效應(yīng)。信號分子酶1酶2酶2酶2酶3中樞神經(jīng)與激素調(diào)節(jié)結(jié)合5.4.1蛋白激酶共同特點是：相對底物專一性；自身磷酸化作用。主要有2種：1.鈣依賴型蛋白激酶（CDPK）：結(jié)構(gòu)特征：

N端——催化域（活性域）

C端——類似CaM的結(jié)構(gòu)域

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