細胞通訊和細胞信號轉導

細胞通訊和細胞信號轉導的分子機制MolecularMechanismofCellCommunicationandSignalTransduction1.什么是細胞通訊細胞通訊(cellcommunication)

是指在多細胞生物的細胞社會中,細胞間或細胞內(nèi)通過高度精確和高效地發(fā)送與接收信息的通訊機制,并通過放大引起快速的細胞生理反應，或者引起基因活動,爾后發(fā)生一系列的細胞生理活動來協(xié)調(diào)各組織活動,使之成為生命的統(tǒng)一整體對多變的外界環(huán)境做出綜合反應。2.細胞通訊的方式與反應細胞有三種通訊方式：①通過信號分子②通過相鄰細胞間表面分子的粘著或連接③通過細胞與細胞外基質(zhì)的粘著3.信號傳導與信號轉導信號傳導（cellsignaling）：強調(diào)信號的產(chǎn)生、分泌與傳送,即信號分子從合成的細胞中釋放出來,然后進行傳遞。信號轉導（celltransduction）：強調(diào)信號的接收與接收后信號轉換的方式(途徑)和結果,包括配體與受體結合、第二信使的產(chǎn)生及其后的級聯(lián)反應等,即信號的識別、轉移與轉換。4.細胞信號的主要類型有三種類型的信號分子：激素（hormone)局部介質(zhì)（localmediators）神經(jīng)遞質(zhì)（neurotransmitters）表1.某些激素的性質(zhì)與功能名稱合成部位化學特性主要作用腎上腺素腎上腺酪氨酸衍生物提高血壓、心率、增強代謝皮質(zhì)醇腎上腺類固醇在大多數(shù)組織中影響蛋白、糖、脂肪的代謝雌二醇卵巢類固醇誘導和保持雌性副性征胰高血糖素胰α細胞肽在肝、脂肪細胞刺激葡萄糖合成、糖原斷裂、脂斷裂胰島素胰β細胞蛋白質(zhì)刺激肝細胞等葡萄糖吸收、蛋白質(zhì)及脂的合成睪酮睪丸類固醇誘導和保持雄性副性征甲狀腺素甲狀腺酪氨酸衍生物刺激多種類型細胞的代謝5.受體與信號的接受

信號分子識別并結合的受體通常位于細胞質(zhì)或細胞內(nèi)，所以有兩類受體：細胞表面受體細胞內(nèi)受體

細胞表面受體

細胞內(nèi)受體細胞內(nèi)受體結構示意圖6.信號轉導與第二信使

兩種信號轉導途徑

G蛋白偶聯(lián)方式結合配體激活受體的酶活性

細胞應答與信號級聯(lián)放大1.細胞應答細胞對外部信號的應答通常是綜合性反應，包括基因表達的變化、酶活性的變化、細胞骨架構型的變化、通透性的變化、DNA合成的變化、細胞死亡程序的變化等。這些變化并非都是由一種信號引起的，通常要幾種信號結合起來才能產(chǎn)生較復雜的反應，而且通過信號的不同組合產(chǎn)生不同的反應。多種細胞外信號引起動物細胞的應答2.信號級聯(lián)放大

從細胞表面受體接收外部信號到最后作出綜合性應答是一個將信號逐步放大的過程，稱為信號的級聯(lián)放大反應。組成級聯(lián)反應的各個成員稱為一個級聯(lián)(cascade),主要是由磷酸化和去磷酸化的酶組成。信號的級聯(lián)放大作用對細胞來說至少有兩個優(yōu)越性:第一,同一級聯(lián)中所有具有催化活性的酶受同一分子調(diào)控,第二:通過級聯(lián)放大作用,使引起同一級聯(lián)反應的信號得到最大限度的放大。

第二信使（secondmessenger）

細胞表面受體接受細胞外信號后轉換而來的細胞內(nèi)信號稱為第二信使,而將細胞外的信號稱為第一信使(firstmessengers)。第二信使的產(chǎn)生及作用

第二信使至少有兩個基本特性:①是第一信使同其膜受體結合后最早在細胞膜內(nèi)側或胞漿中出現(xiàn)、僅在細胞內(nèi)部起作用的信號分子；②能啟動或調(diào)節(jié)細胞內(nèi)稍晚出現(xiàn)的反應信號應答。

第二信使都是小的分子或離子。細胞內(nèi)有五種最重要的第二信使:cAMP、cGMP、1,2-二酰甘油(diacylglycerol,DAG)、1,4,5-三磷酸肌醇(inosositol1,4,5-trisphosphate,IP3)、Ca2+

等。細胞內(nèi)5種第二信使的結構

第二信使（secondmessenger）3',5'-環(huán)腺苷酸3,5-環(huán)-磷酸烏苷7.G蛋白偶聯(lián)受體及信號轉導

細胞質(zhì)膜上最多，也是最重要的信號轉導系統(tǒng)是由G-蛋白介導的信號轉導。這種信號轉導系統(tǒng)有兩個重要的特點:①系統(tǒng)由三個部分組成:7次跨膜的受體、G蛋白和效應物(酶);②產(chǎn)生第二信使。

G蛋白，即GTP結合蛋白(GTPbindingprotein)，又叫鳥苷酸結合調(diào)節(jié)蛋白，參與細胞的多種生命活動,如細胞通訊、核糖體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的結合、小泡運輸、微管組裝、蛋白質(zhì)合成等。從組成上看,有單體G蛋白(一條多肽鏈)和多亞基G蛋白(多條多肽鏈組成)。G蛋白偶聯(lián)系統(tǒng)中的G蛋白是由三個不同亞基組成的異源三體,三個亞基分別是α、β、γ,總相對分子質(zhì)量在100kDa左右,β亞基為36kDa左右,γ亞基為8-11kDa左右。β、γ兩亞基通常緊密結合在一起,只有在蛋白變性時才分開,鳥苷結合位點位于α亞基上。此外,α亞基還具有GTPase的活性結構域和ADP核糖化位點。G蛋白屬外周蛋白,它們在膜的細胞質(zhì)面通過脂肪酸鏈錨定在質(zhì)膜上。G蛋白是一個大家族,目前研究得較多的是Gs(轉導激素對腺苷酸環(huán)化酶的活化過程)、Gi(轉導激素對腺苷酸環(huán)化酶的抑制作用),另外還有其他的一些三體G蛋白。G蛋白有多種調(diào)節(jié)功能,包括Gs和Gi對腺苷酸環(huán)化酶的激活和抑制、對cGMP磷酸二酯酶的活性調(diào)節(jié)、對磷脂酶C的調(diào)節(jié)、對細胞內(nèi)Ca2+濃度的調(diào)節(jié)等。另外還參與門控離子通道的調(diào)節(jié)。效應物G蛋白作用腺苷酸環(huán)化酶Gs激活酶活性Gi抑制酶活性K+離子通道Gi打開離子通道磷脂酶CGp激活酶活性cGMP磷酸二脂酶Gt激活酶活性表2某些G蛋白的功能

G蛋白循環(huán)（Gproteincycle）

在G蛋白偶聯(lián)信號轉導系統(tǒng)中，G蛋白能夠以兩種不同的狀態(tài)結合在細胞質(zhì)膜上。一種是靜息狀態(tài)，即三體狀態(tài);另一種是活性狀態(tài)，G蛋白由非活性狀態(tài)轉變成活性狀態(tài)，爾后又恢復到非活性狀態(tài)的過程稱為G蛋白循環(huán)(Gproteincycle)。G蛋白的這種活性轉變與三種蛋白相關聯(lián):GTPase激活蛋白(GTPase-activatingprotein，GAPs)

鳥苷交換因子(guaninenucleotide-exchangefactors，GEFs)

鳥苷解離抑制蛋白(guaninenucleotide-dissociationinhibitors，GDIs)

G蛋白的信號轉導作用

在G蛋白偶聯(lián)受體的信號轉導中G蛋白起重要作用，它能夠將受體接受的信號傳遞給效應物，產(chǎn)生第二信使，進行信號轉導，某些G蛋白可直接控制離子通道的通透性。一個典型的例子是通過神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿調(diào)節(jié)心肌收縮。G蛋白偶聯(lián)受體能夠激活心肌質(zhì)膜的K+離子通道打開PKA系統(tǒng)的信號轉導PKA系統(tǒng)（proteinkinaseAsystem，PKA）是G蛋白偶聯(lián)系統(tǒng)的一種信號轉導途徑。信號分子作用于膜受體后，通過G蛋白激活腺苷酸環(huán)化酶,產(chǎn)生第二信使cAMP后,激活蛋白激酶A進行信號的放大。故將此途徑稱為PKA信號轉導系統(tǒng)。如胰高血糖素和腎上腺素都是很小的水溶性的胺,它們在結構上沒有相同之處,并作用于不同的膜受體,但都能通過G蛋白激活腺苷酸環(huán)化酶,最后通過蛋白激酶A進行信號放大。PKA系統(tǒng)G蛋白偶聯(lián)系統(tǒng)由三部分組成:表面受體、G蛋白和效應物,由于這三種復合物都是結合在膜上,故此將它們稱為膜結合機器(membrane-boundmachinery)。配體受體效應物生理效應腎上腺素β-腎上腺受體腺苷酸環(huán)化酶糖原水解血管緊張素血管緊張素受體腺苷酸環(huán)化酶行為敏感好學光視紫紅質(zhì)cGMP磷酸二酯酶視覺興奮IgE抗原復合物肥大細胞Ig-受體磷脂酶C分泌f-Met肽趨化受體磷脂酶C趨化性乙酰膽堿毒蠅堿受體K+通道降低起搏活性表3.異質(zhì)G蛋白介導的生理效應

第二信使：cAMP

腺苷酸環(huán)化酶是膜整合蛋白,它的氨基端和羧基端都朝向細胞質(zhì)。AC在膜的細胞質(zhì)面有兩個催化結構域,還有兩個膜整合區(qū),每個膜整合區(qū)分別有6個跨膜的α螺旋。哺乳動物中已發(fā)現(xiàn)6個腺苷酸環(huán)化酶異構體。由于AC能夠將ATP轉變成cAMP,引起細胞的信號應答,故此,AC是G蛋白偶聯(lián)系統(tǒng)中的效應物。腺苷酸環(huán)化酶催化ATP生成cAMP

很多不同類型的細胞都是通過cAMP濃度的變化引起細胞的應答(表5-4)，在無脊椎動物中cAMP也可作為第二信使起作用。組織激素應答肝腎上腺素和胰高血糖素糖原水解，葡萄糖合成，糖原合成的抑制骨骼肌腎上腺素糖原分解，糖原合成的抑制心肌腎上腺素加速收縮脂肪腎上腺素，ACTH，胰高血糖素三酰甘油降解腎加壓素（ADH）提高表皮細胞對水的通透性甲狀腺血清促甲狀腺素（TSH）甲狀腺激素分泌腎上腺腎上腺皮質(zhì)激素（ACTH）增強糖皮質(zhì)激素的分泌骨甲狀旁腺素甲狀旁腺素卵巢黃體生成素（LH）增強膽固醇激素的分泌表4.某些通過cAMP介導的激素應答實例

蛋白激酶A與底物磷酸化

蛋白激酶A(proteinkinaseA，PKA)：又稱依賴于cAMP的蛋白激酶A(cyclic-AMPdependentproteinkinaseA)，是一種結構最簡單、生化特性最清楚的蛋白激酶。

PKA全酶分子是由四個亞基組成的四聚體,其中兩個是調(diào)節(jié)亞基(regulatorysubunit,簡稱R亞基)，另兩個是催化亞基(catalyticsubunit,簡稱C亞基)。R亞基的相對分子質(zhì)量為49～55kDa,C亞基的相對分子質(zhì)量為40kDa,總相對分子質(zhì)量約為180kDa；全酶沒有活性。在大多數(shù)哺乳類細胞中,至少有兩類蛋白激酶A,一類存在于胞質(zhì)溶膠,另一類結合在質(zhì)膜、核膜和微管上。

激酶是激發(fā)底物磷酸化的酶,所以蛋白激酶A的功能是將ATP上的磷酸基團轉移到特定蛋白質(zhì)的絲氨酸或蘇氨酸殘基上進行磷酸化,被蛋白激酶磷酸化了的蛋白質(zhì)可以調(diào)節(jié)靶蛋白的活性。一般認為,真核細胞內(nèi)幾乎所有的cAMP的作用都是通過活化PKA,從而使其底物蛋白發(fā)生磷酸化而實現(xiàn)的。cAMP與PKA的調(diào)節(jié)亞基結合，使PKA的調(diào)節(jié)亞基與催化亞基分開，被激活的催化亞基可使底物磷酸化。cAMP激活蛋白激酶A

蛋白激酶A的細胞質(zhì)功能和細胞核功能cAMP與蛋白激酶對細胞活性的影響PKA既可直接修飾細胞質(zhì)中的底物蛋白，使之磷酸化后立即起作用，也可以進入細胞核作用于基因表達的調(diào)控蛋白,啟動基因的表達。蛋白激酶A的細胞質(zhì)功能:

糖原分解：在脊椎動物中,糖原的分解受一些激素的控制,如腎上腺素和胰高血糖素中的任何一種激素同細胞膜受體結合,都會激活磷酸化酶,使糖原分解成1-磷酸葡萄糖,然后進一步分解為6-磷酸葡萄糖、葡萄糖后進入血液。蛋白激酶A的細胞核功能:

調(diào)節(jié)基因表達：被cAMP激活的PKA,大多數(shù)在胞質(zhì)溶膠中激活一些細胞質(zhì)靶蛋白,也有少數(shù)被激活的PKA可以轉移到細胞核中磷酸化某些重要的核蛋白,其中多數(shù)是被稱為CREB(cAMPresponseelementbinding,cAMP效應元件結合因子)的轉錄因子。

cAMP信號終止1.通過cAMP磷酸二酯酶(cAMPphosphodiesterase,PDE)將cAMP的環(huán)破壞,形成5＇-AMP。2.通過抑制型的信號作用于Ri,然后通過Gi起作用。Gi蛋白被激活后，GTP同Gi蛋白的α亞基結合，Gi的α亞基與Giβγ復合物分離，并在細胞膜的胞質(zhì)面進行擴散；當Gi的α亞基與腺苷酸環(huán)化酶結合后則抑制其活性；而Giβγ復合物則可同激活型的Gsα作用，阻止它去激活腺苷酸環(huán)化酶。cAMP磷酸二酯酶催化cAMP生成5‘-AMPPKC系統(tǒng)的信號轉導

由于該系統(tǒng)中的第二信使是磷脂肌醇,故此這一系統(tǒng)又稱為磷脂肌醇信號途徑(phosphatidylinositolsignalpathway)。

在這一信號轉導途徑中,膜受體與其相應的第一信使分子結合后，激活膜上的Gq蛋白(一種G蛋白),然后由Gq蛋白激活磷酸脂酶Cβ(phospholipaseCβ,PLC),將膜上的脂酰肌醇4,5-二磷酸(phosphatidylinositolbiphosphate,PIP2)分解為兩個細胞內(nèi)的第二信使：二酰甘油(diacylglycerol,DAG)和1,4,5-三磷酸肌醇(IP3)。IP3動員細胞內(nèi)鈣庫釋放Ca2+到細胞質(zhì)中與鈣調(diào)蛋白結合，隨后參與一系列的反應；而DAG在Ca2+的協(xié)同下激活蛋白激酶C，然后通過蛋白激酶C引起級聯(lián)反應，進行細胞的應答,故此將該系統(tǒng)稱為PKC系統(tǒng),或稱為IP3、DAG、Ca2+信號通路。

系統(tǒng)組成與信號分子

系統(tǒng)組成：由三個成員組成:受體、G蛋白和效應物。Gq蛋白也是異源三體,其α亞基上具有GTP/GDP結合位點,作用方式與cAMP系統(tǒng)中的G蛋白完全相同。該系統(tǒng)的效應物是磷酸肌醇特異的磷脂酶C-β(phosphatidylinositol-specificphospholipaseC-β,PI-PLCβ),此處的β表示一種異構體。

信號分子：與該系統(tǒng)受體結合的信號分子有各種激素、神經(jīng)遞質(zhì)和一些局部介質(zhì)。信號分子靶細胞反應腎上腺素肝細胞（α1受體）糖原裂解加壓素肝細胞糖原裂解PDGF成纖維細胞細胞增殖乙酰膽堿平滑?。ǘ鞠墘A性受體）收縮凝血酶血小板凝結表5.某些激活磷脂酶C的信號分子

第二信使的產(chǎn)生

該途徑有三個第二信使:IP3、DAG、Ca2+。產(chǎn)生過程包括磷脂酶C的激活、IP3/DAG的生成、Ca2+的釋放。

磷脂酶C-β的激活：磷脂酶C-β相當于cAMP系統(tǒng)中的腺苷酸環(huán)化酶,也是膜整合蛋白,它的活性受Gq蛋白調(diào)節(jié)。當信號分子識別并同受體結合后，激活Gq蛋白的亞基。激活的Gq-α亞基通過擴散與磷脂酶C-β接觸，并將磷脂酶C-β激活。

第二信使IP3/DAG的生成：被激活的磷脂酶C-β水解質(zhì)膜上的4，5-二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)，產(chǎn)生三磷酸肌醇(inositol1，4，5-triphosphate，IP3)和二酰甘油(diacylglycerol，DAG)(圖5-36)。IP3

啟動第二信使Ca2+的釋放由PIP2水解后產(chǎn)生的IP3是水溶性的小分子，它可以離開質(zhì)膜并迅速在胞質(zhì)溶膠中擴散。IP3同內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上專一的IP3受體(IP3receptor)結合，使IP3-門控Ca2+

通道打開，使Ca2+

從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中釋放出來。

第二信使Ca2+的作用

由IP3動員釋放到細胞內(nèi)的Ca2+

除了參與蛋白激酶C的激活以外，在細胞的生命活動中還有許多重要作用，包括細胞分裂、分泌活動、內(nèi)吞作用、受精、突觸傳遞、代謝以及細胞運動。細胞中Ca2+濃度及其控制：細胞質(zhì)膜中的Ca2+通道和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜中的IP3及ryanodine(阿諾堿受體)受體C