高中生物竞赛课件：细胞通信与信号转导

细胞通信与信号转导一、细胞通信二、细胞的信号分子与受体（一）细胞的信号分子（二）受体（三）第二信使与分子开关三、信号转导系统及其特性一、细胞通信细胞通信(cellcommunication)：指细胞产生的胞外信号与靶细胞表面相应的受体结合，引发受体构象改变而激活，进而导致细胞内信号转导通路建立，最终调节靶细胞的代谢、结构功能或基因表达，并表现为靶细胞整体的生物学效应意义：细胞间的通信对于多细胞生物体的发生和组织的构建，协调细胞的功能，控制细胞的生长、分裂、分化和凋亡是必需的（一）细胞通信类型1.细胞通过分泌化学信号2.细胞间接触依赖性通信(contact-dependentsignaling)3.间隙连接(gapjunction)、胞间连丝(plasmodesma)一、细胞通信（二）不同类型的细胞间通信方式内分泌(Endocrine)旁分泌(Paracrine)自分泌(Autocrine)突触信号传递(Synapticsignaling)一、细胞通信信号细胞分泌胞外信号，按其对靶细胞发挥效应的空间距离和作用方式，可分为：化学信号内分泌：在动物中由内分泌细胞分泌胞外信号分子(激素)，经血液或其他细胞外液运送到体内各相应组织，作用于靶细胞（二）不同类型的细胞间通信方式一、细胞通信化学信号旁分泌：细胞分泌局部化学介质到细胞外液，经过局部扩散作用于邻近靶细胞

多细胞生物中调节发育的许多生长因子多通过短距离起作用；刺激创伤或感染组织细胞增殖以恢复功能（二）不同类型的细胞间通信方式一、细胞通信化学信号自分泌：释放信号分子的细胞也是发挥效应的靶细胞，即对自身分泌的信号分子产生反应，常存在于病理条件下（肿瘤细胞的十大特征之一：自给自足的生长信号）（二）不同类型的细胞间通信方式一、细胞通信化学信号Cell.2011Mar4;144(5):646-74.突出信号传递：通过化学突触传递神经信号，短距离局部作用，神经元接受刺激⇒神经信号以动作电位的形式沿轴突传递至神经末梢⇒电压门控的Ca2+通道将电信号转换为化学信号(神经递质或神经肽分泌)⇒化学信号扩散经过突触间隙到达突触后膜⇒后膜配体门控通道将化学信号转换回电信号，实现电信号-化学信号-电信号的快速转导（二）不同类型的细胞间通信方式一、细胞通信化学信号细胞直接接触，无需信号分子的释放，通过信号细胞质膜上的信号分子与靶细胞质膜上的受体分子相互作用介导细胞间的通信，在胚胎发育中对组织内相邻细胞的分化命运具有决定性影响(P72)细胞间接触依赖性通信一、细胞通信细胞-细胞黏着细胞-基质黏着间隙连接和胞间连丝一、细胞通信连接子蛋白连接子间隙连接胞间连丝穿越细胞壁，由相邻细胞的细胞质膜共同组成直径为20-40nm的管状结构，中央是由sER延伸形成的链样管①-③信号细胞合成并释放信号分子，转运信号分子至靶细胞细胞通信步骤④信号分子与靶细胞表面受体特异性结合并导致受体激活⑤活化受体启动靶细胞内一种或多种信号转导途径⑥引发细胞代谢、功能或基因表达的改变⑦-⑧信号的解除并导致细胞反应终止细胞通信步骤二、细胞的信号分子与受体细胞表面受体转导胞外信号引发快反应和慢反应快反应(短期反应)：改变细胞内特殊的酶类和蛋白质的活性或功能⇒影响细胞代谢功能或细胞运动等二、细胞的信号分子与受体细胞表面受体转导胞外信号引发快反应和慢反应慢反应(长期反应)：通过修饰细胞内转录因子刺激或阻遏特异靶基因的表达⇒改变细胞特异性蛋白的表达量快反应(短期反应)：改变细胞内特殊的酶类和蛋白质的活性或功能⇒影响细胞代谢功能或细胞运动等信号分子是细胞的信息载体，包括化学信号(各类激素、局部介质和神经递质)，及物理信号(声、光、电和温度变化)根据化学性质可分为4类：气体信号疏水性信号亲水性信号膜结合信号二、细胞的信号分子与受体气体信号分子(NO、CO)，自由扩散进入细胞，直接激活效应酶(鸟苷酸环化酶)产生第二信使(cGMP)，参与细胞生理过程(血管平滑肌舒张)疏水性信号分子(甾类激素和甲状腺素)，血液长效信号，穿过质膜进入细胞，与核受体结合，调节基因表达亲水性信号分子(神经递质、局部介质和大多数蛋白质类激素)，与靶细胞表面受体结合，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膜结合信号分子，表达于质膜，与靶细胞膜受体互作，引起细胞应答（表11-1）二、细胞的信号分子与受体二、细胞的信号分子与受体信号分子举例受体(Receptor)：一类能够识别和选择性结合某种配体(信号分子)的大分子，多为糖蛋白，少数糖脂(霍乱毒素受体和百日咳毒素受体)和糖蛋白与糖脂组成的复合物(促甲状腺素受体)二、细胞的信号分子与受体根据在靶细胞上的存在部位分为：细胞内受体(intracellularrecepor)：细胞质基质或核基质中，识别和结合小的脂溶性信号分子细胞表面受体(cell-surfacereceptor)：识别和结合亲水性信号分子受体(Receptor)：一类能够识别和选择性结合某种配体(信号分子)的大分子，多为糖蛋白，少数糖脂(霍乱毒素受体和百日咳毒素受体)和糖蛋白与糖脂组成的复合物(促甲状腺素受体)二、细胞的信号分子与受体根据在靶细胞上的存在部位分为：细胞内受体(intracellularrecepor)：细胞质基质或核基质中，识别和结合小的脂溶性信号分子细胞表面受体(cell-surfacereceptor)：识别和结合亲水性信号分子根据信号转导机制和受体蛋白类型的不同，分属三大家族:(1)离子通道偶联受体(2)G蛋白偶联受体(3)酶联受体二、细胞的信号分子与受体根据在靶细胞上的存在部位分为：细胞内受体(intracellularrecepor)：细胞质基质或核基质中，识别和结合小的脂溶性信号分子细胞表面受体(cell-surfacereceptor)：识别和结合亲水性信号分子根据信号转导机制和受体蛋白类型的不同，分属三大家族:(1)离子通道偶联受体(2)G蛋白偶联受体(3)酶联受体受体的两个功能域：结合配体的功能域——结合特异性产生效应的功能域——效应特异性二、细胞的信号分子与受体(1)离子通道偶联受体(ionchannel-coupledreceptor)

受体本身既有信号(配体)结合位点，又是离子通道，跨膜信号转导无需中间步骤，又称配体门控通道(ligand-gated

channel)或递质门控通道(transmitter-gatedchannel)二、细胞的信号分子与受体(2)G蛋白偶联受体(G-protein-coupledreceptor,GPCR)细胞表面受体中最大的家族二、细胞的信号分子与受体(3)酶联受体(Enzyme-linkedreceptors)两类：受体胞内结构域具有潜在酶活性受体本身不具酶活性，而是受体胞内段与酶相联系二、细胞的信号分子与受体靶细胞对外界特殊信号分子的反应①

特异反应取决于细胞具有的相应受体，细胞对外界信号分子的敏感性既取决于细胞表面受体的数量，也取决于受体对配体的亲和性非共价键结合，可描述为可逆性的双分子相互作用的热动力学平衡反应

[R]：受体浓度[L]：配体浓度[RL]：受体-配体复合物浓度Kd：细胞表面受体达到50%被占据时所需的配体分子浓度二、细胞的信号分子与受体①

特异反应取决于细胞具有的相应受体，细胞对外界信号分子的敏感性既取决于细胞表面受体的数量，也取决于受体对配体的亲和性非共价键结合，可描述为可逆性的双分子相互作用的热动力学平衡反应②

受体与信号分子空间结构的互补性是二者特异结合的主要因素，但非一对一的关系靶细胞对外界特殊信号分子的反应二、细胞的信号分子与受体不同类型细胞对同一种化学信号分子可能具有不同的受体乙酰胆碱骨骼肌细胞收缩唾腺细胞分泌心肌细胞收缩频率↓靶细胞对外界特殊信号分子的反应二、细胞的信号分子与受体第二信使与分子开关第二信使学说(Secondmessengertheory)：胞外化学信号(第一信使)不能进入细胞，作用于细胞表面受体，导致产生胞内信号(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ForhisdiscoveriesconcerningthemechanismsoftheactionofhormonesAround1960heshowedhowcyclicadenosinemonophosphate(cAMP)servesasthesecondarymessengerwithinthecell.TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1971二、细胞的信号分子与受体体外实验证明，向肝组织切片加入肾上腺素时，可明显导致糖原磷酸化酶活性增加，并促进糖原分解为葡萄糖，从而发现cAMPForhisdiscoveriesconcerningthemechanismsoftheactionofhormonesAround1960heshowedhowcyclicadenosinemonophosphate(cAMP)servesasthesecondarymessengerwithinthecell.TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1971第二信使与分子开关二、细胞的信号分子与受体第二信使：在胞内产生的非蛋白类小分子，其浓度变化应答胞外信号与细胞表面受体的结合，调节细胞内酶和非酶蛋白质的活性，从而在细胞信号转导途径中行使携带和放大信号的功能，包括:cAMP、cGMP、Ca2+、二酰甘油(DAG)、1,4,5-三磷酸肌醇(IP3)第二信使与分子开关二、细胞的信号分子与受体细胞信号转导过程中，还有进化上保守的胞内蛋白，通过激活机制和失活机制精确控制细胞内一系列信号传递的级联反应（1）GTP酶分子开关调控蛋白（2）蛋白激酶/蛋白磷酸酶（3）钙调蛋白第二信使与分子开关二、细胞的信号分子与受体（1）GTP酶分子开关调控蛋白GTP酶超家族:三聚体GTP结合蛋白单体GTP结合蛋白(Ras、Rab)GEF：鸟苷酸交换因子GAP：GTP酶促进蛋白RGS：G蛋白信号调节子GDI：鸟苷酸解离抑制物第二信使与分子开关二、细胞的信号分子与受体（2）蛋白激酶/蛋白磷酸酶蛋白激酶(proteinkinase)使靶蛋白磷酸化，蛋白磷酸酶(proteinphosphatase)使靶蛋白去磷酸化，从而调节靶蛋白的活性蛋白质磷酸化和去磷酸化可以改变蛋白质的电荷并改变蛋白质构象，导致蛋白活性增强或降低两种形式的蛋白激酶：酪氨酸激酶丝/苏氨酸激酶第二信使与分子开关蛋白磷酸酶蛋白激酶二、细胞的信号分子与受体“fortheirdiscoveriesconcerningreversibleproteinphosphorylationasabiologicalregulatorymechanism”TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1992第二信使与分子开关二、细胞的信号分子与受体（3）钙调蛋白(Calmodulin)每个CaM分子具有4个Ca2+离子结合位点CaM通过与Ca2+的结合或解离而分别处于活化或失活的“开启”或“关闭”状态Ca2+-CaM复合物可结合多种酶及其它靶蛋白，修饰其活性(P243)第二信使与分子开关三、信号转导系统及其特性（一）信号转导系统的基本组成及信号蛋白的相互作用（二）细胞内信号蛋白复合物的装配（三）信号转导系统的主要特征（一）信号转导系统的基本组成细胞表面受体介导的信号通路5个步骤组成：受体特异性识别并结合胞外信号分子，形成受体－配体复合物，导致受体激活受体构象改变，导致信号初级跨膜转导，靶细胞内产生第二信使或活化的信号蛋白胞内第二信使或胞内信号蛋白复合物装配，起始胞内信号放大的级联反应细胞应答反应受体脱敏或受体下调，终止或降低细胞反应（一）信号转导系统的基本组成蛋白质模式结合域细胞内信号蛋白的相互作用是靠蛋白质模式结合域特异性介导模式结合域：通常由40~120个氨基酸残基组成一侧有较浅凹陷的球形结构域不具酶活性、但能识别特定基序或蛋白质上特定修饰位点与识别对象的亲和性较弱，有利于快速和反复进行精细的组合式网络调控（一）信号转导系统的基本组成SH2(Srchomology

2domain)：研究蛋白质互作的原型模式结构域，由约100个氨基酸残基组成，可特异性结合围绕磷酸酪氨酸残基的氨基酸序列(酶、癌蛋白、锚定蛋白、接头蛋白、调节蛋白、转录因子)SH3结构域：结合富含脯氨酸序列IRS：胰岛素受体底物蛋白质模式结合域（二）细胞内信号蛋白复合物的装配信号