第五章细胞通讯

第五章细胞通讯姓名：李淼学号：09352044班级：生科一班日期：11.11细胞通讯是指多细胞生物细胞间或细胞内通过高度精确和高度有效的接受信息的通讯机制并通过放大引起快速的细胞生理反应，或者引起基因活动，从而发生一系列的细胞活动来协调各组织行动，使之成为统一的生命整体对外界环境变化做出综合应答。细胞有3种通讯方式：通过信号分子、相邻细胞表面分子的相互作用、细胞与细胞外基质的作用。细胞通讯的基本过程：信号分子的合成；信号分子从信号生成细胞释放到周围环境中；信号分子向靶细胞运输；靶细胞对信号分子的识别和检测；细胞对细胞外信号进行跨膜转导，产生细胞内的信号；进行级联反应。信号分子是指生物体内的某些化学分子，用来在细胞间和细胞内传递信息。根据信号分子的溶解性分为水溶性信使和脂溶性信使。前者作用于细胞表面受体，后者要穿过细胞质膜作用于胞质溶胶或细胞核中的受体。受体指任何能够同激素、神经递质、药物或细胞内的信号分子结合并能引起细胞功能变化的生物大分子。位于细胞质膜上的受体称为表面受体，位于胞质溶胶、核基质中的受体称为细胞内受体。细胞表面受体主要同大的信号分子或小的亲水性信号分子作用，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。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。表面受体主要有3中类型：离子通道偶联受体、G蛋白偶联受体、酶联受体。乙酰胆碱的多种功能就在于它能够同不同的离子通道受体结合，引起不同的反应。G蛋白偶联受体介导许多细胞外信号的转到，被激活的G蛋白又可激活或抑制一种产生特异第二信使的酶、或离子通道，引起膜电位的变化。G蛋白偶联受体是一条多肽链，7次α螺旋跨膜区。酶联受体又是受体又是酶，这类受体通常与细胞的生长、繁殖、分化、生存有关。分为酪氨酸激酶偶联受体和内源酶促活性受体。酪氨酸激酶偶联受体本身没有酶的活性，但是每一个受体单体结合一个酪氨酸蛋白激酶，并将之激活，两个单体形成二聚体作用。内源性酶促活性受体具有鸟苷酸环化酶或者磷酸酶的活性，通常以单体起作用。受体与配体的结合具有几种特性：特异性、高亲和力、饱和性、可逆性和生理效应。细胞表面受体分离春花的方法有单克隆抗体标记法、亲和标记法等。亲和标记的原理是：将细胞与超量标记的激素混合，以饱和所有特异性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。再用去垢剂或变性剂溶解细胞质膜，分离膜蛋白进行分析。如果想纯化表面受体，则要进行亲和层析法。PKA系统是以cAMP作为第二信使激活蛋白激酶A（PKA）进行信号放大，包括激活型和抑制型两种类型。在激活型中，G蛋白偶联受体与信号分子结合后，G蛋白被激活，活性α亚基与其他两个亚基分离并激活腺苷酸环化酶（AC），产生第二信使cAMP，cAMP激活PKA，PKA再作用于靶蛋白，产生细胞应答。在抑制型中，激活的G蛋白则抑制AC的活性。通过对cAMP的降解可解除PKA系统的信号作用。G蛋白是异源三体G蛋白，有三个亚基。其中α亚基具有GTPase的活性结构域和ADP核糖化位点。G蛋白有静息状态和活性状态之分，取决于α亚基上结合的是GDP还是GTP。G蛋白活性转变与GTPase激活蛋白、鸟苷交换因子和鸟苷解离抑制蛋白有关。GTPase激活蛋白提高了水解GTP的能力，鸟苷交换因子促进GDP释放，激活G蛋白，鸟苷解离抑制蛋白抑制GDP释放，保持G蛋白的非活化状态。G蛋白偶联系统包括三种蛋白质：表面受体、G蛋白和效应物。表面受体是7次跨膜的膜整合蛋白，G蛋白在信号转导中起桥梁作用，效应物指直接产生效应的物质，通常是酶，如AC,GC等。在该系统中，G蛋白将信号从受体传递给效应物包括以下过程：G蛋白被受体激活，G蛋白将信号向效应物转移，当与Gα结合的GTP水解成GDP时，信号就终止。cAMP是由腺苷酸环化酶AC水解细胞质中ATP产生的，腺苷酸环化酶是膜整合蛋白，有两个膜整合去，每个区分别由6个α跨膜螺旋。由于AC能够将ATP转变成cAMP，引起细胞的信号应答，所以AC是G蛋白偶联系统中的效应物。cAMP被称为第二信使。PKA系统分为刺激型和抑制型两种，刺激型受体是Rs蛋白，属于此类受体的有肾上腺素（β型）、胰高血糖素受体、促甲状腺素受体、后叶加压素受体、促黄体生长素受体、促卵泡激素受体等。刺激型的G蛋白称为Gs蛋白，接受了激活型受体的信号后，激活AC，提高细胞质中的cAMP浓度。抑制型受体是Ri蛋白，属于此类受体的有乙酰胆碱（M型）受体、肾上腺素（α2型）受体等，抑制型G蛋白成为Gi蛋白，接受抑制型受体的信号后，能够抑制AC的活性，减少cAMP的产生。注意，Gs蛋白和Gi蛋白的不同之处是：Gs的αs亚基能够被霍乱毒素ADP核糖基化，而Gi的αi亚基能被百日咳毒素ADP核糖基化。PKA又称cAMP依赖的蛋白激酶，真核细胞内几乎所有cAMP的作用都是通过活化PKA，从而使其底物蛋白发生磷酸化而实现的。PKA的作用主要将底物磷酸化，信号转导中通过磷酸化而激活、去磷酸化而失活，磷酸成为蛋白的活性标记。蛋白激酶A既有细胞质功能又有细胞核功能。在细胞质中能够调控糖原分解，在细胞核中可以调节基因表达。对cAMP的浓度必须进行严格控制，以免细胞一直处于过敏状态。cAMP信号解除有两种方式。第一种是将cAMP迅速讲解，主要通过cAMP磷酸二酯酶PDE将cAMP的环破坏。第二种是通过抑制型的信号作用于Ri，然后通过Gi起作用。霍乱毒素抑制了α亚基的GTPase活性，从而抑制了GTP的水解，是Gs一直处于激活状态。结果是AC处于永久活性状态，cAMP的合成失去控制，引起钠离子和水分泌到肠腔导致严重腹泻。百日咳毒素阻止了Gi蛋白α亚基上的GDP被GTP取代，使其失去了对AC的抑制作用，结果也是使cAMP的浓度增加。PKC系统是以三磷酸肌醇（IP3）、二酰甘油（DAG）为第二信使，并通过蛋白激酶C（PKC）引起的级联反应。PKC系统中，磷脂酶Cβ相当于PKA系统的AC，经G蛋白激活后的磷脂酶Cβ水解质膜上的4.5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2），产生IP3和DAG。IP3的作用是释放出内质网中的Ca离子，DAG和Ca离子共同作用激活PKC，PKC参与多种生化反应的催化。DAG和IP3的解除可以通过水解和磷酸化来完成，Ca离子的信号解除则需要通过IP3磷酸化生成的IP4与质膜、内质网膜上的Ca-ATP酶的共同作用。Ca2+在细胞的信号应答中具有重要的调节作用，在结构上与cAMP和磷脂酰肌醇有很大的不同，不能被合成也不能被分解，只能够通过膜中的运输蛋白和离子通道控制它在细胞中不同部位的浓度。细胞质中的低Ca2+通过如下机制控制：在正常情况下，膜对Ca2+是高度不通透的，质膜和ER的膜中含有能够将Ca2+从胞质溶胶中泵出到细胞外或泵进ER腔的运输泵。Ca2+通过膜通道扩散，使胞外的Ca2+快速进入细胞，使细胞溶胶中Ca2+浓度迅速升高。酶联受体信号转导系统有以cGMP作为第二信使使激活蛋白酶G的系统以及受体酪氨酸激酶/Ras途径。胰岛素受体信号转导途径和表皮生长因子受体信号转导途径是典型的受体酪氨酸激酶途径。Ras蛋白活性受到GAP和GEF的控制，其激活亦涉及Grb2蛋白和Sos蛋白。受体酪氨酸激酶，简称RTK，是具有酪氨酸激酶活性的受体。受体酪氨酸激酶即是受体，又是酶，能够同配体结合，并将靶蛋白的酪氨酸残基磷酸化。酪氨酸激酶主要是控制细胞生长与分化，所以此类受体与生长因子有关。所有的RTK都是由3个部分组成的：含有配体结合位点的细胞外结构域、单次跨膜的疏水α螺旋区、含有RTK活性的细胞内结构域。受体酪氨酸激酶在没有同信号分子结合时是以单体存在的，并且没有活性；一旦有信号分子与受体的细胞外结构域结合，两个单体受体分子在膜上形成二聚体；两个受体的细胞内结构域的尾部相互接触，激活它们的蛋白激酶，使尾部的酪氨酸残基磷酸化。Ras蛋白的活性状态对细胞的生长、分化、细胞护甲、蛋白质运输和分泌等都具有影响，其活性则是通过与GDP和GTP的结合进行调节。Ras蛋白的活性受两个蛋白的控制，一个是鸟苷交换因子（GEF），它的作用是促使GDP从Ras蛋白上释放出来，取而代之的是GTP，从而将Ras激活，GEF的活性受生长因子及其受体的影响。另一个控制Ras蛋白活性的是GTP酶激活蛋白（GAP），钙酶存在于正常细胞中，主要作用是激活Ras蛋白的GTP酶，将结合在Ras蛋白上的GTP水解成GDP，成为失活型的Ras蛋白-GDP。所以在正常情况下，Ras蛋白基本上都与GDP结合在一起，定位在细胞质膜内表面上。Ras蛋白还涉及了两个重要蛋白：Grb2蛋白和Sos蛋白。Grb2蛋白能够同时与Shc、Sos经诶和形成Shc-Grb2-Sos复合物，并将Sos激活，激活的Sos与质膜上的Ras蛋白结合，并将其激活，引起信号级联反应。Sos蛋白是一种鸟苷交换因子，是Ras的激活蛋白。Grb2蛋白含有一个SH2结构域和两个SH3结构域，属SH蛋白。而Sos蛋白不含SH结构域，不属于SH蛋白。Ras蛋白可以通过两条途径激活，Grb2-Sos蛋白同受体的磷酸化位点结合之后，Sos蛋白被激活，并促进Ras蛋白进行GDP和GTP的交换，从而将Ras激活。或者被胰岛素受体激活，Grb2-Sos复合物只能同胰岛素受体Shc结合，形成蛋白复合物以后激活Ras蛋白。Ras蛋白被激活后，通过激酶级联系统进行信号转导，总的过程是：生长因子与相应的受体结合导致受体二聚化，并引起细胞质结构域的酪氨酸自我磷酸化。在Grb2-Sos激活了质膜上的Ras蛋白后，Ras蛋白能够与Raf蛋白结合，Raf蛋白是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，又成为MAPKKK。Raf能够磷酸化MEK蛋白激酶（又称为MAPKK），MEK则磷酸化MAPK（促分裂原活化蛋白激酶）。激活后的MAPK进入细胞核内使一些转录因子磷酸化。磷酸化的转录因子与DNA的亲和力大大增加，增强了特异基因的转录。整联蛋白介导的黏着斑的装配、黏着斑的信号转导也是细胞表面受体介导的信号转导的重要方式。细胞信号转导各途径的关系可分为3大类：信号趋同（会聚）、信号趋异和串话。信号转导途径的趋同是指不同的信号分子分别作用于不同的受体，但是最后的效应物是相同的。如胰岛素和表皮生长因子分别作用于不同的受体系统，但是受体的细胞内结构域磷酸化后的位点都可作为SH2的锚定位点。信号趋异是指同一种信号与受体作用后在细胞内分成几个不同的信号途径进行传递，最典型的是受体酪氨酸激酶的信号转导。信号转导途径的串话是指不同信号转导途径间的相互影响，因为细胞内的各种信息往往要交织在一起形成一个信息网共同作用。信号终止对维持细胞正常生命活动是非常重要的。终止信号的最好方式是直接将信号分子水解。当细胞持续暴露于细胞外信号时，某种信号分子的特异受体常常会快速钝化，吐过钝化的受体只是那些已与信号分子结合的受体，这就称为同源钝化，钝化是通过磷酸化介导的。内吞是使细胞质膜上受体减少的有效方法，细胞也因此降低了对信号分子的敏感性。此外，另一种信号解除机制是磷酸酶的作用。蛋白质的磷酸化是一种可逆是一种可逆的化学修饰，所以通过蛋白激酶添加的蛋白质上的磷酸基团可通过蛋白磷酸酶的作用被除去。