细胞生物学：第9章 细胞通讯与信号传递
细胞生物学第4版第9章细胞信号转导
第一节 细胞信号转导概述
• 细胞通讯步骤与功能
Figure 15-8 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
一、细胞通讯
• 化学信号通讯 • 接触依赖性通讯（contact-dependent signaling） P157 • 间隙连接（gap junction）胞间连丝（plasmodesma）
– 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
蛋白质模式结合域（modular binding domain）
一、细胞内核受体及其对基因表达的调节
• 3 个功能域
– C 端激素结合结构域 – 中部DNA 或Hsp90 结合结构域 – N 端转录激活结构域
• 细胞内受体的本质是依赖激素激活 的转录因子。
• 信号分子的作用是将抑制性蛋白从 细胞内受体上解离，使受体上的 DNA结合位点暴露而激活。
• 激素－核受体复合物与激素反应元 件（HRE）结 合，调节基因转录。
一细胞，常见于癌变细胞。 化学突触（chemical synapse）：神经递质由突触前膜释
放，经突触间隙扩散到突触后膜，作用于特定的靶细胞。
二、几个基本概念
• 信号分子 • 受体 • 第二信使 • 分子开关
1. 化学信号分子
• 根据其溶解性分类： • 亲水性信号分子——神经递质、生长因子、细胞因子
细胞通讯与信号传导
细胞通讯与信号传导细胞是生物体的最基本单位，每个细胞都像一个小工厂，拥有自己的机器和设备，它们需要不断地接收与发出信息才能完成各自的任务，这就需要细胞间的通讯与信号传导。
本文将从细胞通讯和信号传导两个方面介绍这个重要的生命现象。
一、细胞通讯细胞通讯是指细胞之间通过化学信号相互交流的过程。
这种信号传递可以调节细胞的生命周期、维持内环境的恒定，以及协调身体各系统之间的协同运作。
在细胞通讯中，信号的传递可以分为内源性和外源性两类。
内源性信号是由细胞内自身产生的，如某些信号分子可以调节基因表达，从而影响一系列细胞行为。
外源性信号则来自外界，如神经元通过传递神经递质来调节细胞行为。
通常，细胞通讯的信号传递过程可分为三个基本步骤：识别、传递和响应。
第一步是识别阶段，在这个阶段，细胞必须能够识别外界或内源性信号分子。
这需要细胞表面的受体与信号分子之间发生特定的化学结合。
第二步是信号的传递阶段，在这个阶段，信号分子通过细胞内传递通路进入到细胞内部，从而调节细胞行为。
第三步是响应阶段，在这个阶段，细胞根据传递的信号做出相应的反应。
二、信号传导信号传导是指信号分子在细胞内部的传递过程。
它涉及一系列的生化反应和分子互动。
信号分子进入到细胞内部后，可能被一些蛋白激酶或酶水解，进而改变信号分子的化学结构。
这些过程就是信号转导的第一步，即信号的转换，使原本无法进入细胞内部的信号分子转变为可以作用于细胞内部的具有生物活性的物质。
第二步是信号传导通路，在这一步中，转换后的信号分子会引起细胞内一些特定蛋白质的生物分子反应，这些反应一般有激活或抑制的作用，从而调节细胞内的活动。
最后一步是响应阶段，在这个阶段，细胞会根据信号的强度和类型产生不同的反应，如细胞分裂、细胞分化、细胞凋亡等。
总的来说，细胞通讯和信号传导是两个紧密联系的概念。
细胞通讯的主要任务是产生信号分子，并将其传递到另一个细胞，而信号传导则是用一种内部系统将细胞解码和响应这些信号。
细胞通讯和细胞信号转导
名称
合成部位 化学特性
主要作用
肾上腺素 肾上腺 酪氨酸衍生物 提高血压、心率、增强代谢
皮质醇
肾上腺 类固醇
在大多数组织中影响蛋白、糖、脂肪的代谢
雌二醇
卵巢
类固醇
诱导和保持雌性副性征
胰高血糖素 胰α细胞 肽
胰岛素
胰β细胞 蛋白质
睾酮
睾丸
类固醇
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
亚基与催化亚基分开，被
激活的催化亚基可使底物
cAMP激活蛋白激酶A
➢ 蛋白激酶A的细胞质功能和细胞核功能
PKA既可直接修 饰细胞质中的底物蛋白， 使之磷酸化后立即起作 用，也可以进入细胞核 作用于基因表达的调控 蛋白,启动基因的表达。
cAMP与蛋白激酶对细胞活性的影响
蛋白激酶A的细胞质功能:
糖原分解：在脊椎动物中,糖原的分解受一些激素的控制,如肾上 腺素和胰高血糖素中的任何一种激素同细胞膜受体结合,都会激活磷酸 化酶,使糖原分解成1-磷酸葡萄糖,然后进一步分解为6-磷酸葡萄糖、 葡萄糖后进入血液 。
PKC系统的信号转导
由于该系统中的第二信使是磷脂肌醇,故此这一系统又称为磷脂 肌醇信号途径(phosphatidylinositol signal pathway)。
在这一信号转导途径中,膜受体与其相应的第一信使分子结合后， 激活膜上的Gq蛋白(一种G蛋白),然后由Gq蛋白激活磷酸脂酶Cβ (phos pholipase Cβ, PLC), 将膜上的脂酰肌醇4,5-二磷酸(phosphatidylinos itol biphosphate, PIP2)分解为两个细胞内的第二信使：二酰甘油( dia cylglycerol, DAG)和1,4,5-三磷酸肌醇(IP3)。IP3动员细胞内钙库释放 Ca2+到细胞质中与钙调蛋白结合，随后参与一系列的反应；而DAG在 Ca2+的协同下激活蛋白激酶C，然后通过蛋白激酶C引起级联反应，进 行细胞的应答, 故此将该系统称为PKC系统,或称为IP3、DAG、Ca2+信 号通路。
细胞信号传递和通讯网络
组织器官的形成
通过细胞间信号传递调控细胞间的相 互作用和排列组合，形成具有特定结 构和功能的组织器官。
06
细胞信号传递和通讯网络的研究 展望
研究现状与挑战
研究现状
目前，细胞信号传递和通讯网络的研究已经深入到分子水平，揭示了多种信号分 子的作用机制和细胞通讯网络的复杂结构。
挑战
然而，由于细胞信号传递和通讯网络的复杂性和动态性，目前仍存在许多未知领 域和难题，如信号通路的交叉调控、细胞通讯的时空特异性等。
细胞之间通过胞间连接（如紧密 连接、缝隙连接等）直接传递信 号分子，以调节通讯网络。
通讯网络与细胞命运的决定
01
信号通路与基因表达的调控
信号通路能够调控基因的表达，从而影响细胞的增殖、分化、凋亡等命
运。
02
信号整合与细胞决策
细胞通过整合来自不同信号通路的信号，作出相应的细胞决策，如细胞
周期进程、细胞迁移等。
通过信号传递调控免疫细胞的基因表达和表观遗传修饰，形成免疫 记忆，实现再次免疫应答。
在发育生物学中的应用
细胞命运的决定
细胞信号传递参与调控细胞的增殖、 分化和凋亡等过程，决定细胞的命运 。
胚胎发育的调控
细胞信号传递在胚胎发育过程中发挥 重要作用，参与调控胚胎的形态发生 、器官形成和生长发育等过程。
未来研究方向与趋势
研究方向
未来，研究将更加注重细胞信号传递 和通讯网络的系统性、整体性和动态 性，探索信号通路之间的相互作用和 网络调控机制。
趋势
同时，随着新技术和新方法的不断发 展，如单细胞测序、高通量筛选、生 物信息学等，将为细胞信号传递和通 讯网络的研究提供更加精确和高效的 手段。
对生物医学领域的影响与意义
细胞通讯与信号传递
抑制性蛋 白Hsp90
转录激活 结构域
激素结 合位点
DNA结合位点
激素
DNA 激素反应元件
靶基因转录
mRNA
甾类激素
• 受体是胞内激素激活的基因调控蛋白。 • 受体与配体（如皮质醇）结合，使抑制性蛋白与受体分离，暴露与
DNA的结合位点。 • 受体结合的序列是受体依赖的转录增强子。
细胞信号通路：细胞接受外界信号，通过一整套特定的机制，将胞外信号转导 为胞内信号，最终调节特定基因的表达，引起细胞的应答反应，这是细胞信号 系统的主线，这种反应序列称之为细胞信号通路。
2020/1/19
细胞通讯的六个基本步骤:
细胞内化学信号分子的合成
化学信号分子转运至靶细胞
2020/1/19
信号分子与靶细胞受体特异性结合并使受体激活 活化受体启动胞内一种或多种信号转导途径 引发细胞功能、代谢或发育的改变 信号解除并导致细胞反应终止
细胞对信号的反应不仅取决于其受体的特异性，而且与细胞的固有特征有关
相同信号可产生不同效应
不同信号可产生相同效应
不同细胞对同一化学信号分子可能具有不同受体，故不同的靶细胞以不同的方式应答于相同的 化学信号（Ach作用于骨骼肌细胞引起收缩，作用于心肌细胞却降低收缩频率，作用于唾液腺 细胞则引起分泌） 不同的细胞具有相同的受体，当与同一种信号分子结合时，不同细胞对同一信号产生不同的反 应 同一细胞上不同的受体应答与不同的胞外信号产生相同的效应（肝细胞肾上腺素或胰高血糖素 受体在结合各自配体被激活后，都能促进糖原降解而升高血糖） 一种细胞具有一套多种类型的受体，应答多种不同的胞外信号从而启动细胞不同生物学效应
1.开关蛋白的活性由蛋白激酶使之磷酸化而开启，由蛋白磷酸酯酶使之去磷酸化而关闭
细胞生物学第九至第十二章作业答案
第九章细胞信号转导1 、什么是细胞通讯？细胞通讯有哪些方式？答：细胞通讯是指一个信号产生细胞发出的信息通过介质（又称配体）传递到另一个靶细胞并与其相对应的受体相互作用，然后通过细胞信号转导产生靶细胞内一系列生理生化变化，最终表现为靶细胞整体的生物学效应的过程。
细胞通讯有3种方式：①细胞通过分泌化学信号进行细胞通讯，这是多细胞生物普遍采用的通讯方式；②细胞间接触依赖性通讯，细胞间直接接触，通过信号细胞跨膜信号分子（配体）与相邻靶细胞表面受体相互作用；③动物相邻细胞间形成间隙连接、植物细胞间通过胞间连丝使细胞间相互沟通，通过交换小分子来实现代谢偶联或电偶联。
2 、简述细胞的信号分子和受体的类型，信号转导系统的主要特性有什么？答：<1>信号分子是细胞信息的载体，种类繁多，包括化学信号和物理信号。
各种化学信号根据其化学性质通常分为3类：①气体性信号，包括NO、CO；②疏水性信号分子，主要是甾类激素和甲状腺激素；③亲水性信号分子，包括神经递质、局部介导和大多数蛋白类激素。
<2>根据靶细胞上受体存在的部位，可将受体区分为细胞内受体和细胞表面受体。
细胞内受体位于细胞质基质或核基质中，主要识别和结合小的脂溶性分子；细胞表面受体又可分属三大家族：离子通道偶联受体、G蛋白偶联受体和酶联受体。
<3>信号转导系统的主要特性：①特异性：细胞受体与胞外配体的识别、结合、效应具有特异性，且受体与配体的结合具有饱和性可逆性特征；细胞信号转导既有专一性又有作用机制的相似性。
②放大效应：信号传递至胞内效应器蛋白，引发细胞内信号放大的级联反应。
最常见的级联放大作用是通过蛋白质磷酸化实现的；③网络化和反馈调节机制：由一系列正反馈和负反馈环路组成网络特性，对于及时校正反应的速率和强度是最基本的调控机制；④整合作用：细胞必须整合不同的信息，对细胞外信号分子的特异性组合作出程序性反应；⑤信号的终止和下调：信号转导过程具有信号放大作用，但这种放大作用又必须受到适度控制，这表现为信号的放大作用和信号所启动的作用的终止并存。
生物学中的细胞信号传导与细胞通讯
生物学中的细胞信号传导与细胞通讯细胞信号传导与细胞通讯细胞是生命的基本单位，而细胞信号传导与细胞通讯在维持生物体正常功能与调控中起着重要作用。
通过一系列复杂的分子机制，细胞能够感知环境信号并通过信号传导网络与其他细胞进行交流与协调。
本文将为您介绍细胞信号传导与细胞通讯的基本概念、重要信号通路以及其在生物学中的意义。
一、细胞信号传导的基本概念细胞信号传导是指细胞内外信息的传递过程。
外部刺激、细胞内代谢产物与细胞内外通讯集体作用，通过分子信号传导链的级联反应来调控细胞的功能与行为。
细胞信号传导的基本原理是：外界刺激通过细胞膜上的受体感知，进而引发分子信号传导级联反应，最终调控细胞内的基因表达与蛋白质活性。
细胞信号传导通常包含以下几个关键步骤：1. 受体激活：外界刺激（如激素、神经递质或生物分子）与细胞膜上的受体结合，激活受体。
2. 信号传导：激活的受体将信号传递给细胞内部的信号分子，如细胞内的转导蛋白。
3. 激活级联反应：激活的信号分子通过级联反应，将信号传递给下一层级的分子组分。
4. 核内反应：信号在细胞内逐层传递，最终到达细胞核，并影响基因的表达与调控。
二、细胞通讯的重要信号通路1. 细胞膜受体：细胞膜受体是一类能够感知外界刺激的蛋白质，包括离子通道、酪氨酸激酶受体、G蛋白偶联受体等。
这些受体位于细胞膜上，能够感知环境中的物质并将信号传递到细胞内。
例如，神经递质通过受体与神经元进行通讯，调控神经传导。
2. 第二信使：当细胞膜受体被刺激后，会引发第二信使的产生与释放，从而传导信号。
常见的第二信使包括环磷酸腺苷（cAMP）、鸟苷酸环化酶（cGMP）以及各种离子，如钙离子（Ca2+）等。
这些第二信使能够调节细胞内的酶活性、蛋白质磷酸化以及基因表达等过程。
3. 细胞核与基因表达：信号传导的最终目的是影响细胞核内的基因表达与调控。
通过激活转录因子、调控DNA甲基化以及利用RNA调控等机制，信号传导能够影响细胞内的基因转录与翻译，并调节生物体的生理与生化过程。
细胞生物学-信号传递
（二）细胞识别（cell recognition）
概念：细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子选择性地相 互作用，进而导致胞内一系列生理生化变化，最终表现 为细胞整体的生物学效应的过程。
3
●细胞通讯方式：
分泌化学信号进行通讯 接触性依赖的通讯 细胞间形成间隙连接实现代谢偶联或电偶联
4
1.细胞通过分泌化学信号进行细胞间相互通讯
cAMP信号通路
概念：细胞外信号和相应的受体结合，导致胞内第二信使
cAMP的水平变化而引起细胞反应的信号通路。
cAMP信号通路的组成成分
激活型 抑制型 抑制型受体(Ri)
（接受胰高血糖素等）inhibit
受体
激活型受体(Rs)
（接受肾上腺素等）stimulate
G-蛋白
激活型的G-蛋白（Gs）
抑制型G-蛋白(Gi)
细胞分泌一些化学物质（如激素）至细胞外，作为信号分 子作用于靶细胞，调节其功能，可分为4类。
5
内分泌（endocrine）：①低浓度；②全身性；③长时效。 旁分泌（paracrine）：细胞分泌的信号分子通过扩散作用 于邻近的细胞。包括各类细胞因子和气体信号分子。 自分泌（autocrine）：信号发放细胞和靶细胞为同类或同 一细胞，常见于癌变细胞。 化学突触（chemical synapse）：神经递质由突触前膜释 放，经突触间隙扩散到突触后膜，作用于特定的靶细胞。
31
G蛋白：即GTP结合蛋白(GTP binding protein)，简称G蛋白。 由α、β、γ三个亚基组成， β 和γ亚基通过共价结合的脂 肪酸链尾结合在膜上。G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的
作用，当α亚基与GDP结合时处于关闭状态，与GTP结合时处于
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G蛋白耦联的受体：
单条多肽形成7次跨膜α螺旋；其中螺旋5和6间 的胞内环状结构域是与G蛋白作用的位点；
G蛋白耦联的受体介导的3条细胞信号通路：
1. cAMP信号通路：又称PKA系统 •效应酶：腺苷酸环化酶 •在胞内形成的第二信使是： cAMP •cAMP通过激活蛋白激酶A（PKA）影响下游分子
2. 磷脂酰肌醇信号通路：又称PKC系统或双信使系统 •效应酶：磷脂酶C •在胞内形成的第二信使是： IP3和DAG •DAG通过激活蛋白激酶C (PKC) 来影响下游分子 •IP3释放Ca2+调控钙调蛋白引起细胞反应
信号分子：都是疏水的、脂溶性小分子 受体：是依赖激素激活的基因调控蛋白
受体的三大结构域：
失
活
HSP90
态
信号
激 活 态
HSP90
胞内受体蛋白家族
类固醇激素是一类亲脂性信号分子，可与胞内受体 结合，提高受体与DNA结合能力，增强基因转录
类固醇激素诱导的基因活化分两阶段：
初级反应阶段：直接激活少数特殊基因，反应迅速
通过与质膜结合的信号分子
３通过间隙连接/胞间连丝使细胞质互通
通过间隙连接使细胞质互通
分泌化学信号进行的通讯（普遍方式）
内分泌
旁分泌ห้องสมุดไป่ตู้
化学突触 自分泌
细胞间接触依赖性通讯
（三）细胞通信的组成元件
◆信号的发射 信号分子
◆信号的识别 受体
◆信号转导 胞内的第二信使
◆信号传递的放大与终止 分子开关
胞外信号分子 受体
“明星分子（star molecule）”：一氧化氮NO
20世纪80年代后期证实的唯一气体性信号分子
可以直接进入细胞激活相应的靶酶，参与体内 众多的生理病理过程
2. 受体（receptor）：接收信息的分子，多为糖蛋白
根据受体存在的部位分两类：
细胞表面受体：受 胞外亲水性信号分子 的激活；
第二信使的作用：信号转换、信号放大
细胞内信号传递的分子开关： 在细胞内信号传递的级联反应中，对每一步反应既有 激活机制也有相应的失活机制，进行精确调节。
两类作为分子开关的蛋白：
蛋白激酶
蛋白磷酸酶
结合GTP
结合GDP
靶蛋白的磷酸化与去磷酸化 GTPase开关调控蛋白
二、通过细胞内受体介导的信号传递
细胞内受体：位于 细胞质或细胞核中， 受胞外亲脂性信号分 子的激活；
受体的功能： 特异识别并结合胞外信号分子； 通过信号转导，将胞外信号转换为胞内信号；
受体的两大功能域 与配体结合的区域 结合特异性
产生效应的区域 效应特异性
受体与配体间具有效应的多样性：
不同细胞以不同受体应答相同 的信号
骨骼细胞收缩
乙酰胆碱
心肌细胞降低收缩频率
在不同细胞中，相同受体与相 同信号结合可产生不同效应；
同一细胞中，不相同受体与不 同信号结合可产生相同效应；
唾腺细胞分泌
3.第二信使与分子开关 第二信使：细胞表面受体接受细胞外信号后转换而 来的细胞内信号；细胞外的信号称为第一信使
目前公认的第二信使：cAMP、cGMP、三磷酸肌醇 （IP3）和二酰基甘油（DG或DAG）、Ca2+
延迟的次级反应阶段：初级反应阶段的基因产物再 活化其它基因，放大初级反应的作用
甲状腺素和雌激素都是亲脂小分子，其作用原理与甾 类激素
NO是迄今所发现的唯一气体信号分子，可结合并 激活胞内受体鸟苷酸环化酶
1998年R．Furchgott等三位美国科学家因对NO 信号转导机制的研究而获得诺贝尔生理和医学奖
特点：受体既是离子通道又有信号结合位点，又称 配体门通道或递质门控离子通道。主要存在于神经细 胞间的化学突触；其信号分子：神经递质
静息态的神经末稍
兴奋的神经末稍
Ca2+通道关闭
神经递质
离子通道耦 联的受体
突触后 细胞
活化的神经末稍
活化的突触
突触后细胞
胞外化学信号
胞内电信号
神经递质与受 体结合，离子 通道打开，离 子流入突触后 细胞，引起膜 表面电信号的 改变
第八章 细胞信号转导
本章重要内容
• 通过细胞内受体介导的信号传递 • 通过细胞表面受体介导的信号传递
G蛋白耦联的受体（重点）
和人类的通信一样，组成多细胞生物的细胞也要进 行相互的交流，即：通过细胞通讯来实现
通过细胞间的 通讯，多细胞生 物可以协调各细 胞的行为，如细 胞的生长、分裂、 分化和死亡等， 对外界信号产生 应答
一、细胞通讯
（一）概念
细胞通信：指一个细胞发出的信息通过介质 传递到另一个细胞并与靶细胞上的受体相互作 用，然后通过细胞信号转导产生胞内一系列生 理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效 应的过程
（二）细胞通信的方式 1. 通过分泌化学信号进行细胞通讯
通过分泌信号分子进行通信
2. 细胞间接触依赖性的细胞通讯
胞内信号传递
表达产物 细胞应答
1. 信号分子：是细胞信息的载体
信号分子根据溶解性分两类：
亲水性信号分子：不能穿过细 胞膜，只能与膜表面受体结合， 经信号转换，引起细胞应答
神经递质、生长因子、局部介质、多 数激素
亲脂性信号分子：可穿过细胞 膜，与细胞质或细胞核中的受体 结合，调节基因表达
甾类激素和甲状腺素等
Robert F. Furchgott Louis J. Ignarro
Ferid Murad
NO合酶
NO
细胞松弛
内皮细胞
激活
NO
鸟苷酸环化酶
平滑肌
细胞 GTP cGMP
蛋白质磷酸化
细胞松弛
平滑肌 细胞
细胞松弛
鸟苷酸 环化酶
临床上为何用硝化 甘油治疗心绞痛？ 硝化甘油在体内可 转化为NO，NO导 致血管平滑肌的舒 张，引起血管通畅，
三、通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递
信号分子：亲水性化学信号分子，不能直接进入细 胞，而是与细胞表面的受体结合，进而将信号转导
包括神经递质、 蛋白激素和生长因 子等
细胞表面受体主要类型∶
A. 离子通道偶联受体
存在于神经、 肌肉等可兴奋细 胞
B. G-蛋白偶联受体
C. 酶联受体
无组织特异性
（一）离子通道耦联的受体
（二）G蛋白偶联的受体 最重要的信号转导系统 P165
特点：受体接收胞外信号后，需通过与G蛋白偶联， 进而在胞内产生第二信使；
G蛋白即GTP结合调节蛋白
位于膜内侧，具有三亚基：βγ二 聚体共价结合于膜上起稳定α亚基的 作用；α亚基具有GTP酶活性以及腺 苷酸环化酶结合位点。
G蛋白起分子开关作用： G蛋白α 亚基结合GTP时活化；结合GDP时 失活