第8章 细胞通讯与信号传递
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。
《生命活动-细胞》细胞通讯：信号传递
《生命活动-细胞》细胞通讯：信号传递《生命活动细胞》细胞通讯：信号传递在我们身体这个庞大而复杂的“王国”里，细胞就像是一个个勤劳的“居民”，它们各司其职，共同维持着生命的正常运转。
而细胞之间的通讯，就如同居民之间的交流一样，至关重要。
这种通讯依靠信号传递来实现，是细胞协调合作、适应环境变化以及维持生命活动平衡的关键。
想象一下，一个细胞就像是一座孤立的小岛，如果没有有效的通讯手段，它将无法知晓外界的情况，也无法与其他细胞协同工作。
细胞通讯的信号传递就像是连接这些小岛的桥梁，让细胞们能够相互“对话”，分享信息，共同应对各种挑战。
细胞信号传递的方式多种多样，其中一种常见的方式是通过化学信号分子。
这些分子就像是信使，在细胞间穿梭传递信息。
化学信号分子可以分为内分泌信号、旁分泌信号和自分泌信号等不同类型。
内分泌信号就像是长途跋涉的“邮差”，由内分泌细胞分泌的激素，通过血液循环系统被运送到身体的各个部位，作用于远处的靶细胞。
例如，甲状腺分泌的甲状腺激素会随着血液流动，到达全身各个细胞，调节细胞的代谢和生长发育。
旁分泌信号则像是邻里之间的“悄悄话”，信号分子只在局部扩散，作用于临近的细胞。
比如，神经细胞分泌的神经递质，在突触间隙中传递，快速地影响相邻的神经细胞或肌肉细胞的活动。
自分泌信号则像是细胞自己给自己的“提醒”，细胞分泌的信号分子作用于自身。
这在细胞的生长、分化和免疫调节等过程中都发挥着重要作用。
除了化学信号分子，细胞表面的受体也是信号传递的关键角色。
受体就像是细胞的“耳朵”，能够识别和结合特定的信号分子。
当信号分子与受体结合后，就像钥匙插入锁孔一样，会引发一系列的细胞内反应。
这些细胞内反应就像是一场精心编排的“舞蹈”，涉及到多种信号转导通路的激活。
例如，通过一系列的蛋白质磷酸化和去磷酸化反应，将信号逐步传递和放大，最终影响细胞的生理功能。
细胞信号传递的过程并非一帆风顺，它受到严格的调控和平衡。
如果信号传递出现异常，就可能导致疾病的发生。
了解细胞的信号传递与细胞通讯
了解细胞的信号传递与细胞通讯细胞是构成生物体的基本单位，它们通过信号传递与通讯来实现生物体内的协调和调节。
了解细胞的信号传递机制对于探索生命奥秘以及相关疾病的治疗具有重要意义。
本文将就细胞的信号传递与通讯进行探讨。
一、细胞的信号传递机制细胞的信号传递机制是指细胞内外环境信息的接收、传递和响应的过程。
广义的信号传递包括细胞间的相互作用以及细胞内各种信号传导的过程。
细胞间的相互作用是指细胞通过细胞外分泌物（如激素）或细胞接触等方式传递信息。
这种方式通过细胞表面的受体感知到信号，然后经过信号转导传递给细胞内的靶蛋白，从而引发一系列信号级联反应，最终实现细胞的应答。
另一种信号传递方式是细胞内的信号传导。
细胞内的信号传导通常是通过细胞内分子间的相互作用来传递信号。
常见的信号传导分子有离子、细胞因子、酶、蛋白激酶等。
这些信号传导分子可以通过磷酸化、磷酸酶等酶促反应来改变其活性，从而实现信号的传导。
二、细胞通讯的方式细胞的通讯方式有多种，包括直接接触、细胞外信号分子介导以及细胞外囊泡转运等。
1. 直接接触：直接接触是指细胞之间通过细胞间连接或结构物相互贴附、接触来进行信息传递。
这种方式常见于神经元之间的传递、免疫细胞的识别和交流等。
2. 细胞外信号分子介导：细胞外信号分子介导是指细胞通过分泌信号分子来传递信息。
这些信号分子可以是激素、生长因子等蛋白质，也可以是小分子信号物质如细胞因子、氨基酸等。
这些信号分子可以通过扩散或运输蛋白质在细胞间传递信息。
3. 细胞外囊泡转运：细胞外囊泡转运是细胞之间通过囊泡来传递信号和物质。
这种方式常见于细胞的分泌、摄取等生理过程中。
三、典型的信号传递通路细胞的信号传递通路有很多，其中细胞外信号分子介导的通路是比较典型的。
1. G蛋白偶联受体信号传导通路：这是一种广泛存在于细胞膜上的信号传导方式。
当外界的信号分子（如激素）结合到受体上时，受体会激活相应的G蛋白，从而引发下游的蛋白级联反应，最终产生一系列生理效应。
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
第八章 细胞通讯与信号传递1-1
由约100个氨基酸残基组成的
SH2结构域（又称作Src同源
区）特异性识别配体上磷酸化 酪氨酸及其C端的3-6个氨基
酸残基。其对配体的识别特性
取决于特定的空间结构。SH2 结构域广泛存在于蛋白酪氨酸
激酶、磷酸酶、磷醋酶、信号
接头蛋白及转录因子等蛋白分 子内,而参与调控相应的信号
传导通路。SH2结构域所介导
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三类细胞表面受体 (cell-surface receptors)：离子通道偶联受 体、G蛋白偶联受体和酶联受体。都有结合配体的功能域和 产生效应的功能域。
离子通道偶联受体
G蛋白偶联受体
酶联受体
结合于细胞内受体的信号分子
雌二醇（E2）
维他命D3 氢化可的松 睾酮
甲状腺素
视黄醇
结合于细胞内受体的信号分子的特点： 都是疏水的、脂溶性小分子。
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信号产 生细胞
G蛋白偶 联受体 G蛋白
腺苷酸环化酶
第二 信使
靶细胞
腺苷酸环化酶 是G蛋白 的下游效应物，由G 蛋白激活，水解细胞质 中ATP产生第二信使 cAMP，引起细胞内的 反应。
王书p190－192
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脂肪细胞激素诱导的腺苷酸环化酶 的激活与抑制（P236图）
1. cAMP信号通路 (cAMP signal pathway)
Phosphotyrosines of RTK act as binding sites for a specific SH2 protein called GRB2 (Growth factor
receptor binding protein in mammalian).
GRB2 is not a protein with catalytic activity, but one that functions solely as an adapter molecule that links other proteins into a complex. Sos(son of sevenless) is a guanine nucleotide exchange factor for Ras (Ras-GEF)
第八章细胞通讯与信号转导(研)
下丘脑激素、垂体激素、 甲状旁腺素、胃肠激素 ④ 脂类衍生物：前列腺素 ⑤ 气体分子：NO、CO、H2S
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2.根据细胞分泌和传递信息物质方式的 不同，分为：
① 神经递质 ② 内分泌激素 ③ 局部化学介质 ④ 气体信号 ⑤ 细胞黏附分子
与靶细胞的受体特异性结合
受体对信号进行转换并启动细胞内信使系统
靶细胞产生生物学效应
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二、信息物质
是指携带生物信息，调节细胞生命活动的化学物 质
(一) 细胞间信息物质 由细胞分泌的、能够调节特定靶细胞生
理活动的化学物质
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分类: 1.按其化学本质的不同分为五类：
① 类固醇衍生物：肾上腺皮质激素、性激素、 维生素D等
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激素的作用方式：
①内分泌：激素分泌后作用较远的靶细 胞， 其传递介质为血液。
②旁分泌：激素分泌释放后作用于邻近的 靶细胞，其传递介质为细胞间液。
③自分泌：激素分泌释放后仍作用于自身 细胞，其传递介质为胞液。
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③局部化学介质：
• 局部化学介质又称为旁分泌信号，指由 细胞分泌的信息分子通过扩散而作用于 邻近的靶细胞，调节细胞的生理功能。 如:组胺、花生四烯酸、生长因子
• 细胞通讯:生物体内细胞间的联 络、识别以及相互作用的过程。
• 信号转导:外源信息传入细胞内 并引起细胞应答反应的过程。
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第一节 细胞通讯的分子基础
一、细胞通讯的基本方式 1.细胞间隙连接通讯
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⒉ 细胞表面分子接触通讯
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⒊ 化学信号通讯
特定的细胞释放信息物质(化学信号分子)
细胞生物学第8章细胞信号传导
息系统的进化。
单细胞生物通过反馈调节，适应环境的变化。 多细胞生物则是由各种细胞组成的细胞社会，除 了反馈调节外，更有赖于细胞间的通讯与信号传 导，以协调不同细胞的行为，如：①调节代谢， 通过对代谢相关酶活性的调节，控制细胞的物质 和能量代谢；②实现细胞功能，如肌肉的收缩和 舒张，腺体分泌物的释放； ③调节细胞周期，使 DNA复制相关的基因表达，细胞进入分裂和增殖 阶段； ④控制细胞分化，使基因有选择性地表达， 细胞不可逆地分化为有特定功能的成熟细胞； ⑤ 影响细胞的存活。
NO在导致血管平滑肌舒张中的作用
（四）配体与受体（Ligand & Receptor） 1、配体（Ligand）：在细胞通讯中，由信号传导 细胞送出的信号分子必须被靶细胞接收才能触发 靶细胞的应答，此时的信号分子被称为配体 (ligand)，接收信息的分子称为受体。 2、受体（Receptor）：广义的受体指任何能够同 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。狭义的受 体指能够识别和选择性结合配体（signal molecule） 的大分子，当与配体结合后，通过信号转导 （Signal Transduction）作用将细胞外信号转换为 细胞内的物理和化学信号，以启动一系列过程， 最终表现为生物学效应。
第八章
细胞信号转导
生命与非生命物质最显著的区别在于生命
是一个完整的自然的信息处理系统。一方面生
物信息系统的存在使有机体得以适应其内外部
环境的变化，维持个体的生存；另一方面信息 物质如核酸和蛋白质信息在不同世代间传递维 持了种族的延续。生命现象是信息在同一或不 同时空传递的现象，生命的进化实质上就是信
在细胞通讯中受体通常是指位于细胞膜表 面或细胞内与信号分子结合的蛋白质，多为糖 蛋白，一般至少包括两个功能区域，与配体结 合的区域和产生效应的区域；当受体与配体结 合后，构象改变而产生活性，启动一系列过程， 最终表现为生物学效应。受体与配体间的作用 具有三个主要特征：①特异性；②饱和性；③ 高度的亲和力。
第八章-细胞信号转导
• 化学信号根据其溶解性分为: 亲脂性信号分子：分子小、疏水性强、可透膜与胞内受体结合。
如甾类激素、甲状腺素… 亲水性信号分子：分子较大、亲水性强、不能透膜、只能与胞 外受体结合。如神经递质、生长因子、局部化学递质、大多数 激素… 气体性信号分子(NO)：可以透膜直接激活效应酶。
• 化学信号根据作用方式分为： 内分泌信号、旁分泌信号、突触信号、接触依赖性信号 P220
接触性依赖的通讯
细胞间直接接触，信号分子与受体都是细胞的跨膜蛋白。这种通讯方式 在胚胎发育过程中对组织内相邻细胞的分化具有重要作用。（胚胎诱导）
P218
细胞通讯方式
通过胞外信号介导的细胞通讯步骤
①信号分子的产生; ②运送信号分子至靶细胞; ③信号分子与靶细胞受体特异性结合,并激活 受体; ④活化受体启动胞内一种或多种信号转导途 径; ⑤引发细胞功能、代谢或发育的改变; ⑥信号的解除并导致细胞反应终止。
G-蛋白耦联的受体（G-protein-linked receptor）
酶连受体（enzyme-linked receptor） 受体的两个功能区域：配体结合区（结合特异性）
效应区（效应特异性）
P221
亲水性信号
胞 外 受 体
亲脂性信号
胞 内 受 体
胞外受体和胞内受体
三种类型的细胞表面受体
NO合酶 (NOS)
L-Arg+NADPH
NO+L-瓜氨酸
• NO没有专门的储存及释放调节机制，靶细胞上NO的多少 直接与NO的合成有关。
P229
Guanylate cyclase
内源性 NO 由 NOS 催化合成后，扩散到邻近细胞，与鸟苷酸环化酶活 性中心的Fe2+结合，改变酶的构象，导致酶活性的增加和cGMP 合成增 强。 cGMP作为第二信使介导蛋白质的磷酸化，引起生理生化反应。
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三种方式：
1、细胞通过分泌化学信号进行细胞间通讯ຫໍສະໝຸດ 2、细胞间接触性依赖的通讯
3、细胞间形成间隙连接使细胞质相互沟通， 通过交换小分子来实现代谢偶联或电偶
联
Fig. Budding yeast cells responding to mating factor. (A) The cells are normally spherical. (B) In response to mating factor secreted by neighboring yeast cells, they put out a protrusion toward the source of the factor in preparation for mating. (Courtesy of Michael Snyder.)
THE END
第八章 细胞信号转导
第一节 细胞通讯与信号传递
多细胞生物有赖于细胞通讯与信号传递, 以协调各种
细胞的功能，维持一个繁忙而有序的细胞社会。
单细胞生物有时也需要细胞通讯与信号传递。
一、细胞通讯与细胞识别
（一）细胞通讯 （cell communication)） 一个细胞发出的信息通过介质传递 到另一个细胞产生相应的反应。
3.第二信使与分子开关
第一信使：细胞外信号分子，不能进入细胞，它作用于 细胞表面受体，导致产生胞内第二信使。
第二信使(Second massenger) ：第一信使与受体作用
后在细胞内最早产生的信号分子。包括cAMP、cGMP、
三磷酸肌醇(IP3)、二酰基甘油(DG)等。
功能:启动和协助细胞内信号的逐级放大，在细胞信号
2. 细胞表面其他与酶偶联的受体 （1）受体丝氨酸/苏氨酸激酶
（2）受体酪氨酸磷酸酯酶
（3）受体鸟苷酸环化酶
（4）酪氨酸蛋白激酶联系的受体
四、由细胞表面整联蛋白介导的信号传递
五、细胞信号传递的基本特征与蛋白激酶 的网络整合信息
细胞的信号传递是多通路、多环节、多层次 和高度复杂的过程。其最重要的特征之一是 构成一个复杂的信号网络系统。
Fig. cAMP信号通路对基因 转录的激活
2.磷脂酰肌醇信号通路
Fig.磷脂酰肌醇信号通路图解
（三）与酶连接的受体
1. 受体酪氨酸激酶及RTK-Ras通路
Fig. 受体酪氨酸激酶（RTKs）的7个亚族 （注：书中列6个）
Fig. 配基所诱导的受体酪氨酸激酶（RTKs）的信号传递方式
Fig. 活化的RTK激活Ras蛋白：接头蛋白连接活化的RTK与Ras激活 蛋白（如GRF ），导致GDP-GTP交换，活化的Ras蛋白诱发信号 通路的“下游事件”。
分子开关(Molecular switches)
蛋白激酶 蛋白磷酸酯酶
Fig. 细胞内信号传导过程中两类分子开关蛋白
（三）细胞的信号分子与受体
1.细胞的信号分子 亲脂性信号分子：甾类激素、甲状腺素… 亲水性信号分子：神经递质、生长因子、局部化 学递质、大多数激素…
气体性信号分子：一氧化氮（ NO ）…
（二）G蛋白偶联的受体
G蛋白偶联的受体是指配体受体复合物与靶蛋白（酶或离 子通道）的作用通过与G蛋白 的偶联，在细胞内产生第二信 使，从而将包外信号跨膜传递 到胞内影响细胞的行为。
Fig. G蛋白偶联受体结构图
Fig. 细胞外信号结合所诱导的 G蛋白的活化
1.cAMP信号通路
（1）Rs和Ri
（2）Gs和Gi
Fig. 活化的PKC和Ras蛋白激活的激酶磷酸 化级联放大
激活的Ras蛋白扳 动三种蛋白激酶的磷 酸化级联反应，增强 和放大信号，即联反 应的最后，才能磷酸 化一些基因调控蛋白， 改变基因表达模式； 这是终致细胞行为 （包括细胞增殖或分 化，细胞存活或凋亡） 改变的关键；通过 PKC激活的靶酶可能 是Raf，也可能是其它 丝氨酸/苏氨酸蛋白激 酶。
autocrine
Gap junction
Fig. 不同的细胞间通讯方式
（二）细胞转导系统及其特性
细胞识别cell recognition：细胞通过其表面的受体 与胞外信号物质分子（配体）选择性地相互作用，从 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。
信号途径signaling pathway：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，是细胞信号系统的主线，这种反应系列称为信 号途径。
2.受体receptor
一种能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大 分子，当与配体结合后，通过信号转导(signal transduction)作 用将胞外信号转换为胞内化学或物理的信号，以启动一系列过 程，最终表现为生物学效应。
两个功能区域：配体结合区、效应区 两种类型：细胞内受体、细胞表面受体
酶偶联的受体（enzyme-linked receptor)
三种类型的细胞表面受体
（一）离子通道偶联的受体
突触前膜释放的神经递质 结合并开启突触后细胞膜 上的递质门离子通道，结 果导致突触后细胞膜离子 流改变，从而将化学信号 转换成电信号。
Fig. 在突触处通过递质门离子通道实现化学信号转换为电信号
血管神经末梢释放乙酰胆碱作用于血管内皮细胞， 被激活的血管内皮细胞产生并释放NO，通过扩 散进入临近平滑肌细胞，导致血管平滑肌舒张
三、通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递
细胞表面受体分属三大家族：
离子通道偶联的受体(ion-channel-linked receptor)
G蛋白偶联的受体(G protein-linked receptor)
转导中行使功能。
二、通过细胞内受体介导的信号传递
常见细胞内激素的结构
细胞内受体的本质：激素激 活的基因调控蛋白。 三部分组成：
C-端激素结合位点 中部的DNA或Hsp90结合位点： 富含Cys、锌指结构
N-端转录激活结构域
Fig. 细胞内受体蛋白超家族
NO信号分子的作用机制
Fig. NO在导致血管平滑肌舒张中的作用
（3）腺苷酸环化酶
Fig. Gs的调节作用：Gs偶联受 体激活腺苷酸环化酶的模型
G蛋白活化的腺苷酸环化酶
Fig. cAMP的合成与降解
Fig. cAMP特异地活化cAMP依赖的蛋白激酶
信号分子与受体结合通过G 蛋白活化腺苷酸环化酶，导 致细胞内cAMP浓度增高激活 蛋白激酶A，被活化的蛋白激 酶A（催化亚基）转为进入细 胞核，使基因调控蛋白 （cAMP应答结合蛋白， CREB）磷酸化，磷酸化的基 因调控蛋白与靶基因调控序 列结合，增强靶基因的表达。