CHAPTER 5 CELL COMMUNICATION

OUTLINE 5.1 BASIC CHARACTERISTICS OF CELL-SIGNALING SYSTEMS 5.2 SIGNAL MOLECULES 5.3 RECEPTORS 5.4 cAMP SIGNAL PATHWAY 5.5 PHOSPHATIDYLINOSITOL SIGNAL PATHWAY 5.6 SIGNALING VIA ENZYME- LINKED RECEPTORS 5.7 SIGNAL CONVERGENT、DIVERGENT、 CROSSTALK AND CELL ADAPTATION

Cell Communication

CELL SIGNALING ◆Cell signaling can affect virtually every aspect of cell structure and function: ◆On one hand, an understanding of cell signaling requires knowledge about other types of cellular activity. ◆On the other hand, insights into cell signaling can tie together a variety of seemingly independent cellular activities.

细胞质膜与细胞通讯

5.1BASIC CHARACTERISTICS OF CELL-SIGNALING SYSTEMS 5.1.1 细胞通讯的一般过程 和所引起的反应 一般过程 ◆识别 ●信号分子 ●受体蛋白 ◆信号转移 ◆信号转换

细胞通讯的途径与方式

引起的反应 ◆酶活性的变化 ◆基因表达的变化 ◆细胞骨架构型 ◆通透性的变化 ◆DNA合成活性的变化 ◆细胞死亡程序的变化等。

细胞通讯的作用

细胞通讯的速率

5.1.2 细胞通讯的方式和特点 细胞通讯的方式 细胞通信的方式可以分为两大类： ◆通过细胞外信号分子： 包括蛋白质、肽、氨基酸、核苷酸、脂肪酸衍生物以及溶解的气体。 ◆靠细胞的直接接触。

细胞通讯的两种方式

细胞通讯的两种方式

●通过位于细胞表面的信号分子同靶细胞的接触。 ◆通过细胞接触进行通讯的两种情况： ●通讯连接： 间隙连接和胞间连丝 ●通过位于细胞表面的信号分子同靶细胞的接触。

细胞信号转导的特点 ◆两个基本概念 ●Cell signaling ●Signal transduction cell signaling conveys the concept that a cell responds to a stimulus from its environment by relaying information to its internal compartment. ●Signal transduction signal transduction, which indicates that the stimulus received by the cell-surface receptor is different from the signal released to the cell interior.

◆特点 ●信号转换 ●逐级放大 ●通过构像的改变 在信号转导途径中，上游蛋白对下游蛋白活性的改变主要是通过添加或除去磷酸集团进行的。

信号转导与蛋白质活性

5.2 Signal molecules 5.2.1 信号分子及类型 概念 ◆化学分子 ●非营养物 ●非能源物质 ●非结构物质 ●不是酶 5.2.1 信号分子及类型 概念 ◆化学分子 ●非营养物 ●非能源物质 ●非结构物质 ●不是酶 ◆主要是用来在细胞间和细胞内传递信息

信号分子与细胞通讯 ？

信号分子的类型 ◆Hormones and endocrine signaling Hormones are secreted by specialized endocrine cells and carried through the circulation to act on target cells at distant body sites. A classic example is provided by the steroid hormone estrogen, which is produced by the ovary and stimulates development and maintenance of the female reproductive system and secondary sex characteristics.

◆局部化学介质与旁分泌(paracrine) ●细胞分泌化学介质(local chemical mediator)到细胞外液中作用于邻近靶细胞

◆自分泌(autocrine) 是指细胞对自身产生的物质发生反应, 常见于病理条件下, 如肝细胞合成的释放生长因子, 可以刺激自身, 导致肿瘤细胞增生, 失去控制。这种信号中最主要的一类是前列腺素(prostaglandins,PG)。

◆神经递质 (neurotransmitters) ●神经递质是由神经细胞分泌到触突(synapses)中的信号分子 ●它们在进入靶细胞之前，触突必需同靶细胞挨得很近很近 ●为了引起邻近靶细胞的反应，还必需产生电信号。神经递质仅作用于相连接的靶细胞。

信号分子的类型

5.2.2 信号分子的特点及性质 信号分子受体存在部位 ◆细胞表面（表面受体） ◆细胞内（细胞内受体） ？

Cell-Surface Receptors & Intracellur Receptors

Nitric Oxide and Carbon Monoxide ◆The nitric oxide (NO) is a major paracrine signaling molecule in the nervous, immune, and circulatory systems. NO is able to diffuse directly across the plasma membrane of its target cells. The molecular basis of NO action, however, is distinct from that of steroid action; rather than binding to a receptor that regulates transcription, NO alters the activity of intracellular target enzymes. ◆一氧化氮是可溶性的气体，产自精氨酸，在一些组织中作为局部介质起作用。NO能够引起血管壁的平滑肌细胞松弛。

一氧化氮的产生

NO很容易从制造的细胞中扩散出来并且进入到邻近的细胞。由于NO的半衰期很短(5-10秒钟)，所以它只能作用于相邻细胞。NO作用的靶酶是鸟苷环化酶，使GTP转变成cGMP。

一氧化氮的信号作用

新千年的诺贝尔奖

第二信息(second messenger) 大多数激素类信号分子不能直接进入细胞，只能通过同膜受体结合后进行信息转换，通常把细胞外的信号称为第一信息使，而把细胞内最早产生的信号物质称为第二信息。

第二信息 ？

第二信息至少有两个特征: ▲是第一信息同其膜受体结合后最早在细胞膜内侧或胞浆中出现，仅在细胞内部起作用的信息分子； ▲能启动或调节细胞内稍晚出现的反应。 目前公认的第二信息有cAMP、DG、IP3、cGMP和Ca2+。

效应物(effector) ◆接收信息后能够直接引起反应效应的物质，通常是酶； ●如腺苷酸环化酶在信号转导中能够将ATP转变成cAMP引起细胞内的反应。

cAMP的产生

5.3 Receptor 一般特性 ◆概念： ●与配体结合并产生特定效应的蛋白质 统称为受体。 ●被信息分子识别并传递信息的蛋白质 称为信息分子受体。 ◆存在部位： ●膜受体 ●胞内受体 ◆膜受体的主要功能是:

5.3.1 胞内受体 基本结构： 含三个结构域 ◆C端结构域: ◆中间结构域: ◆N端结构域:

胞内受体的结构

5.3.2 细胞表面受体 主要类型∶ ◆离子通道偶联受体(ion-channel linked receptor)； ◆G-蛋白偶联受体(G-protein linked receptor)； ◆酶联受体(enzyme-linked receptor)。

三种类型的表面受体

Ion-channel linked receptor ◆见于可兴奋细胞间的突触信号传递，产生一种电效应。 ◆受体本身就是形成通道的跨膜蛋白。如乙酰胆碱受体就是离子通道偶联受体。 ◆它们多为数个亚基组成的寡聚体蛋白, 除有配体结合部位外, 本身就是离子通道的一部分, 并籍此将信号传递至细胞内。

乙酰胆碱受体与信号传递

乙酰胆碱受体

G-protein linked receptor ●The largest family of cell surface receptors transmit signals to intracellular targets via the intermediary action of guanine nucleotide-binding proteins called G proteins. ● More than a thousand such G protein-coupled receptors have been identified, including the receptors for many neurotransmitters, neuropeptides, and peptide hormones. ● In addition, the G protein-coupled receptor family includes a large number of receptors that are responsible for smell, sight, and taste.

●The G protein-coupled receptors are structurally and functionally related proteins characterized by seven membrane-spanning  helices . ● The binding of ligands to the extracellular domain of these receptors induces a conformational change that allows the cytosolic domain of the receptor to bind to a G protein associated with the inner face of the plasma membrane. ● This interaction activates the G protein, which then dissociates from the receptor and carries the signal to an intracellular target, which may be either an enzyme or an ion channel.

G-蛋白偶联受体

一般由三个亚基组成, 分别叫α、β、γ, β、γ两亚基通常紧密结合在一起, 只有在蛋白变性时才分开。 G-蛋白: ◆组成: 一般由三个亚基组成, 分别叫α、β、γ, β、γ两亚基通常紧密结合在一起, 只有在蛋白变性时才分开。 ◆功能位点: α亚基具有三个功能位点：①GTP结合位点; ②鸟苷三磷酸水解酶(GTPase)活性; ③ADP-核糖化位点。

G蛋白偶联受体与信号转导

G蛋白与信号传递

酶联受体(enzyme linked receptor) ◆受体蛋白既是受体又是酶，一旦被配体激活即具有酶活性并将信号放大，又称催化受体(catalytic receptor)。 ◆这类受体传导的信号主要与细胞生长、分裂有关。

酶联受体

5.3.3 表面受体信号传递的特点 信号识别与转换：膜机器 ◆鉴别器(discriminator): 又称分辨部, 即识别部位或调节亚单位。 ◆转换器(transducer): 又称传导部, 将分辨部接受的信号转换为蛋白质构型的变化, 传给效应部。 ◆效应器(effector)∶ 又称催化部, 是朝向细胞质的部分。一般具有酶的活性, 如腺苷酸环化酶、鸟苷酸环化酶等。

Signaling cascade

5.3.4 表面受体的研究方法 光亲和标记法 研究受体的一种方法。原理是: 芳香族叠氮化合物可被光激活, 产生一种活性硝基氮, 可以同C-N、N-H、以及-SH基连接, 因而可以与任何氨基酸残基起反应。 单克隆抗体标记法

光亲和标记法

受体的分离

5.3.5 受体与信号分子 相互作用特点 表面受体跨膜方式 ◆单次跨膜受体家族: ◆7次跨膜家族： ◆多亚单位跨膜家族:

不同的跨膜受体

受体的作用特性 ◆专一性 ●专一性 受体与配体结合具有特异性, 不受其它信息分子的干扰。 ●受体交叉(receptor crossover) ★胰岛素受体除结合胰岛素外, 还可以同胰岛素样生长因子结合。 ★糖皮质(激)素受体除同糖皮质(激)素结合以外, 还可同其它甾类激素结合

受体在体内的分布、种类和数量均随组织的不同而不同。 ◆高亲和力 受体与配体结合的能力称为亲和力。 ◆饱和性 即有限的结合能力。 ◆可逆性 配体与受体的结合是可逆的。 ◆ 特定的组织定位 受体在体内的分布、种类和数量均随组织的不同而不同。

5.4 cAMP signal pathway ◆cAMP信号途径又称PKA系统，是蛋白激酶A系统的简称(protein kinase A system, PKA)； ◆该系统属G蛋白偶联受体信号传导； ◆在该系统中, 细胞外信号要被转换成第二信息cAMP引起细胞反应。

●激活型 ●抑制型 由激活型的信号作用于激活型的受体，经激活型的G蛋白去激活腺苷酸环化酶，从而提高cAMP的浓度引起细胞的反应。

5.4.1 系统组成 激活型的系统组成 ◆激活型受体(Stimulate Receptor, Rs) ◆激活型的G-蛋白 ◆效应物 ●肾上腺素(β型)受体, 胰高血糖素受体等 ●此类受体都是7次跨膜的膜整合蛋白。 ◆激活型的G-蛋白 将受体接收的信号传递给腺苷酸环化酶，使该酶激活。 ◆效应物 腺苷酸环化酶 C

受体、G蛋白和效应物

◆该系统中三个成员存在的实验证据 ●通过细胞融合实验证明受体与腺苷酸环化酶是两种不同的蛋白质； ●高效信号转导需要G蛋白的存在； ●GTP可增强激素对腺苷酸环化酶的激发

证明G蛋白作用的实验

抑制型的系统组成 ◆抑制型受体(Inhibite Receptor, Ri) 抑制型的受体(Ri)通过Gi抑制腺苷酸环化酶的活性,降低膜内cAMP的水平。 ◆抑制型G蛋白(Gi-proteins) 抑制型的GTP结合蛋白传递抑制性信号,降低腺苷酸环化酶的活性。 ◆效应物∶腺苷酸环化酶。

激活型与抑制型受体进行信号传导的效应