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细胞通讯
细胞通讯
2011年04月11日
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(图8-1)。近年来,由于细胞通信在医学尤其是揭示癌症方面的重要性,使这一领域的研究十分活跃,文献和著作非常的多,不同的作者往往使用不同的名词来描述细胞的信息传递现象,虽然这些名词很相近,但是其内涵和外延不尽相同,现解释如下:
细胞信号发放(cell signaling)[1],细胞释放信号分子,将信息传递给其它细胞。
细胞通讯(munication)[2]指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反应的过程。
细胞识别(cell recognition)[3]指细胞与细胞之间通过细胞表面的信息分子相互作用,从而引起细胞反应的现象
信号转导(signal transduction)[4] 指外界信号(如光、电、化学分子)与细胞细胞表面受体作用,通过影响细胞内信使的水平变化,进而引起细胞应答反应的一系列过程。生物细胞所接受的信号既可以使物理信号(光、热、电流),也可以是化学信号,但是在有机体间和细胞间的通讯中最广泛的信号是化学信号。
从化学结构来看细胞信号分子包括:短肽、蛋白质、气体分子(NO、CO)以及氨基酸、核苷酸、脂类和胆固醇衍生物等等,其共同特点是:①特异性,只能与特定的受体结合;②高效性,几个分子即可发生明显的生物学效应,这一特性有赖于细胞的信号逐级放大系统;③可被灭活,完成信息传递后可被降解或修饰而失去活性,保证信息传递的完整性和细胞免于疲劳。
从产生和作用方式来看可分为内分泌激素、神经递质、局部化学介导因子和气体分子等四类。
从溶解性来看又可分为脂溶性和水溶性两类。脂溶性信号分子,如甾类激素和甲状腺素,可
直接穿膜进入靶细胞,与胞内受体结合形成激素-受体复合物,调节基因表达。水溶性信号分子,如神经递质、细胞因子和水溶性激素,不能穿过靶细胞膜,只能与膜受体结合,经信号转换机制,通过胞内信使(如cAMP)或激活膜受体的激酶活性(如受体酪氨酸激酶),引起细胞的应答反应。所以这类信号分子又称为第一信使(primary messenger),而cAMP这样的胞内信号分子被称为第二信使(secondary messenger)。目前公认的第二信使有cAMP、cGMP、三磷酸肌醇(IP3)和二酰基甘油(DG),Ca2+被称为第三信使是因为其释放有赖于第二信使。第二信使的作用是对胞外信号起转换和放大的作用。受体(receptor)是一种能够识别和选择性结合某种配体(信号分子)的大分子物质,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。
根据靶细胞上受体存在的部位,可将受体分为细胞内受体(intracellular receptor)和细胞表面受体(cell surface receptor,图8-2)。细胞内受体介导亲脂性信号分子的信息传递,如胞内的甾体类激素受体。细胞表面受体介导亲水性信号分子的信息传递,可分为:①离子通道型受体、②G蛋白耦联型受体和③酶耦联型受体。
每一种细胞都有其独特的受体和信号转导系统,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。有时相同的信号可产生不同的效应,如Ach可引起骨骼肌收缩、降低心肌收缩频率,引起唾腺细胞分泌。有时不同信号产生相同的效应,如肾上腺素、胰高血糖素,都能促进肝糖原降解而升高血糖。
细胞持续处于信号分子刺激下的时候,细胞通过多种途径使受体钝化,产生适应。如:
①修饰或改变受体,如磷酸化,使受体与下游蛋白隔离,即受体失活(receptor inactivation)。
②暂时将受体移到细胞内部,即受体隐蔽(receptor sequestration)