导图社区 《细胞生物学》第五章 细胞通讯
这是一篇有关细胞生物学的思维导图，包含了基本特点、信号的整合和终止、其他信号转导途径、G蛋白偶联受体及信号转导。
这是一篇关于《细胞生物学》-细胞骨架与细胞运动的思维导图。细胞除了具有遗传和代谢两个主要特性之外,还有两个特性,就是它的运动性和维持一定的形态。
细胞核是真核细胞内最大、最重要的细胞结构，是细胞遗传与代谢的调控中心，是真核细胞区别于原核细胞最显著的标志之一(极少数真核细胞无细胞核，如哺乳动物的成熟的红细胞，高等植物成熟的筛管细胞等)。
细胞衰老是指细胞在执行生命活动过程中，随着时间的推移，细胞增殖与分化能力和生理功能逐渐发生衰退的变化过程。
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法理
细胞通讯
细胞通讯：在多细胞生物的细胞社会中，细胞间或细胞内通过高度精确和高效地接收信息的通讯机制，并通过放大引起快速的细胞生理反应，或者引起基因活动，而后发生一系列的细胞生理活动来协调各组织活动，使之成为生命的统一体对多变的外界环境做出综合性反应。
基本特点
由信号发射细胞发出信号（接触和产生信号分子），由信号接收细胞（靶细胞）探测信号，其接收的手段是通过接收分子（受体蛋白），然后通过靶细胞的识别，最后做出应答
细胞通讯方式
通过信号分子（不需要细胞直接接触）
通过相邻细胞表面分子的黏着（需要通过细胞接触）
通过细胞与细胞外基质的黏着（需要通过细胞接触）
细胞通讯基本过程
前三步是细胞信号传导的主要内容：信号的合成、分泌和传递后三步是细胞信号转导的主要内容：信号的识别、信号的转移和信号转换
信号分子的合成：一般的细胞都能合成信号分子，而内分泌细胞是信号分子的主要来源
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：主要通过血液循环系统运送到靶细胞
靶细胞对信号分子的识别和检测：主要通过位于细胞质膜和细胞内受体蛋白的选择性的识别和结合
细胞对细胞外信号进行跨膜转导，产生细胞内信号
细胞内信号作用于效应分子，进行逐步放大的级联反应，引起细胞代谢、生长、基因表达等一系列变化
两个基本概念
细胞信号传导：强调信号的产生和细胞间传送
细胞信号转导：强调信号的接收与接收后信号转换的方式和结果
信号分子
生物体内的某些化学分子，既非营养物，又非能源物质和结构物质，也不是酶，主要是用来在细胞间和细胞内传递信息
分类
水溶性信使，作用于细胞表面受体
脂溶性信使穿过细胞质膜作用于胞质溶胶或细胞核中的受体
类型
激素
由内分泌细胞合成的化学信号分子，被分泌到血液中后，经血液循环运送到体内各个部位作用于靶细胞
参与细胞通讯的激素
蛋白与肽类激素
通常只与细胞质膜受体结合
类固醇激素
在光面内质网上利用胆固醇酶促合成，能够穿过靶细胞的质膜作用于靶细胞内受体
氨基酸衍生物
主要由酪氨酸衍生而来的小分子激素
局部介质
由各种不同类型的细胞合成并分泌到细胞外液中的信号分子，只能作用于周围的细胞
自分泌信号传导：由自身合成的信号分子作用于自身的现象
旁分泌信号传导：分泌到细胞外后只能作用于邻近细胞的信号分子
神经递质
从神经末梢释放出来的小分子物质，是神经元与靶细胞的化学信使
受体与信号接收
受体：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因引起细胞功能变化的生物大分子 在细胞通讯中，接受信息的分子为受体，信号分子为配体
受体存在部位
细胞表面受体
位于细胞质膜上的受体
主要是识别周围环境中的活性物质或被相应的信号分子所识别，并与之结合，将外部信号转变为内部信号，以启动一系列反应而产生特定的生物效应
细胞内受体
两个不同的结合域
与DNA结合的结构域
激活基因转录的N端结构域
两个结合位点
与配体结合的位点，位于C端
与抑制蛋白结合的位点，在无配体结合时，由抑制蛋白抑制受体与DNA结合，有相应配体，释放抑制蛋白
三类细胞表面受体
离子通道偶联受体
具有离子通道作用的细胞质膜受体
G蛋白偶联受体
结构上都是一条多肽链并且有7次α螺旋跨膜区
酶联受体（催化受体）
转导的信号通常与细胞的生长、繁殖、分化、生存有关
酪氨酸激酶偶联受体
缺少细胞内催化活性的酶联受体，受体本身无酶的结构域，受体的细胞内结构域无催化活性
内源酶促活性受体
表面受体超家族
根据表面受体与质膜的结合方式可分为单次跨膜、7次跨膜和多亚单位跨膜
受体与配体相互作用及研究方法
相互作用特性
特异性
采用非放射性标记的底物同放射性标记的配体竞争受体结合位点法
高亲和力
通过配体与受体结合反应的动力学分析可获得亲和力的信息，亲和力越强，越容易被占据
饱和性
增加配体的浓度不会增加配体与受体的结合
可逆性
利于信号的快速解除，避免受体一直处于激活状态
生物效应
反应强弱与结合配体的受体数量成正相关
相互作用的复杂性表现
虽然一种信号分子只能同一种受体作用，但是却能作用于不同的靶细胞产生多种效应
一个细胞表面有多个不同受体同时与细胞外基质中的不同信号分子起作用 ，这些分子共同作用的影响比任何单个信号所起的作用都强得多
亲和标记法分离表面受体
原理
将细胞与超量标记的激素混合，以饱和所有特异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
信号转导与第二信使
信号转导途径
通过G蛋白偶联方式：信号分子同表面受体结合激活G蛋白，再由G蛋白激活效应物，效应物产生细胞内信号
结合的配体激活受体的酶活性，然后由激活的酶去激活产生细胞内信号的效应物
两个层次
将外部信号转换成内部信号途径
外部信号转换成内部信号后从哪个途径引起应答
信号级联放大（级联反应）
组成成员称为一个级联，主要是由磷酸化和去磷酸化的酶组成
优越性
同一级中所有具有催化活性的酶受到同一分子调控
通过级联放大作用，使引起同一级联反应的信号得到 最大限度的放大
作用
将信号放大，使原始信号变得更强、更具激发作用，引起细胞的强烈反应
信号转移，将原始信号转移到细胞的其他部位
信号转化，将信号转化成能够激发细胞应答的分子
信号的趋异，将信号分开为几种平行的信号，影响多种生化途径，引起更大的反应
第二信使
由细胞表面受体转换而来的细胞内信号
基本特性
是第一信使同其膜受体结合后最早在细胞膜内侧或胞浆中出现的仅在细胞内部起作用的信号分子
能启动或调节细胞内稍晚出现的信号应答
G蛋白偶联受体及信号转导
重要特点
系统由三部分组成：7次跨膜的受体、G蛋白和效应物（酶）
产生第二信使
G蛋白(GTP结合蛋白)结构和功能
能GTP或GDP结合，又叫鸟苷酸结合调节蛋白。有单体G蛋白（一条多肽链）和多亚基G蛋白（多条多肽链组成）
G蛋白循环
GTPase激活蛋白（GAP）
加速GTP的水解，能够缩短G蛋白介导应答的时间
鸟苷交换因子（GEF）
促进GDP从G蛋白解离的蛋白因子，能够激活G蛋白
鸟苷解离抑制蛋白(GDI)
抑制结合的GDP从G蛋白释放出来，保持G蛋白处于非活性状态
PKA系统（cAMP引起的信号转导系统）的信号转导机理
G蛋白偶联的膜结合机器
表面受体
都是7次跨膜的膜整合蛋白，包括肾上腺素受体、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
G蛋白（偶联蛋白或信号转换蛋白）
在信号转导中起桥梁作用，使受体和效应物偶联起来，将细胞外信号转变为细胞内信号
效应物
直接产生效应的物质，是信号转导途径中的催化单位
跨膜信号转导机制
G蛋白被受体激活
当配体与受体结合时，引起受体的构型改变，从而提高与G蛋白的亲和力，这也是细胞信号分子的唯一功能。结合有配体的受体在细胞质膜的内侧面与G蛋白结合，形成受体-G蛋白复合物。与受体结合的G蛋白α亚基释放出GDP，并与GTP结合，使得G蛋白成为活性状态
G蛋白将信号向效应物转移
GTP取代GDP改变G蛋白α亚基的构型，使得其与β、γ分开，而这两个亚基仍以复合物存在。与GTP结合的Gα单独去激活效应物分子产生第二信使，只要Gα-GTP与效应物结合，就会不断产生第二信使
应答终止
当与Gα结合的GTP被水解成GDP时，信号转导就会终止。因此， GTP水解的速率在某种程度上决定着信号转导的强度和时间的长短。Gα亚基具有较弱的GTPase的活性，能够缓慢地水解GTP，进行自我失活。失活可通过与GAP的作用而加速。一旦GTP水解成GDP， Gα-GDP能够重新与Gβγ复合物恢复结合，形成非活性的三体复合物。
第二信使：cAMP
腺苷酸环化酶（AC）水解细胞质中ATP产生
抑制型cAMP信号途径
刺激型（激活型）cAMP信号途径
由刺激型的第一信使作用于刺激型的受体，经刺激型的G蛋白去激活腺苷酸环化酶活性，从而提高cAMP的浓度引起细胞的反应
受体：接收刺激型信号后通过Gs来刺激腺苷酸环化酶的活性
属于此类受体：肾上腺素受体、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 作用于此类受体的信号分子：肾上腺素、胰高血糖素以及ACTH
Gs蛋白，接受激活型受体的信号后，激活腺苷酸环化酶，提高细胞质中cAMP的浓度
效应物：腺苷酸环化酶
通过抑制型的第一信使作用于抑制型的受体，经抑制型的G蛋白去抑制腺苷酸环化酶的活性
抑制型受体通过Gi抑制腺苷酸环化酶活性，降低细胞质中cAMP的水平
乙酰胆碱（M型）受体、肾上腺素α2型受体 作用于抑制型受体的第一信使有前列腺素PCE1和腺苷
Gi蛋白，接受抑制型受体的信号后，能够抑制腺苷酸环化酶的活性，减少cAMP的产生
蛋白激酶A与底物磷酸化
蛋白激酶A(PKA)又称为cAMP依赖的蛋白激酶，是一种结构最简单、生化特性最清楚的蛋白激酶
作用是将底物磷酸化，全酶是由4个亚基组成的四聚体，其中2个是调节亚基，另2个是催化亚基
蛋白激酶A功能
细胞质功能：糖原分解
细胞核功能：调节基因表达
cAMP信号的终止
信号解除方式
将cAMP迅速降解，主要是通过cAMP磷酸二酯酶(PDE)将cAMP的环破坏，形成5’-AMP
通过抑制型的信号作用于Ri，然后通过Gi起作用。抑制型的G蛋白偶联受体受到所起的作用与刺激型的G蛋白偶联受体正好相反，降低细胞中cAMP的浓度，这是由抑制型的信号作用于抑制型的受体和抑制型的G蛋白引起
PKC系统(磷脂肌醇信号途径)（IP3,DAG,钙离子）的信号转导机制
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，然后由Gq蛋白激活酶磷脂酶Cβ，将膜上的磷脂酰肌醇二磷酸（PIP2）分解为两个细胞内的第二信使：二酰甘油（DAG）和肌醇三磷酸（IP3）。IP3动员细胞内钙库释放钙离子到细胞质中与钙调蛋白结合，随后参与一系列反应，而DAG在钙离子协同下激活蛋白激酶C（PKC）,然后通过蛋白激酶C引起级联反应，进行细胞的应答
第二信使的产生
磷脂酶Cβ的激活
活性受到Gq蛋白调节，激活的Gq蛋白α亚基上发生GTP与GDP的交换并导致结合有GTP的α亚基从Gq蛋白上释放出来。激活的Gq蛋白α亚基通过扩散与磷脂酶Cβ接触，并将磷脂酶Cβ激活
第二信使IP3/DAG的生成
PIP2是质膜上磷脂酰肌醇的衍生物，由PI激酶将PI磷酸化，生成PIP,然后由PIP激酶将PIP进一步磷酸化，生成PIP2
IP3启动第二信使钙离子的释放
钙离子作为第二信使的直接作用
协调DAG激活蛋白激酶C
钙离子与钙调蛋白结合直接引起细胞的其他反应
蛋白激酶C的激活
蛋白激酶C的激活是脂依赖性的，需要膜脂DAG的存在，同时又是Ca2+依赖性的，需要胞质溶胶中Ca2+浓度的升高。当DAG在质膜中出现时，胞质溶胶中的蛋白激酶C被结合到质膜上，然后在Ca2+的作用下被激活
蛋白激酶C参与基因表达控制的途径
蛋白激酶C将细胞质中的某些结合有基因表达调控因子的抑制蛋白磷酸化，使抑制蛋白释放出基因调控蛋白，让这些调控蛋白进入细胞核促进特异基因进行表达
蛋白激酶C激活一个级联系统的蛋白激酶，让激活的蛋白激酶磷酸化并激活特定基因表达的调控蛋白
MAP激酶是促分裂原活化蛋白激酶（MAPK）,又称为细胞外信号调节激酶，此酶被细胞外增殖、分化的诱导信号所激活
第二信使钙离子的作用
细胞内钙离子的浓度
钙离子在细胞内不同部位的浓度是由位于膜中的运输蛋白和离子通道控制
低浓度控制机制
在正常情况下，膜对钙离子是高度不通透的
质膜和ER的膜中含有能够将钙离子从胞质溶胶中泵出到细胞外或泵进ER腔的运输泵
钙离子通过膜通道扩散，使膜外的钙离子快速进入细胞，使胞质溶胶中钙离子浓度迅速升高
在静息状态下，植物细胞主要是通过质膜和液泡膜中的钙离子运输泵维持胞质溶液中的低钙离子浓度
IP3/DAG/钙离子信号的终止
DAG信号的解除
被DAG磷酸激酶磷酸化，生成磷脂酸（PA）,随后PA被CTP磷酸化为CMP-磷脂酸，再与肌醇作用合成磷脂酰肌醇（PI）
DAG被DAG脂酶水解生成单脂酰甘油，再进一步水解成游离的不饱和脂肪酸和花生四烯酸甘油，花生四烯酸甘油再被氧化成许多生物活性代谢物，
IP3信号的解除
IP3被水解，IP3在5’-磷酸酶的作用下，水解为I(1,4)P2,并且进一步水解成肌醇
在胞浆的肌醇磷酸脂3-激酶的作用下，IP3被ATP磷酸化生成肌醇1，3，4，5-四磷酸，然后被水解成无活性的肌醇1，3，4-三磷酸，从而解除IP3的作用
钙离子信号的解除
降低胞质溶胶中钙离子沉淀
酶联受体信号转导
鸟苷酸环化酶受体与第二信使cGMP
特点
受体本身就是鸟苷酸环化酶，其细胞外部分有与信号分子结合的位点，细胞内部分有一个鸟苷酸环化酶的催化结构域，可催化GTP生成cGMP。而cGMP可激活cGMP依赖性蛋白激酶G,被激活的蛋白激酶G可使特定蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，从而引起细胞反应
受体的结构
配体结合结构域
不同的受体可结合不同的第一信使激素，按其与配体结合的特性可分为GC-A(结合的是心钠肽),GC-B（(结合的是脑钠肽)）,GC-C（(结合的是细菌热稳定肠毒素)）
蛋白激酶样结构域
定位于质膜与GC催化区之间，所有的膜结合型GC都含有一个与蛋白激酶高度同源性的蛋白激酶样结构域，它与酪氨酸蛋白激酶的相关性比丝氨酸蛋白激酶更密切
催化结构域
催化cGMP生成的部位，定位在细胞质部分的羧基端
cGMP介导的信号转导
心房钠尿肽（ANF）类激素的信号是通过鸟苷酸环化酶受体与第二信使cGMP进行信号转导。ANF激素刺激肾分泌钠离子和水并诱导血管壁中的平滑肌细胞松弛，这两种效应都会减低血压，分别通过肾细胞和血管壁平滑肌细胞中的ANF受体介导
ANF受体是一种单次跨膜蛋白，细胞外结构域有ANF结合位点，细胞内结构域有鸟苷酸环化酶催化微店，ANF的结合会激活鸟苷酸环化酶产生第二信使cGMP,cGMP同蛋白激酶G结合并使之活化，被激活的蛋白激酶G能够使一些靶蛋白磷酸化，引起血压升高
受体酪氨酸激酶(RKT)/Ras途径
组成部分
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PTK活性的细胞内结构域
胰岛素受体信号转导途径
受体结构与激活
一个四聚体，由两个α亚基和两个β亚基通过二硫键连接。两个α亚基位于细胞质膜的外侧，其上由=有胰岛素的结合位点你，两个β亚基为跨膜蛋白，起信号转导作用
激活后可催化两个反应
使四聚体复合物的另一个β亚基中特异位点的酪氨酸残基磷酸化（自磷酸化）
使胰岛素受体底物（IRS）上具有重要作用的十几个酪氨酸残基磷酸化，磷酸化的IRS能够结合并激活下游效应物
SH结构域
Src结构域，能够与受体酪氨酸激酶磷酸化残基紧紧结合，形成多蛋白的复合物进行信号转导
信号转导机制
胰岛素受体酪氨酸激酶作用的底物
IRS1，一种蛋白质，其上有多个可被受体激酶磷酸化的位点，磷酸化后可同多种效应物结合
Shc，一种连接蛋白，Shc的酪氨酸被磷酸化后能与Grb2结合，然后激活Ras，触发细胞的增殖
IRS2,IRS2的酪氨酸被磷酸化后能够同磷脂酰肌醇-3-激酶结合，将该酶激活，并影响磷脂的代谢
机制
受体酪氨酸激酶信号转导途径对信号的转导是通过磷酸化的酪氨酸与SH2或SH3的相互作用与结合实现的
胰岛素样生长因子信号
胰岛素样生长因子1
胰岛素样生长因子2
表皮生长因子EGF受体信号转导途径
受体结构
细胞外结构域约有621个氨基酸残基，富含半胱氨酸（51个）并形成多对二硫键，其上结合有糖基，是EGF结合的位点
跨膜区由23个氨基酸残基团组成
细胞质结构域由542个氨基酸残基组成，含有无活性的酪氨酸激酶和几个酪氨酸磷酸化的位点
受体激活
当EGF同受体细胞外结构域结合位点结合后，受体被激活导致两个EGF受体单体形成二聚体，激活细胞质部分的酪氨酸激酶，使酪氨酸自我磷酸化
级联反应
在多数情况下，EGF受体被磷酸化的酪氨酸位点同靶蛋白的SH2结构域相互作用，将靶蛋白激活，引起细胞应答
Ras蛋白的激活与信号转导
转导过程
细胞外信号→受体→Ras→Raf1→MEK→MAPK→转录因子→激活靶基因→细胞应答
Ras活性控制
鸟苷交换因子（GEF）促进GDP从Ras蛋白上释放，取而代之的是GTP,从而将Ras激活
GTP酶激活蛋白（GAP）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
两个重要蛋白
Grb2蛋白
生长因子受体 结合蛋白2，Ash蛋白，参与细胞内各种受体激活后的下游调节，能够直接与激活的表皮生长因子受体磷酸化的酪氨酸结合，参与EGF受体介导的信号转导，也能通过与Shc磷酸化的酪氨酸结合间接参与由胰岛素受体介导的信号转导
Sos蛋白
促进Ras释放GDP,结合GTP,使Ras蛋白由非活性状态转变为活性状态
其他信号转导途径
NO的细胞信使作用
NO合酶是一种钙离子/钙调蛋白敏感性的酶，钙离子/钙调蛋白和NO合酶的结合可激活NO合酶的活性
NO的信使作用是通过对可溶性GC的激活，进而产生cGMP进行转导
整联蛋白介导的信号转导
通过黏着斑由整联蛋白介导
通过整联蛋白与细胞外基质间的相互作用形成的黏着斑不仅具有细胞的机械连接作用，同时具有信号转导作用
两个通路
启动基因的表达
促进某些蛋白质的合成
由黏着斑介导的信号转导不仅会启动基因的表达，也会影响细胞质的代谢和蛋白质合成
整联蛋白介导黏着斑装配的信号转导
信号的整合和终止
信号转导途径的趋同
不同的信号分子分别作用与不同的受体，但是最终的效应物相同
信号趋异
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
信号转导途径间的串话
不同的信号转导途径间的相互影响
信号终止
信号分子水解
终止信号的最佳方式
受体钝化
受体减量调节
内吞是使细胞质膜上受体减少的有效方法，细胞因此减低对信号分子的敏感性
磷酸酶在细胞信号解除中的作用
浮动主题
