生物化學與分子生物學/細胞信號轉導概述

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細胞信號轉導的分子機制 - 細胞信號轉導概述 - 細胞內信號轉導分子 - 細胞受體介導的細胞內信號轉導 - 細胞信號轉導的基本規律 - 細胞信號轉導異常與疾病
細胞信號轉導是通過多種分子相互作用的一系列有序反應,將來自細胞外的信息傳遞到細胞內各種效應分子的過程。 通過這一過程,細胞可接收細胞間的接觸刺激信號、或所處微環境中的各種化學和物理信號,並將其轉變為細胞內各種分子數量、分布或活性的變化,從而改變細胞內的某些代謝過程,或改變生長速度,或改變細胞遷移等生物學行為。 在某些情況下,細胞可在外來信號的誘導下進入程序化死亡過程(凋亡)。

細胞外化學信號有可溶性和膜結合性兩種形式[編輯]

細胞可以感受物理信號,但體內細胞所感受的外源信號主要是化學信號。化學信號通訊的建立是生物為適應環境而不斷變異、進化的結果。 單細胞生物可直接從外界環境接收信息;而多細胞生物中的單個細胞則主要接收來自其他細胞的信號,或所處微環境的信息。最原始的通訊方式是細胞與 細胞間通過孔道進行的直接物質交換,或者是通過細胞表面分子相互作用實現信息交流,這種調節方式至今仍然是高等動物細胞分化、個體發育及實現整體功能協調、適應的重要方式之一。但是,相距較遠細胞之間的功能協調必須有可以遠距離發揮作用的信號。

可溶性信號分子作為游離分子在細胞間傳遞[編輯]

多細胞生物中,細胞可通過分泌化學物質(如蛋白質或小分子有機化合物)而發出信號,這些分 子作用於靶細胞表面或細胞內的受體,調節靶細胞的功能,從而實現細胞之間的信息交流。 可溶性信 號分子可根據其溶解特性分為脂溶性化學信號和水溶性化學信號兩大類;而根據其在體內的作用距離,則可分為內分泌信號、旁分泌信號和神經遞質三大類。有些旁分泌信號還作用於發出 信號的細胞自身,稱為自分泌。

膜結合性信號分子需要細胞間接觸才能傳遞信號[編輯]

每個細胞的質膜外表面都有眾多的蛋白質、糖蛋白、蛋白聚糖分子。相鄰細胞可通過膜表面分子 的特異性識別和相互作用而傳遞信號。 當細胞通過膜表面分子發出信號時,相應的分子即為膜結合 性信號分子,而在靶細胞表面存在與之特異性結合的分子,通過這種分子間的相互作用而接收信號,並將信號傳入靶細胞內。 這種細胞通訊方式稱為膜表面分子接觸通訊。屬於這一類通訊的有相鄰細胞間黏附因子的相互作用、T淋巴細胞與B淋巴細胞表面分子的相互作用等。

細胞經由特異性受體接收細胞外信號[編輯]

細胞接收信號時,是通過受體(receptor) 將信號導入細胞內。 受體通常是細胞膜上或細胞內能特異識別生物活性分子並與之結合,進而引起生物學效應的特殊蛋白質,個別糖脂也具有受體作用。能夠與受體特異性結合的分子稱為配體(ligand)。可溶性和膜結合性信號分子都是常見的配體。

受體有細胞內受體和膜受體兩種類型[編輯]

按照其在細胞內的位置,受體分為細胞內受體和細胞表面受體。細胞內受體包括位於細胞質或胞核內的受體,其相應配體是脂溶性信號分子,如類固醇激素、甲狀腺激素、維甲酸等。水溶性信號分子和膜結合性信號分子(如生長因子、細胞因子、水溶性激素分子、黏附分子等)不能進入靶細胞,其受體位於靶細胞的細胞質膜表面。

受體結合配體並轉換信號[編輯]

受體識別並與配體結合,是細胞接收外源信號的第一步反應。受體有兩個方面的作用:一是識別外源信號分子並與之結合;二是轉換配體信號,使之成為細胞內分子可識別的信號,並傳遞至其他分子引起細胞應答。

  1. 細胞內受體能夠直接傳遞信號或通過特定的途徑傳遞信號 有許多細胞內受體是基因表達的調控蛋白,與進入細胞的信號分子結合後,可以直接傳遞信號,即直接調控基因表達。另有一些細胞內受體可以結合細胞內產生的信號分子(如細胞應激反應中產生的細胞內信號分子),直接激活效應分子或通過一定的信號轉導途徑激活效應分子。
  2. 膜受體識別細胞外信號分子並轉換信號 膜受體識別並結合細胞外信號分子,將細胞外信號轉換成為能夠被細胞內分子識別的信號通過信號轉導途徑將信號傳遞至效應分子,引起細胞的應答。

受體與配體的相互作用具有共同的特點[編輯]

受體在膜表面和細胞內的分布可以是區域性的,也可以是散在的,其作用都是識別和接收外源信號。受體與配體的相互作用有以下特點:

  1. 高度專一性 受體選擇性地與特定配體結合,這種選擇性是由分子的空間構象所決定的。受體與配體的特異性識別和結合保證了調控的準確性。
  2. 高度親和力 體內化學信號的濃度非常低,受體與信號分子的高親和力保證了很低濃度的信號分子也可充分起到調控作用。
  3. 可飽和性 細胞內受體和細胞表面受體的數目都是有限的。增加配體濃度,可使受體與配體的結合達到飽和。當受體全部被配體佔據時,再提高配體濃度不會增強效應。
  4. 可逆性 受體與配體以非共價鍵結合,當生物效應發生後,配體即與受體解離。 受體可恢復到原來的狀態再次接收配體信息。
  5. 特定的作用模式 受體的分布和含量具有組織和細胞特異性,並呈現特定的作用模式,受體與配體結合後可引起某種特定的生理效應。

細胞內多條信號轉導途徑形成信號轉導網絡[編輯]

細胞內多種信號轉導分子,依次相互識別、相互作用,有序地轉換和傳遞信號。由一組特定信號轉導分子形成的有序化學變化並導致細胞行為發生改變的過程稱為信號轉導途徑(signal transduction pathway)。 一條途徑中的信號轉導分子可以與其他途徑中的信號轉導分子間相互作用,不同的信號轉導途徑之間具有廣泛的交聯互動 (cross-talking), 形成複雜的信號轉導網絡 (signal transduction network)。信號轉導途徑和網絡的形成是動態過程,隨着信號的種類和強度的變化而不斷變化。
在高等動物體內,細胞外信號分子的作用都具有網絡調節特點。如一種細胞因子或激素的作用會受到其他細胞因子或激素的影響,發出信號的細胞又受到其他細胞信號的調節。細胞外信號分子的產生及其調控在另一個層次上形成複雜的網絡系統。網絡調節使得機體內的細胞因子或激素的作用都具有一定程度的冗餘和代償性,單一缺陷不會導致對機體的嚴重損害。一些特殊的細胞內事件也可以在細胞內啟動信號轉導途徑。如DNA損傷、活性氧(ROS)、低氧狀態等,可通過激活特定的分子而啟動信號轉導。這些途徑可以與細胞外信號分子共用部分轉導途徑、共用一些信號分子,也可以是一些特殊的途徑(如凋亡信號轉導途徑)。