第八章細(xì)胞通信《細(xì)胞生物學(xué)》

1、第八章 細(xì)胞通信生命與非生命物質(zhì)最顯著的區(qū)別在于生命是一個(gè)完整的自然的信息處理系統(tǒng)。一方面生物信息系統(tǒng)的存在使有機(jī)體得以適應(yīng)其內(nèi)外部環(huán)境的變化，維持個(gè)體的生存；另一方面信息物質(zhì)如核酸和蛋白質(zhì)信息在不同世代間傳遞維持了種族的延續(xù)。生命現(xiàn)象是信息在同一或不同時(shí)空傳遞的現(xiàn)象，生命的進(jìn)化實(shí)質(zhì)上就是信息系統(tǒng)的進(jìn)化。單細(xì)胞生物通過(guò)反饋調(diào)節(jié)，適應(yīng)環(huán)境的變化。多細(xì)胞生物則是由各種細(xì)胞組成的細(xì)胞社會(huì)，除了反饋調(diào)節(jié)外，更有賴于細(xì)胞間的通訊與信號(hào)傳導(dǎo)，以協(xié)調(diào)不同細(xì)胞的行為，如：調(diào)節(jié)代謝，通過(guò)對(duì)代謝相關(guān)酶活性的調(diào)節(jié)，控制細(xì)胞的物質(zhì)和能量代謝；實(shí)現(xiàn)細(xì)胞功能，如肌肉的收縮和舒張，腺體分泌物的釋放； 調(diào)節(jié)細(xì)胞周期，使DNA

2、復(fù)制相關(guān)的基因表達(dá)，細(xì)胞進(jìn)入分裂和增殖階段； 控制細(xì)胞分化，使基因有選擇性地表達(dá)，細(xì)胞不可逆地分化為有特定功能的成熟細(xì)胞； 影響細(xì)胞的存活(圖8-1)。第一節(jié) 基本概念一、幾個(gè)容易混淆的概念近年來(lái)，由于細(xì)胞通信在醫(yī)學(xué)尤其是揭示癌癥方面的重要性，使這一領(lǐng)域的研究十分活躍，文獻(xiàn)和著作非常的多，不同的作者往往使用不同的名詞來(lái)描述細(xì)胞的信息傳遞現(xiàn)象，雖然這些名詞很相近，但是其內(nèi)涵和外延不盡相同，現(xiàn)解釋如下：細(xì)胞信號(hào)發(fā)放（cell signaling）1，細(xì)胞釋放信號(hào)分子，將信息傳遞給其它細(xì)胞。細(xì)胞通訊（cell communication）2指一個(gè)細(xì)胞發(fā)出的信息通過(guò)介質(zhì)傳遞到另一個(gè)細(xì)胞產(chǎn)生相應(yīng)反應(yīng)的過(guò)

3、程。細(xì)胞識(shí)別（cell recognition）3指細(xì)胞與細(xì)胞之間通過(guò)細(xì)胞表面的信息分子相互作用，從而引起細(xì)胞反應(yīng)的現(xiàn)象信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)（signal transduction）4 指外界信號(hào)（如光、電、化學(xué)分子）與細(xì)胞細(xì)胞表面受體作用，通過(guò)影響細(xì)胞內(nèi)信使的水平變化，進(jìn)而引起細(xì)胞應(yīng)答反應(yīng)的一系列過(guò)程。二、細(xì)胞信號(hào)分子生物細(xì)胞所接受的信號(hào)既可以使物理信號(hào)（光、熱、電流），也可以是化學(xué)信號(hào)，但是在有機(jī)體間和細(xì)胞間的通訊中最廣泛的信號(hào)是化學(xué)信號(hào)。從化學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)看細(xì)胞信號(hào)分子包括：短肽、蛋白質(zhì)、氣體分子（NO、CO）以及氨基酸、核苷酸、脂類和膽固醇衍生物等等，其共同特點(diǎn)是：特異性，只能與特定的受體結(jié)合；高效性，

4、幾個(gè)分子即可發(fā)生明顯的生物學(xué)效應(yīng)，這一特性有賴于細(xì)胞的信號(hào)逐級(jí)放大系統(tǒng)；可被滅活，完成信息傳遞后可被降解或修飾而失去活性，保證信息傳遞的完整性和細(xì)胞免于疲勞。從產(chǎn)生和作用方式來(lái)看可分為內(nèi)分泌激素、神經(jīng)遞質(zhì)、局部化學(xué)介導(dǎo)因子和氣體分子等四類。從溶解性來(lái)看又可分為脂溶性和水溶性兩類。脂溶性信號(hào)分子，如甾類激素和甲狀腺素，可直接穿膜進(jìn)入靶細(xì)胞，與胞內(nèi)受體結(jié)合形成激素-受體復(fù)合物，調(diào)節(jié)基因表達(dá)。水溶性信號(hào)分子，如神經(jīng)遞質(zhì)、細(xì)胞因子和水溶性激素，不能穿過(guò)靶細(xì)胞膜，只能與膜受體結(jié)合，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)制，通過(guò)胞內(nèi)信使（如cAMP）或激活膜受體的激酶活性（如受體酪氨酸激酶），引起細(xì)胞的應(yīng)答反應(yīng)。所以這類信號(hào)分子又

5、稱為第一信使（primary messenger），而cAMP這樣的胞內(nèi)信號(hào)分子被稱為第二信使（secondary messenger）。目前公認(rèn)的第二信使有cAMP、cGMP、三磷酸肌醇（IP3）和二?；视停―G），Ca2+被稱為第三信使是因?yàn)槠溽尫庞匈囉诘诙攀埂５诙攀沟淖饔檬菍?duì)胞外信號(hào)起轉(zhuǎn)換和放大的作用。三、受體受體（receptor）是一種能夠識(shí)別和選擇性結(jié)合某種配體（信號(hào)分子）的大分子物質(zhì)，多為糖蛋白，一般至少包括兩個(gè)功能區(qū)域，與配體結(jié)合的區(qū)域和產(chǎn)生效應(yīng)的區(qū)域，當(dāng)受體與配體結(jié)合后，構(gòu)象改變而產(chǎn)生活性，啟動(dòng)一系列過(guò)程，最終表現(xiàn)為生物學(xué)效應(yīng)。受體與配體間的作用具有三個(gè)主要特征：特異性

6、；飽和性；高度的親和力。根據(jù)靶細(xì)胞上受體存在的部位，可將受體分為細(xì)胞內(nèi)受體（intracellular receptor）和細(xì)胞表面受體（cell surface receptor，圖8-2）。細(xì)胞內(nèi)受體介導(dǎo)親脂性信號(hào)分子的信息傳遞，如胞內(nèi)的甾體類激素受體。細(xì)胞表面受體介導(dǎo)親水性信號(hào)分子的信息傳遞，可分為：離子通道型受體、G蛋白耦聯(lián)型受體和酶耦聯(lián)型受體。每一種細(xì)胞都有其獨(dú)特的受體和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，細(xì)胞對(duì)信號(hào)的反應(yīng)不僅取決于其受體的特異性，而且與細(xì)胞的固有特征有關(guān)。有時(shí)相同的信號(hào)可產(chǎn)生不同的效應(yīng)，如Ach可引起骨骼肌收縮、降低心肌收縮頻率，引起唾腺細(xì)胞分泌。有時(shí)不同信號(hào)產(chǎn)生相同的效應(yīng)，如腎上腺素、

7、胰高血糖素，都能促進(jìn)肝糖原降解而升高血糖。細(xì)胞持續(xù)處于信號(hào)分子刺激下的時(shí)候，細(xì)胞通過(guò)多種途徑使受體鈍化，產(chǎn)生適應(yīng)。如：修飾或改變受體，如磷酸化，使受體與下游蛋白隔離，即受體失活(receptor inactivation)。暫時(shí)將受體移到細(xì)胞內(nèi)部，即受體隱蔽（receptor sequestration）通過(guò)內(nèi)吞作用，將受體轉(zhuǎn)移到溶酶體中降解，即受體下行調(diào)節(jié)（receptor down-regulation）四、蛋白激酶蛋白激酶是一類磷酸轉(zhuǎn)移酶，其作用是將 ATP 的 磷酸基轉(zhuǎn)移到底物特定的氨基酸殘基上，使蛋白質(zhì)磷酸化，可分為5類（表8-1）。蛋白激酶在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中主要作用有兩個(gè)方面：其一是通過(guò)

8、磷酸化調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的活性，磷酸化和去磷酸化是絕大多數(shù)信號(hào)通路組分可逆激活的共同機(jī)制，有些蛋白質(zhì)在磷酸化后具有活性，有些則在去磷酸化后具有活性；其二是通過(guò)蛋白質(zhì)的逐級(jí)磷酸化，使信號(hào)逐級(jí)放大，引起細(xì)胞反應(yīng)。表8-1 蛋白激酶的種類激酶磷酸基團(tuán)受體蛋白絲氨酸蘇氨酸激酶絲氨酸蘇氨酸羥基蛋白酪氨酸激酶酪氨酸的酚羥基蛋白組賴精氨酸激酶咪唑環(huán)，胍基，氨基蛋白半胱氨酸激酶巰基蛋白天冬氨酸谷氨酸激酶?；?、胞間通信的主要類型細(xì)胞通訊主要有以下三種方式。（一）、細(xì)胞間隙連接（gap junction）是細(xì)胞間的直接通訊方式（圖8-3）。兩個(gè)相鄰的細(xì)胞以連接子（connexon）相聯(lián)系。連接子中央為直徑1.5nm的親

9、水性孔道。允許小分子物質(zhì)如Ca2+、cAMP通過(guò)，有助于相鄰?fù)图?xì)胞對(duì)外界信號(hào)的協(xié)同反應(yīng)，如可興奮細(xì)胞的電耦聯(lián)現(xiàn)象。（二）、膜表面分子接觸通訊是指細(xì)胞通過(guò)其表面信號(hào)分子（受體）與另一細(xì)胞表面的信號(hào)分子（配體）選擇性地相互作用，最終產(chǎn)生細(xì)胞應(yīng)答的過(guò)程，即細(xì)胞識(shí)別（cell recognition，圖8-4）?？煞譃椋和N同類細(xì)胞間的識(shí)別，如胚胎分化過(guò)程中神經(jīng)細(xì)胞對(duì)周圍細(xì)胞的識(shí)別，輸血和植皮引起的反應(yīng)可以看作同種同類不同來(lái)源細(xì)胞間的識(shí)別；同種異類細(xì)胞間的識(shí)別，如精子和卵子之間的識(shí)別，T與B淋巴細(xì)胞間的識(shí)別；異種異類細(xì)胞間的識(shí)別，如病原體對(duì)宿主細(xì)胞的識(shí)別，異種同類細(xì)胞間的識(shí)別，僅見(jiàn)于實(shí)驗(yàn)條件下。三）

10、、化學(xué)通訊化學(xué)通訊是間接的細(xì)胞通訊（圖8-5），指細(xì)胞分泌一些化學(xué)物質(zhì)（如激素）至細(xì)胞外，作為信號(hào)分子作用于靶細(xì)胞，調(diào)節(jié)其功能。根據(jù)化學(xué)信號(hào)分子可以作用的距離范圍，可分為以下4類（圖8-6）：1.        內(nèi)分泌（endocrine）：內(nèi)分泌細(xì)胞分泌的激素隨血液循環(huán)輸至全身，作用于靶細(xì)胞。其特點(diǎn)是：低濃度，僅為10-8-10-12M；全身性，隨血液流經(jīng)全身，但只能與特定的受體結(jié)合而發(fā)揮作用；長(zhǎng)時(shí)效，激素產(chǎn)生后經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的運(yùn)送過(guò)程才起作用，而且血流中微量的激素就足以維持長(zhǎng)久的作用。2.   &

11、#160;    旁分泌（paracrine）：細(xì)胞分泌的信號(hào)分子通過(guò)擴(kuò)散作用于鄰近的細(xì)胞。包括：各類細(xì)胞因子；氣體信號(hào)分子（如：NO）3.        突觸信號(hào)發(fā)放：神經(jīng)遞質(zhì)（如乙酰膽堿）由突觸前膜釋放，經(jīng)突觸間隙擴(kuò)散到突觸后膜，作用于特定的靶細(xì)胞。4.        自分泌（autocrine）：與上述三類不同的是，信號(hào)發(fā)放細(xì)胞和靶細(xì)胞為同類或同一細(xì)胞，常見(jiàn)于癌變細(xì)胞。如：大腸癌細(xì)胞可自分泌產(chǎn)生胃泌素，介導(dǎo)調(diào)節(jié)c-myc

12、、c-fos和ras p21等癌基因表達(dá)，從而促進(jìn)癌細(xì)胞的增殖。第二節(jié)  膜表面受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)親水性化學(xué)信號(hào)分子（包括神經(jīng)遞質(zhì)、蛋白激素、生長(zhǎng)因子等）不能直接進(jìn)入細(xì)胞，只能通過(guò)膜表面的特異受體傳遞信號(hào)，使靶細(xì)胞產(chǎn)生效應(yīng)。膜表面受體主要有三類（圖8-7）：離子通道型受體（ion-channel-linked receptor）；G蛋白耦聯(lián)型受體（G-protein-linked receptor）；酶耦聯(lián)的受體（enzyme-linked receptor）。第一類存在于可興奮細(xì)胞。后兩類存在于大多數(shù)細(xì)胞，在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的早期表現(xiàn)為激酶級(jí)聯(lián)（kinase cascade）事件，即為一系

13、列蛋白質(zhì)的逐級(jí)磷酸化，籍此使信號(hào)逐級(jí)傳送和放大。一、離子通道型受體離子通道型受體（圖8-8）是一類自身為離子通道的受體，即配體門通道（ligand-gated channel）。主要存在于神經(jīng)、肌肉等可興奮細(xì)胞，其信號(hào)分子為神經(jīng)遞質(zhì)。神經(jīng)遞質(zhì)通過(guò)與受體的結(jié)合而改變通道蛋白的構(gòu)象，導(dǎo)致離子通道的開(kāi)啟或關(guān)閉，改變質(zhì)膜的離子通透性，在瞬間將胞外化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，繼而改變突觸后細(xì)胞的興奮性。如：乙酰膽堿受體（圖8-9、10）以三種構(gòu)象存在，兩分子乙酰膽堿的結(jié)合可以使之處于通道開(kāi)放構(gòu)象，但該受體處于通道開(kāi)放構(gòu)象狀態(tài)的時(shí)限仍十分短暫，在幾十毫微秒內(nèi)又回到關(guān)閉狀態(tài)。然后乙酰膽堿與之解離，受體則恢復(fù)到初始

14、狀態(tài)，做好重新接受配體的準(zhǔn)備。離子通道型受體分為陽(yáng)離子通道，如乙酰膽堿、谷氨酸和五羥色胺的受體，和陰離子通道，如甘氨酸和氨基丁酸的受體。二、G蛋白耦聯(lián)型受體三聚體GTP結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白（trimeric GTP-binding regulatory protein）簡(jiǎn)稱G蛋白，位于質(zhì)膜胞質(zhì)側(cè)，由、三個(gè)亞基組成， 和亞基通過(guò)共價(jià)結(jié)合的脂肪酸鏈尾結(jié)合在膜上，G蛋白在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中起著分子開(kāi)關(guān)的作用（圖8-12），當(dāng)亞基與GDP結(jié)合時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，與GTP結(jié)合時(shí)處于開(kāi)啟狀態(tài)，亞基具有GTP酶活性，能催化所結(jié)合的ATP水解，恢復(fù)無(wú)活性的三聚體狀態(tài)，其GTP酶的活性能被RGS（regulator of G

15、protein signaling）增強(qiáng)。RGS也屬于GAP（GTPase activating protein）。G蛋白耦聯(lián)型受體為7次跨膜蛋白（圖8-13），受體胞外結(jié)構(gòu)域識(shí)別胞外信號(hào)分子并與之結(jié)合，胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域與G蛋白耦聯(lián)。通過(guò)與G蛋白耦聯(lián)，調(diào)節(jié)相關(guān)酶活性，在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生第二信使，從而將胞外信號(hào)跨膜傳遞到胞內(nèi)。G蛋白耦聯(lián)型受體包括多種神經(jīng)遞質(zhì)、肽類激素和趨化因子的受體，在味覺(jué)、視覺(jué)和嗅覺(jué)中接受外源理化因素的受體亦屬G蛋白耦聯(lián)型受體。由G蛋白耦聯(lián)受體所介導(dǎo)的細(xì)胞信號(hào)通路主要包括：cAMP信號(hào)通路和磷脂酰肌醇信號(hào)通路。（一）cAMP信號(hào)途徑在cAMP信號(hào)途徑中，細(xì)胞外信號(hào)與相應(yīng)受體結(jié)合，調(diào)節(jié)腺苷

16、酸環(huán)化酶活性，通過(guò)第二信使cAMP水平的變化，將細(xì)胞外信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞內(nèi)信號(hào)。1、cAMP信號(hào)的組分.    激活型激素受體（Rs）或抑制型激素受體（Ri）；.    活化型調(diào)節(jié)蛋白（Gs）或抑制型調(diào)節(jié)蛋白（Gi）；.    腺苷酸環(huán)化酶（Adenylyl cyclase）：是相對(duì)分子量為150KD的糖蛋白，跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，腺苷酸環(huán)化酶催化ATP生成cAMP（圖8-14）。.    蛋白激酶A（Protein Kinase A，PKA）：由兩個(gè)催化亞基

17、和兩個(gè)調(diào)節(jié)亞基組成（圖8-15），在沒(méi)有cAMP時(shí)，以鈍化復(fù)合體形式存在。cAMP與調(diào)節(jié)亞基結(jié)合，改變調(diào)節(jié)亞基構(gòu)象，使調(diào)節(jié)亞基和催化亞基解離，釋放出催化亞基?；罨牡鞍准っ窤催化亞基可使細(xì)胞內(nèi)某些蛋白的絲氨酸或蘇氨酸殘基磷酸化，于是改變這些蛋白的活性，進(jìn)一步影響到相關(guān)基因的表達(dá)。.    環(huán)腺苷酸磷酸二酯酶（cAMP phosphodiesterase）：可降解cAMP生成5-AMP，起終止信號(hào)的作用（圖8-16）。2、Gs調(diào)節(jié)模型當(dāng)細(xì)胞沒(méi)有受到激素刺激，Gs處于非活化態(tài)，亞基與GDP結(jié)合，此時(shí)腺苷酸環(huán)化酶沒(méi)有活性；當(dāng)激素配體與Rs結(jié)合后，導(dǎo)致Rs構(gòu)象改變，暴露出

18、與Gs結(jié)合的位點(diǎn)，使激素-受體復(fù)合物與Gs結(jié)合，Gs的亞基構(gòu)象改變，從而排斥GDP，結(jié)合GTP而活化，使三聚體Gs蛋白解離出亞基和基復(fù)合物，并暴露出亞基與腺苷酸環(huán)化酶的結(jié)合位點(diǎn)；結(jié)合GTP的亞基與腺苷酸環(huán)化酶結(jié)合，使之活化，并將ATP轉(zhuǎn)化為cAMP。隨著GTP的水解亞基恢復(fù)原來(lái)的構(gòu)象并導(dǎo)致與腺苷酸環(huán)化酶解離，終止腺苷酸環(huán)化酶的活化作用。亞基與亞基重新結(jié)合，使細(xì)胞回復(fù)到靜止?fàn)顟B(tài)?；罨膩喕鶑?fù)合物也可直接激活胞內(nèi)靶分子，具有傳遞信號(hào)的功能，如心肌細(xì)胞中G蛋白耦聯(lián)受體在結(jié)合乙酰膽堿刺激下，活化的亞基復(fù)合物能開(kāi)啟質(zhì)膜上的K+通道，改變心肌細(xì)胞的膜電位。此外亞基復(fù)合物也能與膜上的效應(yīng)酶結(jié)合，對(duì)結(jié)合GTP

19、的亞基起協(xié)同或拮抗作用?；魜y毒素能催化ADP核糖基共價(jià)結(jié)合到Gs的亞基上，致使亞基喪失GTP酶的活性，結(jié)果GTP永久結(jié)合在Gs的亞基上，使亞基處于持續(xù)活化狀態(tài)，腺苷酸環(huán)化酶永久性活化。導(dǎo)致霍亂病患者細(xì)胞內(nèi)Na+和水持續(xù)外流，產(chǎn)生嚴(yán)重腹瀉而脫水。該信號(hào)途徑涉及的反應(yīng)鏈可表示為：激素G蛋白耦聯(lián)受體G蛋白腺苷酸環(huán)化酶cAMP依賴cAMP的蛋白激酶A基因調(diào)控蛋白基因轉(zhuǎn)錄（圖8-17）。不同細(xì)胞對(duì)cAMP信號(hào)途徑的反應(yīng)速度不同，在肌肉細(xì)胞1秒鐘之內(nèi)可啟動(dòng)糖原降解為葡糖1-磷酸（圖8-18），而抑制糖原的合成。在某些分泌細(xì)胞，需要幾個(gè)小時(shí)，激活的PKA 進(jìn)入細(xì)胞核，將CRE結(jié)合蛋白磷酸化，調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表

20、達(dá)。CRE（cAMP response element ）是DNA上的調(diào)節(jié)區(qū)域（圖8-19）。3、Gi調(diào)節(jié)模型Gi對(duì)腺苷酸環(huán)化酶的抑制作用可通過(guò)兩個(gè)途徑：通過(guò)亞基與腺苷酸環(huán)化酶結(jié)合，直接抑制酶的活性；通過(guò)亞基復(fù)合物與游離Gs的亞基結(jié)合，阻斷Gs的亞基對(duì)腺苷酸環(huán)化酶的活化（圖8-20）。百日咳毒素催化Gi的亞基ADP-核糖基化，結(jié)果降低了GTP與Gi的亞基結(jié)合的水平，使Gi的亞基不能活化，從而阻斷了Ri受體對(duì)腺苷酸環(huán)化酶的抑制作用，但尚不能解釋百日咳癥狀與這種作用機(jī)理有關(guān)。（二）磷脂酰肌醇途徑在磷脂酰肌醇信號(hào)通路中胞外信號(hào)分子與細(xì)胞表面G蛋白耦聯(lián)型受體結(jié)合，激活質(zhì)膜上的磷脂酶C（PLC-），使質(zhì)

21、膜上4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和二?；视停―G）兩個(gè)第二信使，胞外信號(hào)轉(zhuǎn)換為胞內(nèi)信號(hào)（圖8-21），這一信號(hào)系統(tǒng)又稱為“雙信使系統(tǒng)”（double messenger system）。IP3與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的IP3配體門鈣通道結(jié)合，開(kāi)啟鈣通道，使胞內(nèi)Ca2+濃度升高。激活各類依賴鈣離子的蛋白。用Ca2+載體離子霉素（ionomycin）處理細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生類似的結(jié)果（圖8-22）。DG結(jié)合于質(zhì)膜上，可活化與質(zhì)膜結(jié)合的蛋白激酶C（Protein Kinase C，PKC）。PKC以非活性形式分布于細(xì)胞溶質(zhì)中，當(dāng)細(xì)胞接受刺激，產(chǎn)生IP3，使Ca2+濃度升高，P

22、KC便轉(zhuǎn)位到質(zhì)膜內(nèi)表面，被DG活化（圖8-22），PKC可以使蛋白質(zhì)的絲氨酸/蘇氨酸殘基磷酸化是不同的細(xì)胞產(chǎn)生不同的反應(yīng)，如細(xì)胞分泌、肌肉收縮、細(xì)胞增殖和分化等。DG的作用可用佛波醇酯（phorbol ester）模擬。Ca2+活化各種Ca2+結(jié)合蛋白引起細(xì)胞反應(yīng)，鈣調(diào)素（calmodulin，CaM）由單一肽鏈構(gòu)成，具有四個(gè)鈣離子結(jié)合部位。結(jié)合鈣離子發(fā)生構(gòu)象改變，可激活鈣調(diào)素依賴性激酶（CaM-Kinase）。細(xì)胞對(duì)Ca2+的反應(yīng)取決于細(xì)胞內(nèi)鈣結(jié)合蛋白和鈣調(diào)素依賴性激酶的種類。如：在哺乳類腦神經(jīng)元突觸處鈣調(diào)素依賴性激酶十分豐富，與記憶形成有關(guān)。該蛋白發(fā)生點(diǎn)突變的小鼠表現(xiàn)出明顯的記憶無(wú)能。IP

23、3信號(hào)的終止是通過(guò)去磷酸化形成IP2，或被磷酸化形成IP4。Ca2+由質(zhì)膜上的Ca2+泵和Na+-Ca2+交換器將抽出細(xì)胞，或由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的鈣泵抽進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（圖8-23）。DG通過(guò)兩種途徑終止其信使作用：一是被DG-激酶磷酸化成為磷脂酸，進(jìn)入磷脂酰肌醇循環(huán)；二是被DG酯酶水解成單酯酰甘油。由于DG代謝周期很短，不可能長(zhǎng)期維持PKC活性，而細(xì)胞增殖或分化行為的變化又要求PKC長(zhǎng)期活性所產(chǎn)生的效應(yīng)?，F(xiàn)發(fā)現(xiàn)另一種DG生成途徑，即由磷脂酶催化質(zhì)膜上的磷脂酰膽堿斷裂產(chǎn)生的DG，用來(lái)維持PKC的長(zhǎng)期效應(yīng)。（三）其它G蛋白偶聯(lián)型受體1化學(xué)感受器中的G蛋白氣味分子與化學(xué)感受器中的G蛋白偶聯(lián)型受體結(jié)合，可激活腺苷

24、酸環(huán)化酶，產(chǎn)生cAMP，開(kāi)啟cAMP門控陽(yáng)離子通道（cAMP-gated cation channel），引起鈉離子內(nèi)流，膜去極化，產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)，最終形成嗅覺(jué)或味覺(jué)。2視覺(jué)感受器中的G蛋白黑暗條件下視桿細(xì)胞(或視錐細(xì)胞)中cGMP濃度較高，cGMP門控鈉離子通道開(kāi)放，鈉離子內(nèi)流，引起膜去極化，突觸持續(xù)向次級(jí)神經(jīng)元釋放遞質(zhì)。視紫紅質(zhì)（rhodopsin, Rh）為7次跨膜蛋白，含一個(gè)11順-視黃醛。是視覺(jué)感受器中的G蛋白偶聯(lián)型受體，光照使Rh視黃醛的構(gòu)象變?yōu)榉词?，Rh分解為視黃醛和視蛋白（opsin），構(gòu)象改變的視蛋白激活G蛋白（transducin, Gt），G蛋白激活cGMP磷酸二酯酶，將細(xì)

25、胞中的cGMP水解。從而關(guān)閉鈉通道，引起細(xì)胞超極化，產(chǎn)生視覺(jué)?？梢?jiàn)胞內(nèi)cGMP水平下降的負(fù)效應(yīng)信號(hào)起傳遞光刺激的作用（圖8-24）。視覺(jué)感受器的換能反映可表述為：光信號(hào)Rh激活Gt活化cGMP磷酸二酯酶激活胞內(nèi)cGMP減少Na+離子通道關(guān)閉離子濃度下降膜超極化神經(jīng)遞質(zhì)釋放減少視覺(jué)反應(yīng)。（四） 小G蛋白小G蛋白（Small G Protein）因分子量只有2030KD而得名，同樣具有GTP酶活性，在多種細(xì)胞反應(yīng)中具有開(kāi)關(guān)作用。第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的小G蛋白是Ras，它是ras基因5的產(chǎn)物。其它的還有Rho，SEC4，YPT1等，微管蛋白亞基也是一種小G蛋白。小G蛋白的共同特點(diǎn)是，當(dāng)結(jié)合了GTP時(shí)即成為活

26、化形式，這時(shí)可作用于下游分子使之活化，而當(dāng)GTP水解成為GDP時(shí)（自身為GTP酶）則回復(fù)到非活化狀態(tài)。這一點(diǎn)與G類似，但是小G蛋白的分子量明顯低于G。 在細(xì)胞中存在著一些專門控制小G蛋白活性的小G蛋白調(diào)節(jié)因子，有的可以增強(qiáng)小G蛋白的活性，如鳥(niǎo)苷酸交換因子（guanine nucleotide exchange factor, GEF）和鳥(niǎo)苷酸解離抑制因子（Guanine nucleotide dissociation Inhibitor, GDI），有的可以降低小G蛋白活性，如GTP酶活化蛋白（GTPase activating protein, GAP）。三、酶耦聯(lián)型受體酶偶聯(lián)型受體（enz

27、yme linked receptor）分為兩類，其一是本身具有激酶活性，如肽類生長(zhǎng)因子（EGF，PDGF，CSF等）受體；其二是本身沒(méi)有酶活性，但可以連接非受體酪氨酸激酶，如細(xì)胞因子受體超家族。這類受體的共同點(diǎn)是：通常為單次跨膜蛋白6；接受配體后發(fā)生二聚化而激活，起動(dòng)其下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。已知六類：受體酪氨酸激酶、酪氨酸激酶連接的受體、受體酪氨酸磷脂酶、受體絲氨酸/蘇氨酸激酶受體鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶、組氨酸激酶連接的受體（與細(xì)菌的趨化性有關(guān)）。（一）受體酪氨酸激酶1、酪氨酸激酶酪氨酸激酶可分為三類：受體酪氨酸激酶，為單次跨膜蛋白，在脊椎動(dòng)物中已發(fā)現(xiàn)50余種；胞質(zhì)酪氨酸激酶，如Src家族、Tec家族、ZAP

28、70、家族、JAK家族等；核內(nèi)酪氨酸激酶如Abl和Wee。受體酪氨酸激酶（receptor protein tyrosine kinases，RPTKs）的胞外區(qū)是結(jié)合配體結(jié)構(gòu)域，配體是可溶性或膜結(jié)合的多肽或蛋白類激素，包括胰島素和多種生長(zhǎng)因子。胞內(nèi)段是酪氨酸蛋白激酶的催化部位，并具有自磷酸化位點(diǎn)（圖8-25）。配體（如EGF）在胞外與受體結(jié)合并引起構(gòu)象變化，導(dǎo)致受體二聚化（dimerization）形成同源或異源二聚體，在二聚體內(nèi)彼此相互磷酸化胞內(nèi)段酪氨酸殘基，激活受體本身的酪氨酸蛋白激酶活性。這類受體主要有EGF、PDGF、FGF等（圖8-26）。2、信號(hào)分子間的識(shí)別結(jié)構(gòu)域信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子中存

29、在著一些大約由50100個(gè)氨基酸構(gòu)成的結(jié)構(gòu)域，它們?cè)诓煌男盘?hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子中具有很高的同源性。這些結(jié)構(gòu)域的作用是在細(xì)胞中介導(dǎo)信號(hào)介導(dǎo)分子的相互識(shí)別和連接，共同形成不同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑（Signal transduction pathway），如電腦的接口一樣把不同的設(shè)備連接起來(lái)，形成信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)（Signal transduction network）。與細(xì)胞信號(hào)分子識(shí)別有關(guān)的結(jié)構(gòu)域主要有：SH2結(jié)構(gòu)域（Src Homology 2 結(jié)構(gòu)域）：約100個(gè)氨基酸組成，介導(dǎo)信號(hào)分子與含磷酸酪氨酸的蛋白分子結(jié)合。SH3結(jié)構(gòu)域（Src Homology 3 結(jié)構(gòu)域）：約50100個(gè)氨基酸組成，介導(dǎo)信號(hào)分子與

30、富含脯氨酸的蛋白分子結(jié)合。PH結(jié)構(gòu)域（Pleckstrin Homology 結(jié)構(gòu)域）：約100120個(gè)氨基酸組成，可以與膜上磷脂類分子PIP2、PIP3、IP3等結(jié)合，使含PH結(jié)構(gòu)域蛋白由細(xì)胞質(zhì)中轉(zhuǎn)位到細(xì)胞膜上。3、RAS信號(hào)途徑受體酪氨酸激酶（RPTK）結(jié)合信號(hào)分子，形成二聚體，并發(fā)生自磷酸化而活化，活化的RPTK激活RAS，由活化的RAS引起蛋白激酶的磷酸化級(jí)聯(lián)反應(yīng)（圖8-27）。Ras蛋白要釋放GDP，結(jié)合GTP的才能激活，GDP的釋放需要鳥(niǎo)苷酸交換因子（GEF，如Sos）參與；Sos有SH3結(jié)構(gòu)域，但沒(méi)有SH2結(jié)構(gòu)域，因此不能直接和受體結(jié)合，需要接頭蛋白（如Grb2）的連接，接頭蛋白

31、通過(guò)SH2與受體的磷酸酪氨酸殘基結(jié)合，再通過(guò)SH3與Sos結(jié)合，Sos與膜上的Ras接觸，從而活化Ras。Ras本身的GTP酶活性不強(qiáng)，需要GTP酶活化蛋白（GAP）的參與，使Ras結(jié)合的GTP水解而失活，GAP具有SH2結(jié)構(gòu)域可直接與活化的受體結(jié)合。Ras蛋白與Raf的N端結(jié)構(gòu)域結(jié)合并使其激活，Raf是絲氨酸/蘇氨酸（Ser/Thr）蛋白激酶（又稱MAPKKK）活化的Raf結(jié)合并磷酸化另一種蛋白激酶MAPKK，使其活化。MAPKK又使MAPK的蘇氨酸和酪氨酸殘基使之激活。MAPK為有絲分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK），屬絲氨酸/

32、蘇氨酸殘激酶?；罨腗APK進(jìn)入細(xì)胞核，可使許多轉(zhuǎn)錄因子活化，如將Elk-1激活，促進(jìn)c-fos，c-jun的表達(dá)。RPTK-Ras信號(hào)通路可概括如下：配體RPTKadaptorGEFRasRaf（MAPKKK）MAPKKMAPK進(jìn)入細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄因子基因表達(dá)。4胰島素受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)胰島素受體也屬于受體酪氨酸激酶，是由和兩種組成四聚體型受體，其中亞基具有激酶活性，可將胰島素受體底物（insulin receptor substrates, IRSs）磷酸化（圖8-28），IRS作為多種蛋白的停泊點(diǎn)，可以結(jié)合或激活具有SH2結(jié)構(gòu)域的蛋白。如磷脂酰肌醇3-激酶（phosphotidylinosit

33、ol 3-kinase, PI3K）。PI3K催化PI形成PI(3,4)P2和PI(3,4,5)P3，這兩種磷酸肌醇可作為胞內(nèi)信號(hào)蛋白（含PH結(jié)構(gòu)域）的停泊位點(diǎn)，激活這些蛋白。其信號(hào)通路主要有：通過(guò)激活BTK（Bruton's tyrosine kinase），再激活磷脂酶C（PLC），引起磷脂酰肌醇途徑。激活磷脂酰肌醇依賴性激酶PKD1（phosphoinositol dependent kinase），PKD1激活轉(zhuǎn)位到膜上的蛋白激酶B（PKB，一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，如Akt）。激活的PKB返回細(xì)胞質(zhì)，將細(xì)胞調(diào)亡相關(guān)的BAD蛋白磷酸化，抑制BAD的活性，從而使細(xì)胞存活（圖8-29

34、）。（二）受體絲氨酸/蘇氨酸激酶受體絲氨酸/蘇氨酸激酶（receptor serine/threonine kinases）是單次跨膜蛋白受體，在胞內(nèi)區(qū)具有絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶活性，該受體以異二聚體行使功能。主要配體是轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-s。（transforming growth factor-s，TGF-s。）家族成員，包括TGF-1TGF-5，這些成員具有類似結(jié)構(gòu)與功能，對(duì)細(xì)胞具有多方面的效應(yīng)。依細(xì)胞類型不同，可能抑制細(xì)胞增殖、刺激胞外基質(zhì)合成、刺激骨骼的形成、通過(guò)趨化性吸引細(xì)胞和作為胚胎發(fā)育過(guò)程中 的誘導(dǎo)信號(hào)等。（三）受體酪氨酸磷酯酶受體酪氨酸磷酯酶（receptor tyrosine p

35、hosphatases）為單次跨膜蛋白受體，受體胞內(nèi)區(qū)具有蛋白酪氨酸磷酯酶的活性，胞外配體與受體結(jié)合激發(fā)該酶活性，使特異的胞內(nèi)信號(hào)蛋白的磷酸酪氨酸殘基去磷酸化，其作用是控制磷酸酪氨酸殘基的壽命，使靜止細(xì)胞具有較低的磷酸酪氨酸殘基的水平。它的作用不是簡(jiǎn)單的與RPTK相反，可能與酪氨酸激酶一起協(xié)同工作，如參與細(xì)胞周期調(diào)控。白細(xì)胞表面的CD45屬這類受體，對(duì)具體配體的尚不了解。和酪氨酸激酶一樣存在胞質(zhì)酪氨酸磷酯酶。胞質(zhì)酪氨酸磷酯酶胞內(nèi)段具有兩個(gè)SH結(jié)構(gòu)域，稱作SHP1和SHP2，通過(guò)SHP1可以與細(xì)胞因子受體連接，使Jak去磷酸化，SHP1結(jié)構(gòu)域缺陷的老鼠，各類血細(xì)胞異常。說(shuō)明胞質(zhì)酪氨酸磷酯酶與血細(xì)

36、胞分化有關(guān)。（四）受體鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶受體鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶（receptor guanylate cyclase）是單次跨膜蛋白受體，胞外段是配體結(jié)合部位，胞內(nèi)段為鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶催化結(jié)構(gòu)域。受體的配體心房排鈉肽（atrial natriuretic peptides，ANPs）和腦排鈉肽（brain natriuretic peptides，BNPs）。當(dāng)血壓升高時(shí)，心房肌細(xì)胞分泌ANPs，促進(jìn)腎細(xì)胞排水、排鈉，同時(shí)導(dǎo)致血管平滑肌細(xì)胞松弛，結(jié)果使血壓下降。介導(dǎo)ANP反應(yīng)的受體分布在腎和血管平滑肌細(xì)胞表面。ANPs與受體結(jié)合直接激活胞內(nèi)段鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶的活性，使GTP轉(zhuǎn)化為cGMP，cGMP作為第二信使結(jié)合

37、并激活依賴cGMP的蛋白激酶G（PKG），導(dǎo)致靶蛋白的絲氨酸/蘇氨酸殘基磷酸化而活化。除了與質(zhì)膜結(jié)合的鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶外，在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中還存在可溶性的鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶，它們是NO作用的靶酶，催化產(chǎn)生cGMP。（五）細(xì)胞因子受體超家族屬于酪氨酸激酶連接的受體（tyrosine kinase associated receptor）。細(xì)胞因子（cytokine），如：白介素（IL）、干擾素（IFN）、集落刺激因子（CSF）、生長(zhǎng)激素（GH）等，在造血細(xì)胞和免疫細(xì)胞通訊上起作用，這類細(xì)胞因子的受體為單次跨膜蛋白，本身不具有酶活性，但與配體結(jié)合后發(fā)生二聚化而激活，羅織或連接胞內(nèi)酪氨酸蛋白激酶（如，JAK），其信號(hào)途徑為JAKSTAT或RAS途徑。JAK（just another kinase或janus kinase）是一類非受體酪氨酸激酶家族，已發(fā)現(xiàn)四個(gè)成員，即JAK1 、JAK2 、JAK3 和TYK1，其結(jié)構(gòu)不含SH2 、SH3，C段具有兩個(gè)相連的激酶區(qū)。JAK的底物為STAT，即信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激活子（signal transducer and activator of transcription，STAT），具有SH2和SH3兩類結(jié)構(gòu)域。STAT被JAK磷酸化后發(fā)生二聚化，然后穿過(guò)核膜進(jìn)入核內(nèi)調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達(dá)，這條信號(hào)通路稱為JAK-S