细胞间的信息传递.doc

第六章 细胞间的信息传递 第一节细胞通讯（一）
上海市南洋中学 李梅
教学目标：
知识与技能：
理解细胞通讯的几种方式。
理解胞间连丝的结构和功能。
知道化学信号通讯的特性与种类以及三种通讯方式的共同点。
过程与方法：
通过观察植物细胞的胞间连丝，认识植物细胞连接的结构基础。
通过对比，明白激素与受体的不同结合形式及其作用方式。
情感态度与价值观：
树立结构与功能相适应的观点。
教学重点：
1、 胞间连丝的结构和功能。
2、 激素与受体的结合形式及其作用方式。
教学难点：
激素与受体的结合形式及其作用方式。
教学方法：实验法与讲授法相结合、谈话法
教学流程：
细胞通讯的意义和概念

细胞通讯的三种方式

膜表面分子接触通讯的特点
化学信号通讯的特性与种类
间隙连接

植物细胞的胞间连丝实验

信号分子的接收与灭活

激素与受体的结合形式与作用方式
间隙连接的结构与功能

小结：三种通讯方式的共同点

教学过程：一、细胞通讯的意义和概念
意义：多细胞生物是一个繁忙而有序的细胞社会，这种社会性的维持不仅依赖于细胞的物质代谢与能量代谢，还依赖于细胞通讯与信号传递，从而以不同的方式协调他们的行为，诸如细胞生长﹑分裂﹑分化以及各种生理功能。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。
2、细胞通讯的概念：细胞通讯（cell communication）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。细胞间的通讯对于多细胞生物体的发生和组织的构建，协调细胞的功能，控制细胞的生长和分裂是必需的。
二、细胞通讯有三种方式：
让学生观察下面的图（比较法），总结细胞通讯的三种方式。
细胞通讯的分子基础
• 细胞间通讯的方式
– 细胞间隙连接(gap junction)：连接蛋白，直接通讯，可共享小分子物质（1500D）
– 膜表面分子接触通讯(Contact-dependent signaling) ：蛋白、糖蛋白、糖脂，直接通讯
– 化学信号通讯(chemical signaling )：以化学信号为介质，间接通讯

｛1）细胞通过分泌化学信号进行细胞间相互间通讯，这是多细胞生物包括动物和植物的最普遍采用的通讯方式；
2）细胞间接触性依赖的通讯（contact-dependent signaling），细胞间直接接触，通过与质膜结合的信号分子影响其他细胞；
3）细胞间形成间隙连接使细胞质相互沟通，通过交换小分子来实现。
（一）
膜表面分子接触通讯
每个细胞都有众多的分子分布于膜的外表面。这些分子或为蛋白质，或为糖蛋白。这些表面分子作为细胞的触角，可以与相邻细胞的膜表面分子特异性地相互识别和相互作用，以达到功能上的相互协调。这种细胞通讯方式称为膜表面分子接触通讯(Contact signaling by plasmamembranebound molecules)。膜表面分子接触通讯也属于细胞间的直接通讯，最为典型的例子是T淋巴细胞与B淋巴细胞的相互作用。

细胞间接触性依赖的通讯，细胞间直接接触，它不需要分泌的化学信号分子的释放，代之以通过与质膜结合的信号分子与其相接触的耙细胞质膜上的受体分子相结合，影响其他细胞。这种通讯方式在胚胎发育过程中对组织内相邻细胞的分化具有重要作用。在胚胎发育过程中，神经系统来源于胚胎上皮细胞层。将发育为神经系统的上皮细胞层，最初相邻细胞之间是彼此相同的，在发育过程中，单个细胞通过独立分化成为神经元，而与其相邻的饿细胞则受到抑制保持非神经细胞状态。这是因为将分化形成神经元的细胞通过膜结合的抑制信号分子（成为Delta, ﹠）与其相接触的相邻细胞的膜受体结合，从而阻止它们也分化为神经元细胞。控制这一过程的信号是通过细胞间接触而传递的。这类信号分子与受体都是细胞的跨膜蛋白，在脊椎动物和无脊椎动物的各种其他组织中，控制细胞分化的过程，也是靠基本相同的分子所介导的相同的机制来实现的。在接触依赖性信号传递失败的突变体中，有些类型的细胞会过量发生。
（二）间隙连接
实验：观察植物细胞的胞间连丝
实验材料：新鲜的红辣椒或青辣椒果实，柿种子胚乳细胞胞间连丝永久封片
实验器材：数码（或光学）显微镜、培养皿、刀片、镊子、滴管、载玻片、盖玻片、水
实验步骤：1、用刀片在辣椒果实的表面划出1厘米*1厘米的小方块，再用镊子撕下这小块表皮，表面朝下，放在载玻片中央。
2、用镊子轻轻刮去果肉，滴上一滴水，盖上盖玻片，制成临时装片。
3、先后用低、高倍镜观察。细胞壁略带黄色，而胞间连丝呈浅灰色。然后观察柿种子胚乳细胞胞间连丝永久封片，进行比较。
得出结论，引出胞间连丝的概念。
多细胞植物是一个统一的整体，细胞虽有细胞壁包围着，互相分隔，但是他们的细胞壁之间有纹孔，细胞内的细胞质形成原生质丝，与相邻的细胞沟通，相互交换物质和信息，这种植物细胞独特的通讯连接方式称为胞间连丝。

间隙连接结构示意图

间隙连接功能示意图，荧光标记的不同大小的分子注入细胞后，依靠间隙连接进入另外一个细胞，图中数字表示分子量
间隙连接：（gap junction） 是细胞间的直接通讯方式（图8-3）。两个相邻的细胞以连接子（connexon）相联系。连接子中央为直径1.5nm的亲水性孔道。允许小分子物质如Ca2+、cAMP通过，有助于相邻同型细胞对外界信号的协同反应，如可兴奋细胞的电耦联现象。
间隙连接是一种通讯连接，它分布非常广泛，几乎所有的动物组织中都存在间隙连接。不同的间隙连接由几个到100000个不等。胞间连丝是高等植物主要的细胞通讯连接。
细胞连接的结构和成分：间隙连接是相邻细胞膜间有2~3nm的间隙。构成间隙连接的基本单位成为连接子（connexon）。每个连接子由6个相同或相似的跨膜蛋白亚单位conexion环绕，中心形成一个直径约1.5nm的孔道。相邻细胞膜上的两个连接子对接便形成一个间隙连接单位，因此间隙连接也可以叫缝隙连接或缝管连接。许多的间隙连接单位往往集接在一起。
功能及其调节机制：间隙连接已经被证明它的通道可以允许通过相对分子质量小于1000的分子通过，即小分子可能通过，大分子一般不能通过。
1）间隙连接在代谢偶联中的作用：间隙连接能够允许小分子代谢物质和信号分子通过，是细胞间代谢偶联的基础。而代谢偶联作用在协调细胞群体的生物学功能的方面，可能起更重要的作用。
2）间隙连接在神经冲动信息传递过程中的作用：有利于细胞间的快速通讯，动作电位可以从一个细胞迅速的传到另一个细胞，这对于某些无脊椎动物和鱼类快速准确的逃避反射是十分重要的。还有人认为间隙连接在神经元之间的通讯及中枢神经系统的整合过程中起重要作用。
3）间隙连接在早期胚胎发育和细胞分化过程中的作用：间隙连接出现脊索动物和大多数无脊椎动物胚胎发育的早期。存在于发育与分化的特定阶段的细胞之间。
4）间隙连接的同透性是可以调节的：间隙连接是一种可以随细胞内的变化而进行开关的动态结构。间隙连接通透性受外界化学信号的调节，有助于细胞间的代谢偶联。
(三)化学通讯
细胞可以分泌一些化学物质－蛋白质或小分子有机化合物至细胞外，这些化学物质作为化学信号(chemical signaling)作用于其它的细胞(靶细胞)，调节其功能，这种通讯方式称为化学通讯。化学通讯是间接的细胞通讯，即细胞间的相互联系不再需要它们之间的直接接触，而是以化学信号为介质来介导的。

1、化学信号分子的种类及特性
• 脂溶性(lipophilic)与水溶性(water-soluble)
• 根据其作用距离范围，分三大类：
– 内分泌(endocrine)系统的化学信号：激素(hormone)，作用距离最远（m），膜受体或胞内受体
– 神经系统的化学信号：神经递质(neural transmitter)，如乙酰胆碱(acetyl-choline)，作用距离最短（nm），膜受体
– 旁分泌(paracrine)系统的化学信号：细胞因子，作用于周围细胞（μm），膜受体
* 自分泌(autocrine)：作用于自身，仅限于病理条件，如肿瘤
分泌化学信号 下面详细说明：
· 内分泌(endocrine)系统以激素为主，它们是由内分泌器官分泌的化学信号 ,并随血液的流动作用于全身的耙器官。
水溶性和脂溶性化学信号的转导

· 旁分泌（paracrine）。细胞通过分泌局部化学介质到细胞外液中，经过局部扩散作用于邻近耙细胞。这对创伤或感染组织刺激细胞增殖以恢复功能具有的重要意义。
· 自分泌（ autocrine）。细胞对自身分泌的物质产生反应。自分泌信号常见于病理条件下，如肿瘤细胞合成和释放生长因子刺激自身，导致肿瘤细胞的增殖失控。
· 通过化学突触传递神经信号（neuronal signaling）。当神经元细胞在接受环境或其他神经细胞的刺激后，神经信号通过动作电位的形成沿轴突以高达100m/s的速度传到末梢，刺激突触前突起终末分泌化学信号（神经递质或神经肽），快速扩散（不到千分之一秒）作用于相距50nm的突触后细胞，影响突触后膜，实现电信号——化学信号——电信号转换和传导。此外，通过分泌外刺激传递信息也属于通过化学信号进行的细胞间通讯，作用于同类的其他个体。

2、信号分子的接收与灭活
• 接收：受体(receptor)
• 灭活：信号分子须在靶细胞膜上或在靶细胞内起作用后被灭活而将信号消除。
– 内分泌激素还可在肝脏、血液中被降解，通过氧化还原、脱氨基、脱羧基方式被清除。
• 受体概念
– 信息分子的接收分子，位于细胞表面或细胞内，化学本质是蛋白质。
• 受体的作用
– 识别外源信息分子（配体 ligand）;信号转换。
• 特点
– 高度特异性；高亲和力，Kd：10-8 mol/L；可饱和性；可逆性。
• 分类：
– 细胞表面受体（膜受体）：分离子通道受体、G蛋白偶联受体、单次跨膜受体
– 细胞内受体

3、激素与受体的结合形式及其作用方式
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）
③通过内吞作用，将受体转移到溶酶体中降解，即受体下行调节（receptor down-regulation）

学生讨论：三种通讯方式的共同点：
· 小结：细胞通讯的相同之处在于：通讯方式都是通过介质传递的；通讯方式都对这个生物体有着不容忽视的功能；

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