細胞信號傳送
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在生物學中,細胞信號傳送[1](英語:cell signaling)又稱細胞訊息傳導、細胞傳訊[2],是指細胞與自身、其他細胞及環境相互作用的過程。細胞信號傳送是所有原核生物和真核生物細胞生命的基本特性。 通常,信號傳送過程涉及三個組成部分:信號、受體和效應器(動器)。
在生物學中,信號大多是化學性質的,但也可以是壓力、電壓、溫度或光等物理線索。化學信號是能夠結合併激活特定受體的分子。這些分子,也稱為配體,具有化學多樣性,包括離子、脂質(例如類固醇、前列腺素)、肽類(例如胰島素、ACTH)、碳水化合物、糖基化蛋白質(蛋白多糖)、核酸等。肽類和脂質配體尤為重要,因為大多數激素屬於這些化學物質類別。肽通常是極性的、親水性分子。因此,它們無法自由擴散穿過質膜的雙脂層,所以它們的作用是通過細胞膜上的受體介導的。另一方面,親脂性化學物質,如類固醇激素,可以被動地擴散穿過質膜並與細胞內受體相互作用。細胞信號可以在短距離或長距離發生,並且可以進一步分類為自分泌、內分泌、旁分泌、旁分泌或內分泌。自分泌信號傳送發生在產生信號化學物的同一細胞上。[3]內分泌信號傳送發生在細胞產生的化學信號作用於同一細胞的細胞質或細胞核內的受體上。[4]旁分泌信號傳送發生在物理上相鄰的細胞之間。[5]旁分泌信號傳送發生在相鄰的細胞之間。內分泌作用發生在遠距離的細胞之間,化學信號通常由血液攜帶。[6]
受體是複雜的蛋白質或緊密結合的蛋白質多聚體,位於質膜或細胞內部,如細胞質、細胞器和細胞核。受體具有通過結合特定化學物或與物理因子相互作用時發生構象變化來檢測信號的能力。特定配體與其受體之間的化學相互作用的特異性,賦予了觸發特定細胞反應的能力。受體可以廣泛分類為細胞膜受體和細胞內受體。
細胞膜受體可以進一步分類為離子通道聯接受體、G蛋白偶聯受體和酶聯接受體。
離子通道受體是具有配體激活門功能的大型跨膜蛋白。當這些受體被激活時,它們可能允許或阻止特定離子穿過細胞膜。大多數由壓力或溫度等物理刺激激活的受體屬於這一類別。
G蛋白受體是嵌入質膜中的多聚蛋白。這些受體具有細胞外、跨膜和細胞內域。細胞外域負責與特定配體的相互作用。細胞內域負責啟動一系列化學反應的級聯,最終觸發受體控制的特定細胞功能。 酶聯接受體是具有細胞外結合特定配體的域和細胞內具有酶活性或催化活性的域的跨膜蛋白。激活後,酶部分負責促進特定的細胞內化學反應。
細胞內受體的作用機制不同。它們通常結合能夠被動擴散穿過質膜的親脂性配體,如類固醇激素。這些配體結合到特定的細胞質轉運蛋白上,將激素-轉運蛋白複合物運送到細胞核內,激活特定基因,促進特定蛋白質的合成。
信號傳送途徑的效應器組成部分始於信號轉導。在這個過程中,信號通過與受體的相互作用,啟動細胞內一系列分子事件,導致信號傳送過程的最終效果。通常,最終效果包括激活離子通道(配體門控離子通道)或啟動第二信使系統級聯,將信號在細胞內傳播。第二信使系統可以放大或調節信號,其中少量受體的激活會導致多個次級信使被激活,從而放大初始信號(第一信使)。這些信號通路的下游效應可能包括額外的酶活性,如蛋白水解切割、磷酸化、甲基化和泛素化。
信號分子可以通過各種生物合成途徑合成,並通過被動或主動運輸釋放,甚至通過細胞損傷釋放。
每個細胞都被編程來響應特定的細胞外信號分子,這是發育、組織修復、免疫和穩態的基礎。信號傳送相互作用中的錯誤可能導致癌症、自身免疫性疾病和糖尿病等疾病。