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信號分子(示意圖)原圖鏈接來自 E書聯盟 的圖片

信號分子是指生物體內的某些化學分子,它們既不是營養物,又非能源物質和結構物質,也不是酶,而是用來在細胞間和細胞內傳遞信息的物質,它們唯一的功能是與細胞受體,如激素、局部介質、神經遞質等結合併傳遞信息。信號分子根據溶解性通常可分為親脂性和親水性的兩類。[1]

類型

人體中有幾百種不同的信號分子,按照其分泌腺體或細胞種類,運載體以及作用的靶細胞位置。

「第一信使」和「第二信使」一般將細胞外信號分子稱為「第一信使」,激素、神經遞質等是由細胞合成和釋放的,通過擴散或體液運送,是人體信息傳遞的「第一信使」。「第一信使」與受體作用後在細胞內最早產生的信號物質稱為「第二信使」。公認的「第二信使」有cAMP、cGMP、三磷酸肌醇(IP3)、等,功能是啟動和協助細胞內信號的逐級放大。

親水性和親脂性信號分子

根據信號分子的溶解性可分為親水性和親脂性兩類。親水性信號分子的主要代表是神經遞質、含氮類激素(除甲狀腺激素)、局部介質等,它們不能穿過靶細胞膜,只能通過與細胞表面受體結合,再經信號轉換機制,在細胞內產生「第二信使」(如cAMP)或激活膜受體的激酶活性(如蛋白激酶),跨膜傳遞信息,以啟動一系列反應而產生特定的生物學效應。

親脂性信號分子要穿過細胞質膜作用於細胞質或細胞核中的受體,與胞內受體結合形成激素-受體複合物,成為轉錄促進因子,作用於特異的基因調控序列,啟動基因的轉錄和表達,主要代表是類固醇激素、甲狀腺激素等。

特點

信號分子具有特異性、高效性和可被滅活的特點。

特異性:只能與特定的受體結合;

高效性:幾個分子即可發生明顯的生物學效應,如各種激素在血液中的濃度極低,一般在每100mL血液中只有幾ug甚至幾ng,但對人體的生理調節作用卻非常重大;

可被滅活:當完成一次信號應答後,信號分子會通過修飾、水解或結合等方式失去活性而被及時消除,以保證信息傳遞的完整性和細胞免於疲勞。

作用

多細胞生物中有幾百種不同的信號分子在細胞間傳遞信息,這些信號分子中有蛋白質、多肽、氨基酸衍生物、核苷酸、膽固醇、脂肪酸衍生物以及可溶解的氣體分子等。

根據信號分子的溶解性分為水溶性信息和脂溶性信息,前者作用於細胞表面受體,後者要穿過細胞質膜作用於胞質溶膠或細胞核中的受體。

其實,信號分子本身並不直接作為信息,它的基本功能只是提供一個正確的構型及與受體結合的能力,就像鑰匙與鎖一樣,信號分子相當於鑰匙,因為只要有正確的形狀和缺齒就可以插進鎖中並將鎖打開。至於鎖開啟後幹什麼,由開鎖者決定了。

在一定條件下,細胞外的化學信號能引發細胞的定向移動。這些信號有些時候是底質表面上一些難溶物質,有些時候則是可溶物質。信號分子有很多,可以是肽,代謝產物,細胞壁或是細胞膜的殘片,信息分子的作用是與靶細胞的受體結合,改變受體的性質和作用,完成一系列的反應,去激活或抑制肌動蛋白結合蛋白的活性,最終改變細胞骨架的狀態。親水性信息分子不能穿過細胞膜,其受體在靶細胞的膜上,親脂性信息分子易穿過細胞膜,其受體存在於靶細胞的胞漿及細胞核中。可溶物質通常不是均勻溶解在溶劑中,而是靠近源的區域濃度高,遠離源的區域濃度低,形成所謂的「濃度梯度」。細胞膜上的受體可感受到那些被稱為化學趨向吸引物(chemotacticattractant),並且逆着它們的濃度梯度去追根尋源。某些信號分子甚至會影響細胞移行的速度,這些信號分子則被稱為化學趨向劑(chemokineticagent)。細胞這種因化學分子改變自己移動的行為,被稱為化學趨向性。例如盤基網柄菌(Dictyosteliumdiscoideum)會逆着cAMP濃度梯度的運動。白血球也會受到一些細菌分泌的三肽化學物質f-Met-Leu-Phe(N-甲酰蛋-亮-苯丙氨酸)吸引而往細菌移動,發揮其免疫功能。而在胚胎髮生中的神經嵴細胞則並非靠濃度梯度,而是路標物質識別其去向(請見下文「路標信號」一節)。

但是細胞外基質中也存在着一些蛋白,如硫酸軟骨蛋白多糖(chondroitinsulfateproteoglycan)會與神經細胞的粘着蛋白起作用,對細胞遷移形成阻滯。它會抑制脊髓損傷患者神經損傷區域新突觸的相連與再生。

細胞內

細胞外信號種類繁多,但是當它們與細胞膜上受體結合之後,作用的途徑卻只有有限的幾種。而與細胞遷移有關的信號傳導過程如下:信號分子結合到膜上受體,或者是激活與受體偶聯的蛋白質—大G蛋白,或者先是激活受體酪氨酸激酶,再激活下游的小G蛋白Ras。G蛋白是一個很大的家族,包括Rho,Rac,Ras等小家族,它們在細胞中扮演着信號傳導開關的角色。當它們與GDP結合時,呈現失活狀態。在鳥嘌呤交換因子(英文:Guaninexchangefactor,簡稱GEF)的幫助下,G蛋白脫離GDP並與GTP結合,進入激活狀態。G蛋白的GTP會被GTP酶激活蛋白(英文GTPase-activatingproteins,簡稱GAP)水解,並釋放出其中的能量,讓G蛋白行使其功能。就是說,G蛋白通過這一GTP「GDP循環在激活「失活狀態中迴旋,傳遞信號。當G蛋白被激活後,它下游的多種分子會被激活。

而致癌物質也可以通過這些信號傳導通路發揮其負面作用,如強烈致癌物質佛波酯(Phorbolester)。佛波酯會不可逆地激活細胞的RasGRP3「4,以激活Ras,Ras會再激活蛋白激酶C(ProteinkinaseC,PKC)。後者是調節細胞分裂和分化的酶。它被佛波酯不正常的激活,有可能對癌症的產生起促進作用。研究還發現,佛波酯對黑素瘤(melanoma)細胞轉移到肺部有促進作用。而細菌者,如志賀氏菌會在宿主胞膜上打洞,向細胞質注入效應蛋白質,激活宿主Rac和Cdc42,調整細胞的微絲網絡,以使自己順利進入宿主內。

傳導方式

激素(hormone)

三種不同類型的信號分子及其信號傳導方式激素是由內分泌細胞(如腎上腺、睾丸、卵巢、胰腺、甲狀腺、甲狀旁腺和垂體)合成的化學信號分子,一種內分泌細胞基本上只分泌一種激素,參與細胞通訊的激素有三種類型:蛋白與肽類激素、類固醇激素、氨基酸衍生物激素。

通過激素傳遞信息是最廣泛的一種信號傳導方式,這種通訊方式的距離最遠,覆蓋整個生物體。在動物中,產生激素的細胞是內分泌細胞,所以將這種通訊稱為內分泌信號(endocrinesignaling)。

局部介質

局部介質(localmediators)是由各種不同類型的細胞合成並分泌到細胞外液中的信號分子,它只能作用於周圍的細胞。通常將這種信號傳導稱為旁分泌信號(paracrinesignaling),以便與自分泌信號相區別。有時這種信號分子也作用於分泌細胞本身,如前列腺素(prostaglandin,PG)是由前列腺合成分泌的脂肪酸衍生物(主要是由花生四烯酸合成的),它不僅能夠控制鄰近細胞的活性,也能作用於合成前列腺素細胞自身,通常將由自身合成的信號分子作用於自身的現象稱為自分泌信號(autocrinesignaling)。

神經遞質

神經遞質(neurotransmitters)是由神經末梢釋放出來的小分子物質,是神經元與靶細胞之間的化學信使。由於神經遞質是神經細胞分泌的,所以這種信號又稱為神經信號(neuronalsignaling)。

依賴於細胞接觸的信號傳導

通過細胞的接觸,包括通過細胞粘着分子介導的細胞間粘着、細胞與細胞外基質的粘着、連接子(植物細胞為胞間連絲)介導的信號傳導。

通過細胞接觸進行的通訊中,信號分子位於細胞質膜上,兩個細胞通過信號分子的接觸傳遞信息。

視頻

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信號分子巧辨析上
信號分子巧辨析下

參考文獻