第一信使

科技工作者之家 2020-11-17

生物体内结合并激活受体的细胞外配体包括激素、神经递质、细胞因子、淋巴因子、生长因子和化学诱导剂等物质,通常统称为第一信使(first messenger),也可称为细胞外因子。

定义凡由细胞分泌的调节靶细胞生命活动的化学物质统称为第一信使,又称作细胞间信息物质。目前已知的第一信使的化学本质为蛋白质和多肽类(如生长因子、细胞因子、胰岛素等),氨基酸及其衍生物(如甘氨酸、甲状腺素、肾上腺素等),类固醇激素(如糖皮质激素、性激素等),脂肪酸衍生物(如前列腺素)和气体(如NO、CO)等。1

分类按第一信使的特点和作用机制

一、激素(hormone)

激素通常是中远离靶器官的各种特殊内分泌细胞分泌,释放进入血液,随着血液运输到生物体各部位。靶细胞周同的激素浓度十分低,所以细胞的受体必须对激素有很高的亲和力,尽管一个靶细胞可以在几个毫秒内与相对应激素结合,而总的反应时间跨度可以是几秒到几小时不等 按激素的化学组成可分为甾体类激素(类同醇激素)和肽激素(含氮激素)两种。甾类激素包括性激素(如雌二醇、睾酮),调节蛋白质、糖、脂类代谢的糖皮质激素,及调节体内盐平衡的盐皮质激素;肽激素包括氨基酸衍生物及胺类(如肾上腺素、甲状腺素),小肽类(几种促激素的释放冈子,即调节肽),蛋白质类(如胰岛素等),糖蛋白(如脑垂体促激素等)。不同的肽类激素在分子量及结构上差异极大,可以从几个氨基酸到数个完整的蛋白质不等。例如,促甲状腺释放激素释放因子只有3个氨基酸残基组成,而促卵泡激素和促,严状腺激素则是由异二聚蛋白质构成,其中每个蛋白质约含200个氨基酸残基。

大多数肽类激素是亲水性的,它们不能穿过靶细胞质膜的脂质双分子层,只能通过与相对应的靶细胞表面受体结合,冉经信号转换机制,在细胞内产生第二信使或激活蛋白激酶、蛋白磷酸酶的活性,引起细胞的应答反应,,甾体类激素和甲状腺素属于亲脂性的激素,作用的主要方式是穿过细胞与细胞内受体结合成为复合物,随后进入细胞核通过与DNA顺式作用元件结合并激发特异的mRNA的转录,发挥其生理功能。

二、生长因子(growth factor)

尽管90多年前就有关于生物组织可以在体外存活的报道,但是直到二十世纪五十年代分离细胞的常规培养才开始建立。一个重要的发现是自然界最好的有丝分裂的刺激物(即诱导有丝分裂或细胞分裂)是存在于自然凝血的动物血清中,没有这种血清的补充,大多数培养的细胞将无法复制它们自身的DNA,因此也不能增殖。例如,一个中血小板释放的30kD的多肽—血小板释放生长因子(PDGF)后来被分离出来,并显示了具有促使有丝分裂的特性。PDGF是生长因子类信使的一种,南40多个多肽组成,分子量大小介于胰岛素(5.7kD)、EGF(6kD)与转铁蛋白(78kD)之间,,细胞对生长六子的结合,与对激素的结合类似,具有高度的亲和力,细胞通过其表面的生长因子受体与生长因子结合,并且诱导多种生物学效应。除了刺激或抑制生长,生长因子也能启动细胞凋亡、分化和基因表达。与激素不同,生长因子的生理效应可持续数天甚至更长时间。生长冈子的效应范同与激素也不同,通常只影响邻近小范同局部细胞的生长与功能。

三、细胞因子(cytokine)

在生长冈子发现的同时,几种与免疫细胞相互作用的细胞外信号蛋白质也被发现。由于它们具有激活或调节免疫细胞的增殖特性,故最初被命名为“免疫细胞因子”。并发现它们也可以作用于免疫(或炎症)系统以外的细胞,故其名称又是被简化为“细胞因子”。生长因子和细胞银子的功能是如此多样,因此很难定义二者之间的明确差别。因此细胞因子包括上面提到的生长因子,以及干扰素(IFN)、肿瘤坏死因子(TNF)、数目众多的白细胞介素(IL)、粒细胞—单核细胞刺激冈子(GM-CSF)等,化学趋化冈子也是细胞因子,通过吸附趋化作用,并进一步激活炎症细胞引起局部的炎症反应。

四、血管活性物质(vasoactive agent)

组织的生理损伤或由感染导致的损伤可以引起炎症应激反应。这是机体的一种防御机制,在这个过程中,特异的细胞(大部分是白细胞)聚集在炎症部位,以共同的方式移动,隔离或减轻损伤的病因。这个过程很复杂,包括细胞与众多的细胞外信使之间的系统性相互作用,这些细胞外信使中有诱导炎症反应的细胞因子(前炎症介质),有减轻炎症的细胞因子(抗炎症介质),为使白细胞不断补充并保持局部液体(稀释)的聚集量,炎症反应中,血管扩张致使局部通透性升高。使血管扩张的物质包括组胺(由肥大细胞和嗜碱粒细胞释放)、5—羟色胺(由血小板释放)和前炎症介质如缓激肽。

二十碳物质是另一类重要的血管活性物质,由多不饱和脂肪酸——花生四烯酸衍生而成、由于花生四烯酸和它的许多衍生物含有20个碳原子,术语称二十碳物质。二十碳物质包括前列腺素、血栓素和白三烯,它们作为有力的旁分泌或白分泌物质,在短距离发挥作用,调控细胞的许多生理病理功能、在炎症过程巾,二十碳物质可引起血浆渗出,皮肤发红和疼痛。

五、神经递质和神经肽(neurotransmitter and neuropeptide)

神经递质也是第一信使的一种,但其存化学突触处的释放和结合与内分泌信号迥然不同。在突触前细胞,含有神经递质的小泡就在局部释放少量的神经递质。单个的神经元只能容纳少量的神经递质,这种构成保证了相对少的小泡通过胞外分泌释放在突触间隙的递质可以快速有效地聚集,经突触间隙扩散并在突触后细胞与受体结合。递质通过突触前后神经元的短距离过程非常快(约0.1微秒甚至更快),保证了递质在神经元之间以及神经和肌肉的神经肌肉连接点快速聚集。递质的种类有胆碱类的乙酰胆碱,氨基酸类的γ -氨基丁酸、甘氨酸等,单胺类的去甲肾真:腺素、多巴胺、5-羟色胺。各递质引起兴奋性或抑制性效应南神经递质受体调节的离子通道特性所决定 神经肽如类啡肽是神经系统内具有活性的、由氨基酸组成的短肽链。它们有时在神经细胞之间传递信号,有时也作为内分泌激素在体内起作用。2

根据细胞分泌信息物质的方式

一、突触分泌信号

突触分泌信号又称神经递质,是神经系统细胞间通讯的化学信号分子,由神经元突触前膜释放,经突触间隙扩散到突触后膜,作用于特定的靶细胞。如乙酰胆碱和去甲肾上腺素等,其作用时间较短。

二、内分泌信号

内分泌信号又称内分泌激素,是由特殊分化的内分泌细胞释放的化学信号分子,通过血液循环到达靶细胞,经过受体介导而对靶细胞发生作用。其特点是:①低浓度,仅为10。12~10-Smol/L;②全身性,随血液流经全身,但只能与特定的受体结合而发挥作用;③长时效,激素产生后经过漫长的运送过程才起作用,而且血流中微量的激素就足以维持长久的作用。

按内分泌激素的化学组成可分为含氮激素和类固醇激素。按激素受体的性质,可将激素分为胞内受体激素和胞膜受体激素。胞内受体激素包括甲状腺激素、类固醇激素,它们的受体在胞液或细胞核中。胞内受体激素很容易通过细胞膜进入靶细胞与受体结合。除甲状腺激素外,其他的含氮激素均为胞膜受体激素,都是水溶性的,很难直接通过细胞膜的脂质双分子层进入细胞。必须与靶细胞表面的受体结合而引发细胞的应答反应。

三、旁分泌信号

旁分泌信号又称局部化学介质。此类信息物质分泌到细胞外液后,绝大多数通过扩散作用于附近的靶细胞,但又不像神经递质那样由专一突触结构释放。由此可见,旁分泌信号既不同于激素又不同于神经递质。体内的旁分泌信号包括组胺、花生四烯酸及其代谢产物(PG、TX和LT等)、生长因子、细胞生长抑素等。旁分泌信号也须与细胞膜受体结合而引发细胞的应答反应,但氨基酸的某些代谢产物,如LTC4能以受体非依赖方式在生理和病理情况下调节心脏兴奋性。除生长因子外,旁分泌信号的作用时间均较短。

气体信号(如NO、CO)也属于一种旁分泌信号。NO是一种结构简单、半衰期短、化学性质活泼的气体信号分子。NO合酶(NO synthase,NOS)通过氧化L-精氨酸的胍基而产生N0。

四、自分泌信号

自分泌信号发放细胞和靶细胞为同类或同一细胞,常见于癌变细胞。例如,大肠癌细胞可自分泌产生胃泌素,介导调节c—myc、c币s和懈p21等癌基因表达,从而促进癌细胞的增殖。1

作用单细胞生物直接对外界环境的变化作出反应,高等生物大多数细胞不与外界直接接触,而细胞间的联系和通讯又必不可少,这就需要在众多的细胞之间建立有效的信息联络,通过细胞间和细胞内的信息物质来彼此协调,相互配合,维持机体的恒稳状态,以适应各种生命活动和生长繁殖的需求。细胞信号转导(cellular signal transduction)就是指信号分子通过与存在于靶细胞膜上或细胞内的受体特异性地识别并结合,激活特定的信号放大系统,引起蛋白质分子构象、酶活性、膜通透性以及基因表达等方面的改变,从而产生一系列的生理效应。第一信使及其受体在此过程中发挥首当其冲的重要作用。3

激素作为一种信使物质(称为第一信使),可以通过传递信息来影响细胞膜的通透性,也可以激活产生第二信使,或通过影响染色体的基因表达来发挥调节作用。激素的作用十分复杂,某一激素作用于不同组织可有不同作用,同一激素对同一组织在一生的不同阶段可呈现不同的作用。此外,某些激素发挥单一的作用,有些生理作用则是由数种激素共同参与的复杂的相互作用。4

本词条内容贡献者为:

李少斌 - 副教授 - 长江大学生命科学学院

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