2012年臨床助理醫(yī)師考試輔導(dǎo)：信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

生物體對(duì)環(huán)境(包括外環(huán)境和內(nèi)環(huán)境)信號(hào)變化有極高的反應(yīng)性。如細(xì)菌趨向營(yíng)養(yǎng)物的運(yùn)動(dòng)，視覺細(xì)胞對(duì)光的感覺，饑餓時(shí)激素信號(hào)使燃料分子(feul molecules)如糖、脂肪、蛋白質(zhì)等釋放內(nèi)部能量，生長(zhǎng)因子誘導(dǎo)分化等都是典型的例子。細(xì)胞對(duì)外界刺激的感受和反應(yīng)都是通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)(signal transduction system)的介導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)由受體、酶、通道和調(diào)節(jié)蛋白等構(gòu)成。通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)、細(xì)胞能感受、放大和整合各種外界信號(hào)。

　　第一節(jié)　細(xì)胞信號(hào)的概況

　　一、細(xì)胞外信號(hào)分子的識(shí)別

　　在多細(xì)胞高等生物體內(nèi)，細(xì)胞間的相互影響是通過信號(hào)分子實(shí)現(xiàn)的，信號(hào)分子包括蛋白質(zhì)、肽、氨基酸、核苷酸、類固醇、脂肪酸衍生物和一些溶于水的氣體分子，如一氧化碳、一氧化氮等。這些信號(hào)分子大多數(shù)由信號(hào)細(xì)胞(signaling cells)分泌產(chǎn)生，有些是通過擴(kuò)散透過細(xì)胞膜釋放，有些則是和細(xì)胞膜緊密結(jié)合，需要通過細(xì)胞接觸才能影響到和信號(hào)細(xì)胞相接觸的其他細(xì)胞。

　　信號(hào)分子對(duì)靶細(xì)胞的作用都是通過一類特異的蛋白質(zhì)――受體實(shí)現(xiàn)的，受體能特異地識(shí)別信號(hào)分子。靶細(xì)胞上的受體大多數(shù)是跨膜蛋白質(zhì)(transmembrane proteins)，當(dāng)受體蛋白和細(xì)胞外信號(hào)分子(也稱配體ligand)結(jié)合后就被激活，從而啟動(dòng)靶細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)反應(yīng)(cascade)。有些受體位于細(xì)胞內(nèi)，信號(hào)分子必須進(jìn)入細(xì)胞才能與受體結(jié)合，并使受體激活，這些信號(hào)分子都是分子量很小而且是脂溶性的，能擴(kuò)散通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞。

　　二、分泌性信號(hào)分子作用途徑

　　旁分泌(paracrine)

　　由細(xì)胞分泌的信號(hào)分子只是作為局部的介導(dǎo)物，作用于鄰近的靶細(xì)胞，稱為旁分泌。旁分泌的信號(hào)分子由細(xì)胞分泌后，不能擴(kuò)散至較遠(yuǎn)的距離，這種信號(hào)分子很快地被鄰近的靶細(xì)胞攝入，或被細(xì)胞外酶降解。

　　突觸(synapses)

　　在較高等的多細(xì)胞生物體內(nèi)，神經(jīng)細(xì)胞(或神經(jīng)元)能通過軸突與相距較遠(yuǎn)的靶細(xì)胞接觸。當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞在接受來自環(huán)境或其他神經(jīng)細(xì)胞的信號(hào)而被激活后，就能沿軸突傳輸電脈沖，脈沖到達(dá)軸突末端的神經(jīng)末梢時(shí)，就能刺激末梢分泌神經(jīng)遞質(zhì)(neurotransmitter)。神經(jīng)末梢在化學(xué)突觸和突觸后靶細(xì)胞接觸并釋放神經(jīng)遞質(zhì)給靶細(xì)胞。

　　內(nèi)分泌

　　能分泌激素的信號(hào)細(xì)胞稱為內(nèi)分泌細(xì)胞，內(nèi)分泌細(xì)胞產(chǎn)生的激素進(jìn)入血液再到達(dá)分布于生物體其他部位的靶細(xì)胞。內(nèi)分泌信號(hào)與突觸信號(hào)相比，前者因通過血液擴(kuò)散故速度慢，后者不僅速度快而且精確。

　　自分泌(autocrine)

　　有一種信號(hào)途徑是聯(lián)系同一種細(xì)胞，或信號(hào)的靶細(xì)胞就是產(chǎn)生信號(hào)的細(xì)胞本身，這叫自分泌。在生物體發(fā)育和分化過程中，一旦某一細(xì)胞已定向分化，這個(gè)細(xì)胞就能分泌自分泌信號(hào)分子來增強(qiáng)這種特異的分化過程，因此自分泌信號(hào)被認(rèn)為可能是生物體早期發(fā)育階段以“群落效應(yīng)”(community effect)為基礎(chǔ)的機(jī)制。

　　間隙連接(gap junction)

　　一種能使鄰近細(xì)胞協(xié)同的信號(hào)分子作用途徑是通過間隙連接。這種直接使細(xì)胞膜連接的通道能使細(xì)胞間交換一些小分子的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)分子，如Ca2+和環(huán)腺苷酸(cAMP)等，但大分子信號(hào)分子不能通過。

　　第二節(jié)　細(xì)胞膜受體的類型

　　受體是位于細(xì)胞膜或細(xì)胞內(nèi)的一類特殊的蛋白質(zhì)，可特異地識(shí)別信號(hào)分子并與之結(jié)合，從而啟動(dòng)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)反應(yīng)。根據(jù)在細(xì)胞中的位置，受體可以分為細(xì)胞膜受體與細(xì)胞內(nèi)受體。細(xì)胞膜受體蛋白占細(xì)胞總蛋白質(zhì)量的比例很小，僅0.01％，因此很難純化。由于重組DNA技術(shù)的發(fā)展，可以對(duì)受體蛋白的基因進(jìn)行克隆，這就極大地促進(jìn)了對(duì)受體蛋白的研究。細(xì)胞膜受體蛋白有三種類型：離子通道偶聯(lián)受體(ion-channel coupled receptors)、G蛋白偶聯(lián)受體(G-protein coupled receptors)、酶偶聯(lián)受體(enzyme coupled receptors)。膜受體作為信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)體，能以高親和力與細(xì)胞外的信號(hào)分子結(jié)合，再將細(xì)胞外信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞內(nèi)一個(gè)或多個(gè)信號(hào)，從而改變細(xì)胞的生物行為。

　　一、離子通道偶聯(lián)受體

　　離子通道偶聯(lián)受體參與電興奮細(xì)胞間的突觸信號(hào)快速傳遞，這類信號(hào)由一部分神經(jīng)遞質(zhì)介導(dǎo)。神經(jīng)遞質(zhì)與受體結(jié)合后，能改變受體的結(jié)構(gòu)，使離子能通過由受體蛋白構(gòu)成的通道，進(jìn)入突觸后細(xì)胞，改變突觸后細(xì)胞的興奮性。

　　二、G蛋白偶聯(lián)受體

　　G蛋白偶聯(lián)受體間接地調(diào)節(jié)其他膜結(jié)合的靶蛋白，這些靶蛋白可以是酶或是離子通道。受體與靶蛋白之間的聯(lián)系是通過GTP結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白(簡(jiǎn)稱G蛋白)實(shí)現(xiàn)的。如果靶蛋白是酶，那么靶蛋白的激活就能改變細(xì)胞內(nèi)與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)的分子的濃度；如果靶蛋白是離子通道，那么就能改變細(xì)胞膜對(duì)離子的通透性。

　　三、酶偶聯(lián)受體

　　酶偶聯(lián)受體與信號(hào)分子結(jié)合后，受體蛋白本身就能發(fā)揮酶的功能，或激活與受體相關(guān)的其他酶蛋白。這類受體的配體結(jié)合部位在細(xì)胞外，催化部位在細(xì)胞內(nèi)，如圖17-4所示。這類受體的酶活性主要是蛋白激酶活性，或與蛋白激酶相關(guān)的活性，催化靶細(xì)胞內(nèi)與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)的蛋白質(zhì)磷酸化。

　　第三節(jié)　通過G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)

　　一、G蛋白偶聯(lián)受體家族

　　G蛋白偶聯(lián)受體是一類最大的細(xì)胞膜受體家族，在哺乳動(dòng)物中已發(fā)現(xiàn)百余種這類受體。此家族受體能與許多種信號(hào)分子結(jié)合，包括激素，神經(jīng)遞質(zhì)和局部介導(dǎo)物質(zhì)。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上看，信號(hào)分子可以是蛋白質(zhì)、小肽、氨基酸和脂肪酸的衍生物等。相同的信號(hào)分子可以結(jié)合和激活此受體家族中的不同成員；例如腎上腺素至少能和9種G蛋白偶聯(lián)受體結(jié)合，并使之激活。從結(jié)構(gòu)上看，此受體家族成員十分相似，都是只有一條多肽鏈的跨膜蛋白，跨膜部分由肽鏈7個(gè)不連續(xù)的肽段組成，如圖17-5所示。此受體家族從生物進(jìn)化角度來說，不僅在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)上是保守的，而且在功能上也是保守的。因?yàn)闊o論是在單細(xì)胞生物，還是在多細(xì)胞生物，它們都能接受細(xì)胞外信號(hào)，然后再轉(zhuǎn)導(dǎo)給G蛋白。

　　二、三聚體GTP-結(jié)合蛋白(trimeric GTP-binding proteins，G 蛋白)

　　G蛋白是一類與GTP或GDP結(jié)合、具有GTP酶活性的位于細(xì)胞膜胞質(zhì)面的膜蛋白，其活性狀態(tài)取決于結(jié)合的是GTP還是GDP。當(dāng)與GTP結(jié)合時(shí)，G蛋白具有活性；與GDP結(jié)合時(shí)不具活性。具有活性的G蛋白能激發(fā)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的其他成分。G蛋白可分為兩類，一類是作為細(xì)胞外信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)體的三聚體GTP-結(jié)合蛋白，一類是在細(xì)胞內(nèi)信號(hào)間起作用的單體GTP-結(jié)合蛋白(也稱單體GTP酶)。一般將三聚體GTP-結(jié)合蛋白簡(jiǎn)稱為G蛋白，由三個(gè)不同的亞基組成，分別是α亞基、β亞基、γ亞基。

　　G蛋白有許多種，常見的有激活腺苷酸環(huán)化酶的激動(dòng)型G蛋白(stimulatory G protein,Gs)、抑制腺苷酸環(huán)化酶的抑制型G蛋白(inhibitory G protein,Gi)和激活磷脂酶C-β(phospholipase C-β，一種特異作用于肌醇磷脂的磷脂酶C)的Gq等。G蛋白同時(shí)具有GTP酶活性，水解與G蛋白結(jié)合的GTP為GDP，從而使G蛋白失活。

　　三、第二信使(second messengers)

　　多數(shù)G蛋白偶聯(lián)受體能激活反應(yīng)鏈，改變一種或數(shù)種細(xì)胞內(nèi)小的信號(hào)分子的濃度，通過這些小的信號(hào)分子進(jìn)一步將信號(hào)下傳，如cAMP、Ca2+、IP3和DG等，通常將這一類在細(xì)胞內(nèi)傳遞信號(hào)的小分子化合物稱為第二信使。cAMP和Ca2+是兩種了解比較全面的細(xì)胞內(nèi)信使，在大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞中，兩種不同的反應(yīng)途徑刺激這兩種細(xì)胞內(nèi)信使?jié)舛鹊母淖儯蠖鄶?shù)G蛋白偶聯(lián)受體是只調(diào)節(jié)其中一條信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。

　　四、通過cAMP的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)

　　(一)受體通過調(diào)節(jié)腺苷酸環(huán)化酶來控制cAMP濃度

　　作為一種細(xì)胞內(nèi)信使，cAMP濃度的變化相當(dāng)快，在細(xì)胞對(duì)激素的反應(yīng)中，幾秒鐘內(nèi)cAMP的濃度變化達(dá)5倍以上。這種快速反應(yīng)的機(jī)制是通過兩種酶實(shí)現(xiàn)的，腺苷酸環(huán)化酶和cAMP磷酸二酯酶。腺苷酸環(huán)化酶的底物是ATP，產(chǎn)物是cAMP，此酶是一種細(xì)胞膜結(jié)合蛋白。磷酸二酯酶能快速水解cAMP，產(chǎn)生5’-AMP，如圖17-7所示。細(xì)胞外信號(hào)主要通過改變腺苷酸環(huán)化酶的活性而不是磷酸二酯酶的活性來控制cAMP的水平。不同的激素和靶細(xì)胞膜上的相應(yīng)受體結(jié)合后，有些通過Gs蛋白激活腺苷酸環(huán)化酶、升高細(xì)胞內(nèi)cAMP濃度，如促甲狀腺素、促腎上腺皮質(zhì)激素、促黃體生成素、腎上腺素、甲狀旁腺素、胰高血糖素、抗利尿激素等；有些通過Gi蛋白抑制腺苷酸環(huán)化酶，能降低細(xì)胞內(nèi)cAMP濃度。α2―腎上腺素能受體與Gi蛋白偶聯(lián)，β腎上腺素能受體與Gs蛋白偶聯(lián)，因此腎上腺素和受體結(jié)合后通過與不同類型的G蛋白，刺激或抑制腺苷酸環(huán)化酶，從而控制細(xì)胞內(nèi)cAMP濃度。

　　(二)G蛋白偶聯(lián)受體到腺苷酸環(huán)化酶激活的機(jī)制

　　在G蛋白介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中，一方面G蛋白可以通過GTP酶活性水解GTP為GDP，重新形成不具活性的三聚體G蛋白，使得G蛋白的信號(hào)傳遞及時(shí)終止，有利于G蛋白接收下一次信號(hào)。另一方面，當(dāng)信號(hào)分子長(zhǎng)期存在時(shí)，一類特定的G蛋白偶聯(lián)受體激酶(G-protein coupled receptor kinases, GRK)使得G蛋白偶聯(lián)受體羧基端的多個(gè)絲氨酸殘基發(fā)生磷酸化，從而受體與G蛋白介偶聯(lián)；同時(shí)捕獲蛋白(arrestin)可以識(shí)別并結(jié)合磷酸化的受體，阻斷受體與G蛋白之間的相互作用。

　　(三)cAMP依賴的蛋白激酶介導(dǎo)cAMP效應(yīng)

　　在動(dòng)物細(xì)胞，cAMP主要通過激活cAMP依賴的蛋白激酶(簡(jiǎn)稱蛋白激酶A，protein kinase A, PKA)發(fā)揮其生物效應(yīng)。PKA催化ATP分子上末端磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到選擇性靶蛋白上特異的絲氨酸殘基或蘇氨酸殘基上，被共價(jià)磷酸化修飾的氨基酸殘基進(jìn)而調(diào)控該靶蛋白的活性。無活性狀態(tài)的PKA具有兩個(gè)相同的催化亞基和兩個(gè)相同的調(diào)節(jié)亞基，調(diào)節(jié)亞基能結(jié)合cAMP。當(dāng)cAMP和調(diào)節(jié)亞基結(jié)合后，該亞基的構(gòu)象發(fā)生變化，使調(diào)節(jié)亞基從酶分子上解離下來，釋出的催化亞基激活，催化底物蛋白質(zhì)分子的磷酸化，如圖17-9所示。腎上腺素與骨骼肌細(xì)胞膜上的β-腎上腺素能受體結(jié)合后，通過Gs蛋白使細(xì)胞內(nèi)腺苷酸環(huán)化酶激活，cAMP濃度升高，cAMP激活PKA，PKA使兩種酶磷酸化，一種是磷酸化酶激酶，此酶因磷酸化而被激活并激活糖原磷酸化酶，最后使糖原分解。另一種被PKA磷酸化的酶是糖原合成酶，該酶因磷酸化而失活。因此通過這兩種酶的作用，即促進(jìn)糖原分解和抑制糖原合成，使得血糖水平升高。在有些動(dòng)物細(xì)胞cAMP濃度的提高能激活一些特異基因的轉(zhuǎn)錄。如在能分泌一種叫生長(zhǎng)激素釋放抑制激素(somatostatin或GHRIH)的細(xì)胞中(下丘腦和胰腺δ細(xì)胞)，cAMP能使編碼該激素的基因開放。這類基因的調(diào)控區(qū)有一短序列的順式元件，稱為cAMP反應(yīng)元件(cAMP response element，CRE)，能識(shí)別CRE的轉(zhuǎn)錄因子稱為CRE結(jié)合蛋白，簡(jiǎn)稱CREB。CREB被PKA磷酸化并與CRE結(jié)合后，就能促進(jìn)有關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。

　　cAMP的生物效應(yīng)是一過性的，因?yàn)榧?xì)胞內(nèi)有一種機(jī)制能使被PKA磷酸化的蛋白質(zhì)去磷酸化，絲氨酸/氨酸磷蛋白磷酸酶催化去磷酸化反應(yīng)。

　　五、通過Ca2+的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)

　　Ca2+作為細(xì)胞信號(hào)在許多細(xì)胞反應(yīng)中發(fā)揮作用，如細(xì)胞增殖、分泌、肌肉收縮和細(xì)胞骨架的重排等。胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度很低，小于10-7M，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于細(xì)胞外液的Ca2+濃度。細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體、肌漿網(wǎng)是細(xì)胞內(nèi)Ca2+的儲(chǔ)存庫。許多信號(hào)分子引起細(xì)胞外液Ca2+內(nèi)流或亞細(xì)胞器中Ca2+釋放，使得胞質(zhì)內(nèi)Ca2+迅速升高，調(diào)節(jié)各種生命活動(dòng)。Ca2+信號(hào)有兩條途徑：一條途徑在神經(jīng)細(xì)胞中存在，當(dāng)細(xì)胞膜去極化(depolarization)時(shí)導(dǎo)致Ca2+流入神經(jīng)末梢，啟動(dòng)神經(jīng)遞質(zhì)分泌，有關(guān)這方面內(nèi)容將在生理學(xué)中詳細(xì)介紹；另一條途徑是細(xì)胞外信號(hào)與G蛋白偶聯(lián)受體結(jié)合后，信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)的Ca2+釋放到細(xì)胞質(zhì)，由細(xì)胞質(zhì)Ca2+控制細(xì)胞反應(yīng)。

　　(一)通過G蛋白偶聯(lián)受體激活肌醇磷脂信號(hào)途徑

　　肌醇磷脂(inositol phospholipid)位于細(xì)胞膜磷脂雙分子層的內(nèi)層。與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)的肌醇磷脂是磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol，PI)的磷酸化衍生物：PI一磷酸 (PIP)和PI二磷酸(PIP2)。PI，PIP2及肌醇三磷酸(inositol trisphosphate，IP3)之間的關(guān)系見圖17-11。細(xì)胞外信號(hào)分子結(jié)合并激活受體后，使G蛋白激活，Gq蛋白激活與細(xì)胞膜附著的磷脂酶C-β，然后磷脂酶C-β使PIP2裂解。產(chǎn)生兩種分子：IP3和二脂酰甘油(diacylglycerol，DG)，兩者都在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起重要作用。通過肌醇磷脂信號(hào)途徑作用的細(xì)胞外信號(hào)有激素，如血管加壓素(vasopressin)；有神經(jīng)遞質(zhì)，如乙酰膽堿(作用于胰腺和平滑肌)；有抗原(作用于肥大細(xì)胞)；有凝血酶(作用于血小板)等。

　　(二)IP3和DG的作用

　　由PIP2水解產(chǎn)生的IP3是水溶性的小分子物質(zhì)，離開細(xì)胞膜后能在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)很快地?cái)U(kuò)散， IP3與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的特異Ca2+-通道結(jié)合后，就能使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔里的Ca2+釋放到細(xì)胞質(zhì)，而且釋放的Ca2+具有正反饋效應(yīng)，即釋出的Ca2+結(jié)合到Ca2+通道，再促進(jìn)Ca2+釋放。

　　DG的重要作用是激活蛋白激酶C(protein kinase C, PKC)，PKC是一類Ca2+依賴的蛋白激酶，能使選擇性的靶蛋白的絲氨酸/蘇氨酸殘基磷酸化。因IP3作用升高的細(xì)胞質(zhì)內(nèi)Ca2+能使PKC從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞膜胞質(zhì)面。在Ca2+，DG和細(xì)胞膜磷脂成分中的磷脂酰絲氨酸的共同作用下激活PKC。哺乳動(dòng)物中腦細(xì)胞的PKC濃度最高，其作用是使神經(jīng)細(xì)胞的離子通道蛋白磷酸化，從而改變神經(jīng)細(xì)胞膜的興奮性。在許多細(xì)胞中，PKC能通過激活磷酸化級(jí)聯(lián)反應(yīng)，最后使一些轉(zhuǎn)錄因子磷酸化并激活，從而調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)。

　　(三)鈣調(diào)蛋白的作用

　　鈣調(diào)蛋白(calmodulin)是一種特異的Ca2+結(jié)合蛋白，幾乎在所有的真核細(xì)胞中都存在。作為細(xì)胞內(nèi)Ca2+受體，鈣調(diào)蛋白介導(dǎo)多種由Ca2+調(diào)節(jié)的生物過程。鈣調(diào)蛋白的一級(jí)結(jié)構(gòu)高度保守，只有一條多肽鏈，約含150個(gè)氨基酸殘基，有4個(gè)高親和力鈣結(jié)合部位，與Ca2+結(jié)合后構(gòu)象會(huì)發(fā)生改變。Ca2+通過別構(gòu)作用激活鈣調(diào)蛋白。Ca2+-鈣調(diào)蛋白復(fù)合物的作用是能與多種靶蛋白結(jié)合并改變靶蛋白的活性。這些靶蛋白有各種酶和細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，例如細(xì)胞膜上的Ca2+-ATP酶(使胞質(zhì)內(nèi)Ca2+泵出細(xì)胞)。但是Ca2+-鈣調(diào)蛋白的效應(yīng)主要是通過Ca2+-鈣調(diào)蛋白依賴的蛋白激酶(CaM激酶)的介導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)的。CaM激酶也是通過使靶蛋白上特異的絲氨酸或蘇氨酸的磷酸化激活靶蛋白。CaM激酶具有較廣的特異性，這也說明這類酶在動(dòng)物細(xì)胞中介導(dǎo)Ca2+的多種作用。

　　六、cAMP和Ca2+途徑的相互作用

　　cAMP細(xì)胞內(nèi)信號(hào)途徑和Ca2+細(xì)胞內(nèi)信號(hào)途徑雖然是兩條獨(dú)立的途徑，但相互之間也有作用。第一，細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平和cAMP水平能相互影響，如直接與cAMP水平有關(guān)的腺苷酸環(huán)化酶和磷酸二酯酶都受到Ca2+-鈣調(diào)蛋白復(fù)合物的調(diào)節(jié)。PKA能磷酸化一些Ca2+通道和Ca2+泵，使它們改變活性，例如PKA能磷酸化內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的IP3受體，啟動(dòng)或抑制IP3引起的Ca2+釋放。第二，直接受Ca2+和cAMP調(diào)控的酶之間能相互影響，如有些CaM激酶能被PKA磷酸化而改變活性。第三，這些酶能共同對(duì)一些靶分子產(chǎn)生相互作用，在這種情況下，是PKA和CaM激酶分別使一些蛋白質(zhì)的不同部位磷酸化。

　　第四節(jié)　酶偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)

　　酶偶聯(lián)受體和G蛋白偶聯(lián)受體一樣也是一類跨膜蛋白質(zhì)，與細(xì)胞外信號(hào)分子結(jié)合的結(jié)構(gòu)域在細(xì)胞膜外，細(xì)胞內(nèi)的胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域本身即具有酶活性，或直接與其他酶相關(guān)聯(lián)。已知有5種類型酶偶聯(lián)受體：①受體鳥苷酸環(huán)化酶(receptor guanylyl cyclases)；②受體酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinases)；③酪氨酸激酶相關(guān)受體(tyrosine-kinase associated receptors)；④受體酪氨酸磷酸酶(receptor tyrosine phosphatases)；⑤受體絲氨酸/氨酸激酶(receptor serine/hreonine kinases)。本章只介紹前三種酶偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)。

　　一、受體鳥苷酸環(huán)化酶信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)

　　這類受體與細(xì)胞外信號(hào)分子結(jié)合后，能催化細(xì)胞質(zhì)內(nèi)cGMP的生成，因該跨膜受體的胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域具有鳥苷酸環(huán)化酶活性，催化GTP生成cGMP，cGMP再激活cGMP依賴的蛋白激酶(cGMP dependent protein kinase，G激酶)，G激酶能使靶蛋白上的絲氨酸或蘇氨酸殘基磷酸化，激活靶蛋白。在此信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)中，cGMP是細(xì)胞內(nèi)信號(hào)分子。與cAMP信號(hào)不同之處是：在cAMP信號(hào)途徑中聯(lián)系受體與環(huán)化酶的是G蛋白，而在cGMP信號(hào)途徑中此聯(lián)系通過受體本身。但在某些細(xì)胞中，如視覺細(xì)胞，cGMP的生成也通過G蛋白。通過受體鳥苷酸環(huán)化酶途徑的細(xì)胞外信號(hào)，有心鈉素等。

　　二、受體酪氨酸激酶信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)

　　(一) 受體酪氨酸激酶

　　第一個(gè)被確認(rèn)具有酪氨酸特異的蛋白激酶活性的受體是表皮生長(zhǎng)因子(epidermal growth factor，EGF)受體。EGF受體只有一條肽鏈，約有1200個(gè)氨基酸殘基。當(dāng)EGF與EGF受體結(jié)合后，受體的細(xì)胞質(zhì)酪氨酸激酶結(jié)構(gòu)域即被激活，激活的酪氨酸激酶能選擇性地使受體蛋白本身的酪氨酸殘基或其他靶蛋白上的酪氨酸殘基磷酸化。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)生長(zhǎng)因子和分化因子的受體都屬這一類受體，這些受體都可以通過自身磷酸化(auto-phosphorylation)來啟動(dòng)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)的級(jí)聯(lián)反應(yīng)。

　　(二)受體酪氨酸激酶信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)中的其他成分

　　1．具有SH結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)這類蛋白質(zhì)不是指含有SH基團(tuán)(巰基)的蛋白質(zhì)，而是指最初在Src(一種癌基因)蛋白中發(fā)現(xiàn)的一段序列，SH是Src同源性(Src homology)的縮寫。已發(fā)現(xiàn)有許多種含有SH結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)，如GTP酶激活蛋白(GTPase-activating protein，GAP)，磷脂酶C-γ(PLC-γ作用與PLC-β相同)，類Src非受體型蛋白酪氨酸激酶Src-like nonreceptor protein tyrosine kinase )，IRS-1等。這些蛋白質(zhì)都具有兩種SH結(jié)構(gòu)域――SH2和SH3。SH2能識(shí)別磷酸化的酪氨酸殘基，使含有SH2的蛋白質(zhì)與激活的受體酪氨酸激酶結(jié)合。SH3的作用是與細(xì)胞內(nèi)其他蛋白質(zhì)結(jié)合。在具有SH2和SH3的蛋白質(zhì)中有些是酶蛋白，如上述GAP，PLC-γ等，有的只是作為一種“連接器”，如生長(zhǎng)因子受體結(jié)合蛋白(growth factor receptor bound protein2, GRB2)，它的作用就是作為連接受體酪氨酸激酶和其他蛋白質(zhì)的橋梁。

　　2．SOS蛋白(簡(jiǎn)稱SOS)SOS能與GRB2的SH3結(jié)構(gòu)域結(jié)合，SOS是一種鳥嘌呤核苷酸交換因子(guanine nucleotide-exchange factor ，GEF)，能與Ras蛋白結(jié)合，并使原來與Ras結(jié)合的GDP交換成GTP。當(dāng)受體酪氨酸激酶被激活后，通過GRB2的作用；使原來在細(xì)胞質(zhì)中的SOS移位至細(xì)胞膜的胞質(zhì)面，接近膜結(jié)合的Ras。

　　3．Ras蛋白(簡(jiǎn)稱Ras)Ras屬于單體GTP酶Ras超家族(Ras superfamily of monomeric GTPase )，是位于細(xì)胞膜胞質(zhì)面的膜結(jié)合蛋白。GTP酶激活蛋臼(GAP)能使與Ras結(jié)合的GTP水解成GDP而使Ras失活，而鳥嘌呤核苷酸交換因子(GEF)能使與Ras結(jié)合的GDP交換為GTP而使Ras激活。Ras在通過受體酪氨酸激酶介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮中心作用，是一種關(guān)鍵的成分，這種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)控制細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化。Ras的突變使其失去信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用，能引起細(xì)胞的惡變。

　　4．Ras下游的信號(hào)介導(dǎo)物被激活的Ras能結(jié)合一種具有絲氨酸/氨酸激酶活性的Raf蛋白的N端結(jié)構(gòu)域。與Ras結(jié)合的Raf能藉C端結(jié)合并磷酸化一種既具有酪氨酸激酶活性又具有絲氨酸激酶活性的蛋白質(zhì)――MEK。被磷酸化的MEK能使另一種具有絲氨酸/氨酸激酶的蛋白質(zhì)――MAP激酶(microtubule-associated protein or mitogen-activated protein kinase )磷酸化，并使之激活。激活的MAP激酶磷酸化多種不同的蛋白質(zhì)，包括轉(zhuǎn)錄因子，從而對(duì)基因的表達(dá)發(fā)揮調(diào)控作用。

　　三、酪氨酸激酶相關(guān)受體信號(hào)系統(tǒng)

　　JAK-STAT信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑是酪氨酸激酶相關(guān)受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)中一個(gè)比較典型的例子。這是一種比較簡(jiǎn)單的信號(hào)系統(tǒng)，只有三種成分：受體、JAK激酶和STAT。

　　(一) 酪氨酸激酶相關(guān)受體

　　這類受體包括多種細(xì)胞因子(cytokines)的受體，如干擾素受體，白細(xì)胞介素2受體等。這類受體本身不具有內(nèi)在的激酶活性，但是細(xì)胞外信號(hào)分子與之結(jié)合后，能形成二聚體，受體二聚體能與JAK激酶結(jié)合，并激活JAK激酶。

　　(二) JAK激酶

　　JAK激酶是一族分子，有多種成員，每種成員能特異地和相應(yīng)的細(xì)胞因子受體結(jié)合。JAK激酶原來稱為Janus激酶(Janus意為看守門戶的兩面神)，因?yàn)檫@種分子上有兩個(gè)激酶結(jié)構(gòu)域。JAK激酶屬酪氨酸激酶，主要的底物是STAT。

　　(三) STAT

　　STAT是一類轉(zhuǎn)錄因子，是signal transducers and activation of transcription的縮寫。目前已知至少有7種STAT，每種STAT分別由相應(yīng)的JAK激酶激活。STAT的磷酸化導(dǎo)致STAT二聚體的形成，這種二聚體可以是同二聚體或異二聚體。形成二聚體的基礎(chǔ)是分別存在于兩個(gè)STAT上的SH2結(jié)構(gòu)域和磷酸化的酪氨酸殘基之間的相互作用。STAT二聚體從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi)，和相應(yīng)的順式作用元件結(jié)合，調(diào)控靶基因的表達(dá)。

　　第五節(jié) 過細(xì)胞內(nèi)受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)

　　小分子脂溶性(疏水性)的細(xì)胞外信號(hào)分子有類固醇激素、甲狀腺素、維甲酸類、維生素D等。這類信號(hào)分子雖然在結(jié)構(gòu)上差異很大，但是信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的機(jī)制是相同的。這些脂溶性分子都能直接擴(kuò)散通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞核，與細(xì)胞內(nèi)受體蛋白結(jié)合，并激活受體，最后通過受體去調(diào)控基因的表達(dá)，因此這類細(xì)胞內(nèi)受體是一類反式作用因子。這類受體稱為細(xì)胞內(nèi)受體超家族(intracellular receptor superfamily )或類固醇激素受體超家族(steroid-hormone receptor superfamily )。

　　一、細(xì)胞內(nèi)受體的結(jié)構(gòu)域

　　這類受體都有兩個(gè)結(jié)構(gòu)域，即DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，激素結(jié)合結(jié)構(gòu)域和一個(gè)變區(qū)。同受體的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域顯示較高的一級(jí)結(jié)構(gòu)同源性，激素結(jié)合結(jié)構(gòu)域的同源性低一些，變區(qū)的一級(jí)結(jié)構(gòu)則不具同源性。變區(qū)含有激活結(jié)構(gòu)域，DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域具有4個(gè)半胱氨酸殘基的鋅指結(jié)構(gòu)。細(xì)胞內(nèi)受體借DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域與相應(yīng)的靶基因上的反應(yīng)元件結(jié)合。

　　二、脂溶性細(xì)胞外信號(hào)分子調(diào)控基因表達(dá)的機(jī)制

　　糖皮質(zhì)激素透過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞后與糖皮質(zhì)激素受體結(jié)合，受體結(jié)合激素后被激活，激活的受體進(jìn)入細(xì)胞核識(shí)別結(jié)合糖皮質(zhì)激素反應(yīng)元件(GRE位于增強(qiáng)子內(nèi))，當(dāng)激素-受體復(fù)合物與增強(qiáng)子結(jié)合后就激活啟動(dòng)子，啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。其他脂溶性激素的作用機(jī)制基本相同。