月度归档： 2019 年 1 月

蛋白酪氨酸磷酸化是细胞用来调控信号转导的一个最主要的手段。在细胞内，酪氨酸磷酸化是同一个动力学可逆的过程，并且该磷酸化过程可以抑制蛋白酪氨酸激酶（ PTKs ）的活性。PTKs 是用来催化酪氨酸磷酸化，而 PTPs 控制着去磷酸化过程。因此， PTKs、PTPs 及它们相应的底物都属于可调节信号转导的一类化合物，它们在体内的细胞生长、分化、代谢、细胞周期、细胞闻通讯、细胞迁移等这些基本活动中起着极为重要的信号转导调节作用。这一信号转导网的缺陷和不适当则会导致酪氨酸磷酸化的异常，进而引发许多人类疾病如癌症和糖尿病等。

PTPs 也可以被划分为三大类，即特异性酪氨酸 PTPs（tyrosine-specific）、双重特异性 PTPs（dual-specific）和低分子量的 PTPs 。特异性酪氨酸 PTPs 和低分子量的 PTPs 目标物必须是含有酪氨酸的蛋白，而双重特异性的 PTPs 目标物既可以是含有酪氨酸的蛋白，也可以是含有丝氨酸和苏氨酸的蛋白。一些双重特异性的PTPs可以水解底物而不是水解磷酸蛋白。双重特异性的 PTPs 包括 MAP 激酶磷酸酶（MKPs），细胞循环调节器 Cdc25 磷酸酶和肿瘤下扰抑制器 PTEN 。许多疾病都与信号转导有障碍有关，其特征就是酪氨酸磷酸化过度或者不能正常实现磷酸化。

酪氨酸磷酸酯（pTyr）模拟化合物的设计是发现 PTPs 抑制剂的一条最主要途径。在早期， pTyr 模拟化合物的设计主要是针对 PTPs 的催化活性区域，通常用磷酸、乙酸、丙二酸、磺酸和草酸等来代替磷酸酯基，因为所有的 PTPs 都拥有相同的磷酸化的酪氨酸活性位点，所以设计单一的、选择性的 PTPs 的抑制剂；而独特的与 PTP 活性位点相临近的部位能够作为靶点增强抑制剂的亲和力和选择性。基于此原理，人们已经发展了几种有效的选择性好的 PTPs 抑制剂。

无机化合物抑制剂

最早发现的一类可逆的非特异性 PTPs 抑制剂是钒酸盐和过氧钒酸盐。其中钒酸盐能竟争性抑制活性位点中的半胱氨酸残基。在钒酸盐与 PTP1B 复合物的晶体结构中，钒原子与活性位点中的硫醇非常靠近，并与酶形成三角双锥形的过渡态结构，类似于磷酰基转移过程中形成的硫代磷酸盐过渡态。 PTPs 包含一个具有催化功能的半胱氨酸残基，因此一些碱性试剂和氧化试剂可能成为潜在的 PTPs 抑制剂。过氧钒酸盐则为一种强氧化试剂，它使活性位点中的半胱氨酸残基氧化成为磺酸，因此它对 PTPs 的选择性要强于钒酸盐；其他的无机类 PTP 抑制剂还有一氧化氮和苯胂化氧；这些无机化合物除了可以抑制 PTPs 外，还有其他的酶抑制活性，正是这种非专一性限制了其作为药物的可能性。

磷酸酯类抑制剂

磷酸酯类化合物具有较强的抑制活性、一直作为 PTPs 抑制剂设计的重点。在磷酸的 a 位引入负电性的卤原子后，降低了磷酸根的 \(pK_{a}\) 值，增强了磷酸与 PTPs 催化活性区域的静电作用及氢键相互作用。拥有两个 DFMP 结构单元抑制剂分别与催化活性区及第二结合位点作用，其活性是单二氟亚甲基磷酸（DFMP）化合物的 450 倍，并且对 PTP1B 有一定的选择性。为了构建分子多样性的化合物库，采用平行合成技术，以不同的肽模拟物片段连接两个二氟亚甲基磷酸结构单元，筛选得到的化合物对 PTP1B 具有很高的亲和力。

噻二唑烷酮类抑制剂

噻二唑烷酮类是一类直接针对胰岛素抵抗的新药，该类药物通过增加靶器官内的胰岛素敏感性来改善血糖控制。该类化合物是酪氨酸磷酸酯的生物电子等排体。磷酸酯中的两个氧原子与砜基上的氧配适，而磷酸酯中的第 3 个氧原子与 2 位氮原子重叠。由于 1 位砜基和 3 位羰基均为吸电子基团，2 位氮上的质子具有弱酸性，可以模拟磷酸酯与催化活性区的碱性氨基酸形成静电作用，增加与酶的亲和力。噻二唑烷酮类抑制剂的开发为 pTyr 模拟物设计提供了一条新思路，有望成为高活性、高选择性、药学性质适合的新药物。

加利福尼亚大学博士后 研究员 骆宛琳

Postdoctoral Fellow at University of California Wan-Lin Lo

一转眼，又到了一年一度诺贝尔奖在各领域狂放鞭炮的日子。今年的诺贝尔生医奖这一串大红鞭炮，炸到了两位免疫学泰斗：美国免疫学家James Allison 和日本免疫学家本庶佑（Tasuku Honjo），为他们在癌症免疫疗法开疆辟土的贡献，合给了一顶大桂冠。

James Allison 博士和本庶佑博士这几年来在各大科学奖项上获奖无数。两人皆是 2014 年台湾唐奖生技医药奖的得主；隔年，Allison 博士又拿到了另一个极其殊荣的 Lasker Award；再隔一年，本庶佑博士也风光摘下 Kyoto Prize。而在今年十月第一个礼拜一早晨，两人又一起分得了今年的诺贝尔生医奖。

两人获奖历历，是实至名归：他们各自在基础研究上的贡献，让我们对如何对抗癌症有了套崭新的研发角度与治疗策略。在这之前，利用免疫细胞来对抗癌症还是个极其异想天开的冷门课题；要不是James Allison 和本庶佑博士（以及许多诺贝尔奖外的遗珠们）带头冲锋陷阵，一路挺直着腰杆让数据说话，癌症免疫学或许不会是如今这般灿烂光景呢。不过，James Allison 博士跟本庶佑博士年轻的时候到底发现了什么厉害的东西，而能在今日让众人同口齐称赞呢？

说「当这两位泰斗还年轻时」，其实也不过是一九九几年间的事。而这些「想当年」的事，要从免疫系统里的最有战斗力之一的 T 细胞开始说起。早在1970 年左右，科学家已经知道T 细胞会起了杀心，是因为T 细胞细胞表面的TCR （T 细胞表面抗原受体），像是随身带了照妖镜一样，可以藉由扫描其他细胞表现在细胞表面的p-MHC，辨认出其他细胞是不是心怀鬼胎。 MHC 就是大名鼎鼎主要组织相容性复合体的缩写，每个人都不一样，免疫细胞靠着这些打从娘胎里自带的 MHC 标签来确认其他细胞到底是不是自家人。 MHC 分两类，但不论哪一类，都可以像小碟子一样，把细胞内蛋白质降解后的蛋白质胜肽，一小碟、一小碟的呈在细胞表面供TCR 鉴赏，这就是p-MHC（ peptide-MHC）。而有些细胞，像是树突细胞（dendritic cells），更是其中翘楚，是专职上菜给 T 细胞检查的。可别小看这些一碟碟的p-MHC 喔，如果细胞内的蛋白质有变异、或是有病原菌入侵，这些非善类蛋白质降解后的胜肽，就会像热菜上桌，香味四溢地立刻吸引能够「嗅出」不对劲的专一性T 细胞。如果 T 细胞表面的 TCR 刚好碰到了能够专一结合的 p-MHC，TCR 就会传递讯息活化 T 细胞，免疫反应就会被启动了。每一个 T 细胞只表现一种 TCR，而每个 T 细胞表现的 TCR 专一性都不一样。以人类来说，据估计大概有一亿种不同的 TCRs 在人体内帮我们把关喔。

十年之后，到了 1980 年左右，大家开始发现事情没有这么单纯。 T 细胞也实在不是一头盲冲，只听 TCR 话的笨蛋。除了这第一个由 TCR 专一性主掌的绿灯，T 细胞还需要来自 co-stimulation 的第二个绿灯。而有些细胞，像专职上菜的树突细胞就能够提供这第二个讯号；有些细胞，像癌症细胞，就无法。以至于癌症细胞在 T 细胞眼里，就像是披了隐形斗篷一样，完全视若无睹。 1990 年的时候，James Allison 率先发现这执掌第二个绿灯的大当家，是 CD28。不久之后，CD28 结合的受体也被其他人（Linsley博士实验室）找到了。 CD28 表现在 T 细胞上，能够和树突细胞（或其他抗原呈现细胞）的 B7 蛋白质结合。 Allison 实验室也证明如果让癌症细胞表现大量的 B7 蛋白质，癌症细胞的隐形斗篷就会立刻失去魔法，而能够快速的被免疫系统歼灭。

但 James Allison 可不是因此而得到诺贝尔奖，这故事还得继续说下去。又过了十年，Allison 发现要让 T 细胞起杀心这事，不是「TCR + CD28」这两个绿灯亮了又亮，就能概括的事，他开始觉得事情铁定没有这么单纯。后来，有科学家解码了一个像是 CD28 孪生兄弟的基因，就是 CTLA-4。当时，CTLA-4 这个蛋白有什么十八般武艺还是个未知，但光它跟 CD28 极端神似这点，就成了众所瞩目的焦点。 Linsley 博士实验室发现，CTLA-4 跟 CD28 不单是长得像，喜好也很像：两个蛋白质都能够跟 B7 蛋白质结合。 Linsley 博士实验室于是提议，CTLA-4 应该就是 CD28 的哥俩好，两个蛋白质的功能是看其一，知其二。

但，Allison 实验室做了实验，提出了一个很有意思的论点。 CTLA-4 和 CD28 其实是两个互为抗衡的角色。 T 细胞一边等着 CD28 的绿灯把一脚踩在油门上，另一脚可是老老实实地踩着 CTLA-4 这个煞车呢。因此，就算树突细胞（或是其他抗原呈现细胞）把癌细胞的变异蛋白胜肽端上了小碟子呈现到T 细胞前，如果T 细胞表面的CTLA-4 也启动了抑制性调控机转，树突细胞就无法让T 细胞被活化而去杀敌癌细胞。

在那几年间，关于 CTLA-4 的争论没停过；CTLA-4 到底是效颦 CD28 的东施一枚，还是第一个被发现的 T 细胞内建煞车器呢。一直到 CTLA-4 基因剔除老鼠问世，这些争论才算尘埃落地。小老鼠如果欠缺了 CTLA-4 的基因，不出几个礼拜都夭折于自体免疫疾病。可见，CTLA-4 在 T 细胞内，扮演着抑制性调节的角色。

自此，许多人都想着 CTLA-4 在自体免疫疾病方面的应用价值。但 Allison 不一样，他想， T 细胞免疫虽然（几乎）战无不克，却老在对抗癌症上一直吃闷亏，搞不好都是因为 CTLA-4。如果有一支抗体能够结合上CTLA-4，然后阻断CTLA-4 所传递的抑制调节讯息，或许T 细胞就能像蒙眼的马不受惊，拼命向前冲，杀得癌症细胞片甲不留。自 1996 年开始，Allison 实验室开始发表一系列相关研究来支持他们的论点。 1997 年，他们成功利用蛋白质与抗体工程技术，生产出一株可以结合上CTLA-4、阻断CTLA-4 的讯息传导路径的抗体，让T 细胞不再一直踩着煞车而能够更有效率地把癌细胞歼灭。接下来的临床实验也不负众望，CTLA-4 抗体对治疗后期黑色素瘤的皮肤癌特别有效。

而 T 细胞除了 CTLA-4，还有其他的煞车扮演着抑制性调节的角色。像是由本庶佑博士所发现的 PD-1 虽然作用机制跟 CTLA-4 大大不同，但也是扮演着抑制性调节的要角。 PD-1 的受体是 PD-L1，如果T 细胞表面的 PD-1 结合上了 PD-L1，T 细胞功能就会被抑制。许多癌症细胞都会大量表现 PD-L1，借以逃避免疫细胞的追击。因此，就像利用阻断 CTLA-4 来治疗癌症同样的策略，利用抗体阻断 PD-1，T 细胞就能对癌症细胞大发威。而且，临床试验证明 PD-1 才是更有效又副作用比较小的方式呢。

James Allison 博士和本庶佑博士对癌症免疫学的贡献，是有目共睹。他们的研究成果不仅让免疫学家对 T 细胞活化机转有更全盘的认识与了解，更是引进了癌症治疗新策略。 Allison 曾说，当年要把 CTLA-4 这支抗体推广到药厂与临床试验的时候，可是跑了一家又一家的药厂，却被大多数的药厂拒绝。后来，是美国大药厂 Bristol-Myers Squibb 鼎力相助而让 CTLA-4 的临床应用一举跑过了终点线。这顶桂冠认证了 James Allison 博士与本庶佑博士的眼界与思考深度，更赞荣了那个年代在这个研究课题上你一​​言、我一语，一个又一个的科学家。桂冠底下的遗珠太多，但一起成就的是不仅是细描了知识的美，更是让人类能更健康的可能呢。

信号转导系统在正常人体生理功能的维持以及疾病的发生发展过程中均发挥十分重要的作用。例如，理化性致癌物质诱发的细胞恶变过程中，不仅有 DNA 依赖性激酶、AT 突变基因和 p53 蛋白信号的参与，还包括一系列信号转导通路的激活，导致 ERK、p38 激酶和应激激活蛋白激酶/JNK 的活化而引起细胞的异常增殖；高血压时，细胞内\(Na^{+}\) 、\(Ca^{2+}\) 等阳离子浓度显著升高，Gq-PLCβ-DAG/\(IP_{3}\) 信号转导途径功能明显上调，PI3K 活化，转录因子活性增强。以信号转导分子为靶点进行治疗和药物设计已成为近年来的一个研究热点具有广阔的前景。

作用于受体的药物

受体位于信号转导的第一步，作用于受体的药物是使用非常广泛的一类药物，世界上有 40% 以上的畅销药都是针对受体的，近年来研发的新药中更有 70% 作用于受体。作用于受体的药物主要包括受体激动药、拮抗药和受体抗体等，通过受体启动或阻止配体与受体的用而引发细胞内信号变化。

作用于G蛋白的药物

G蛋白激活剂

黄蜂毒素是一个具有 14 个氨基酸的肽段，第一个被发现具有直接激活 G 蛋白的作用。黄蜂毒素与其相关肽黄蜂毒素-X 可直接激活 Gi 和 Go ，黄蜂毒素S（以氨基异丁酸取代第 10 位丙氨酸）则选择性激动 Gsα。在磷脂存在的情况下，黄蜂毒素的二级结构为一带正电荷的既亲水又亲脂的两亲 α 螺旋，向水表面提供 3 个正电荷，与 GPCR 中和 G蛋白作用的胞质区相似，可以直接刺激 G蛋白。许多亲脂性化合物，如苯扎溴铵具有与黄蜂毒素类似的作用；盐酸二甲双胍可直接作用于 Gα11 和 Gia1 使其激活。另外，一些 GPCR 家族受体衍生多肽也可直接激活 G蛋白，其第 3 细胞内环相邻部分在其中起着重要作用；具有类似结构的受体配体包括 P物质、强啡肽和缓激肽也可激活G蛋白。

尽管结构上存在着很大差异，但所有的两亲阳离子化合物都具有激活G蛋白的性质，如天然多聚胺或合成的化合物 48/80、防腐剂苯扎溴铵、糖精钠盐等在体外都可激活 G蛋白。基于这一思想，已合成多种具有激活 G蛋白作用的化合物，如组胺的衍生物等。

G蛋白拮抗药

1. 变构鸟苷酸 鸟苷酸以很高的亲和力与 G蛋白 α 亚基上 Ras 样区域与 α 螺旋区之间的裂隙结合，这种紧密结合使变构鸟苷酸不易解离，从而阻滞 Ga 信号。GTP 的一种 2′,3′-二醛基类似物 oGTP 就是一种高效的 G蛋白拮抗药，其醛基与 Gα 的赖氨酸侧链形成席夫碱，导致 oGTP 与 Gα 亚基近乎不可逆性结合，随后 oGTP 裂解为 oGDP，Gα停滞于非活化状态。oGTP 对不同的 Gα 亚基无选择性。除此之外，oGTP 还可抑制相对分子质量小的 Ras 样G蛋白及蛋白质合成的延长因子。
2. G蛋白衍生肽类 Gα 亚基与受体接触部分及羧基末端氨基酸残基衍生肽能够使受体-G 蛋白脱偶联及抑制细胞膜上效应器的调节。例如，Gsα C端模拟试在溶液中可形成 α 螺旋，影响 \(A_{2A}\) 八腺苷受体与G蛋白的结合，抑制受体激活的 AC 活性，还可调节受体的高亲和力状态为中等亲和力。
3. 非肽类 G蛋白拮抗药 苏拉明是一种多磺酸苯胺苯甲酰胺衍生物，用于抗锥体虫和成年盘旋尾丝虫已有 70 多年的历史近年发现，苏拉明及其类似物可作为高效的 G蛋白亚型选择性抑制剂，能够区分 Gs、Gi/o 以后的信号转导途径，直接抑制 Gα 活化的关键步骤—— GTP 与 GDP 的交换，干扰激动药受体 G蛋白复合体的形成，排斥复合体与效应器的结合。值得指出的是，尽管 P物质可直接激活 G蛋白，P物质的多种类似物却具有 G蛋白拮抗作用。

乙烷能够干扰 Gi 蛋白 α 或 βγ 亚基与效应器之间的作用而抑制 Gi 功能，增强 AC 活性。长期应用去甲肾上腺素或异丙肾上腺素可引起 Gi 增多；普萘洛尔虽可拮抗异丙肾上腺素的效应，但对 Gi 表达无影响，由此可知异丙肾上腺素影响 Gi 与 β 受体无关。非甾体消炎药如水杨酸酯可通过非花生四烯酸依赖作用方式直接与 G蛋白相互作用；水杨酸、吲哚美辛和吡罗昔康可感染趋化性受体的跨膜转导，干扰 Ga 的 C 端。

总之，由于一种受体通过多种 G蛋白作用于多种效应器，这样从理论上讲，作用于 G蛋白的药物选择性便会大于作用于受体的药物；另一方面，多种受体可通过二种 G蛋白而起作用，如血管紧张素日受体、内皮素受体、P2Y 受体和 α1 -AR 四种受体均可激活 Gq，共同引起心肌肥厚，使用 Gq 拮抗药效果优下受体拮抗药，因此，直接作用于 G蛋白的调节剂称为一类重要的药物，当受体水平上的激素信号转导途径被扰乱时，它们代表了一种新的治疗策略，具有广阔的研究与应用前景。如当某种原因引起受体水平的病理缺陷时，可运用 G蛋白的激活剂或抑制剂绕过失活受体直接从 G蛋白水平进行药理学干预。由于信号转导网络的复杂性，选择性（包括亚型选择性及组织细胞选择性等）应该是 G蛋白调节剂研究的重点。

作用于效应器的药物

福斯高林是从薄荷科植物 Coleu sforskohlii 的根中提取出的一种二萜，可直接激活 AC；福斯高林衍生物如 6-(3二甲氨基-丙酰)-福斯高林等能选择性地作用于在心脏中占据优势的 \(AC_{5}\) ，改善心肌功能。腺苷类似物作用于类似 AC 的细胞内 C1、C2区域，可抑制 AC 活性，称为 P位抑制剂，常用作工具药。磷酸二酯酶抑制剂如氨力农、米力农等已作为一类非强心苷类正性肌力药在临床广泛应用。黄蜂毒素除能作用于 G蛋白外，还可直接激活 PLC, 10 μmol/L 黄蜂毒索可使 PLC 活性增强 2 倍，而且这种激活作用与 G蛋白无关。

作用于其他信号转导分子的药物

酪氨酸蛋白激酶抑制剂

PTK 在多种细胞因子、生长因子的信号转导中发挥关键的作用，通过一系列反应影响细胞的生长、增殖和分化。多数肿瘤细胞 PTK 活性异常升高，因此 PTK 是一个非常重要和有价值的抗肿瘤靶点。目前 PTK 抑制剂主要有黄酮类、肉桂酰胺类、苯乙烯类、芪和苯胺类、二底物型抑制剂、吡哆嘧啶类、吡哆并喹唑啉和联硒双吲哚类等，其中来源于天然产物的有三羟异黄酮、除莠霉素A 等。迄今为止，已证明许多 PTK 抑制剂有抗肿瘤活性，部分可诱导白血病细胞分化； PTK 抑制剂与其他抗肿瘤药物合用治疗癌症也取得了一些可喜的成果。

法尼基转移酶抑制剂

法尼基转移酶是近年来发现的与 Ras 蛋白异戊二烯化修饰密切相关的一种必需酶，FTase 在 Ras 羧基端 CAAX 结构中的半胱氨酸残基上加上一个法尼基，法尼基化 Cys 发生羧甲基化，使 Ras 蛋白定位于细胞膜。抑制 FTase 活性和组织 Ras 蛋白的法尼基化，可以有效地抑制肿瘤细胞的增殖。现有的 FTase 抑制剂有法尼基二磷酸（FPP）竞争性抑制剂和 CAAX 竞争性抑制剂两类，主要药物有手霉素、替匹法尼和 Lonafarnib 等。

除此之外，还有 Raf 抑制剂、 MEK/MAPK 抑制剂、P13K 抑制剂和蛋白磷酸酯酶抑制剂等，均在研究之中。

细胞信号包括生物大分子的结构信号、物理信号和化学信号。其中，由生物细胞产生的化学信号是细胞间通讯最主要的信号。外界刺激、其他细胞的刺激以及神经冲动都可以引起分泌细胞、神经细胞末梢等分泌化学信号分子。

化学信号种类

1. 激素按化学组成激素可分为含氮激素和类固醇激素两类。含氮激素包括氨基酸衍生物及胺类（肾上腺素、甲状腺素等）、肽类与蛋白质类（下丘脑和垂体释放的一些激素、消化道激素、胰岛素、表皮生长因子等）；类固醇激素又称为甾类激素，包括糖皮质激素（氢化可的松等）、盐皮质激素（醛固酮）和性激素（雌二醇、睾酮等）。
2. 神经递质神经递质是神经系统细胞间通讯的化学信号分子，由突触前膜分泌。神经递质主要有胆碱类（乙酰胆碱）、氨基酸类（γ-氨基丁酸、甘氨酸、谷氨酸等）、单胺类（去甲肾上腺素、多巴胺、5-羟色胺等）以及神经肽类（脑啡肽、催产素等）。
3. 局部化学介质局部化学介质既不同于激素，也不同于神经递质，其只作用于邻近细胞，如前列腺素、肥大细胞分泌的组胺和嗜伊红趋化因子、神经生长因子等。
4. 气体分子近年来发现，一些内源性相对分子质量较小的气体分子，如一氧化氮、一氧化碳、硫化氢等，在体内组成气体信号分子调节体系。气体分子虽然化学结构简单，但其生物学功效很强，对机体功能的稳态调节具有极其重要的生理和病理意义。内源性 NO 为 L-精氨酸或亚硝酸盐的产物，分布于全身各器官组织，具有多种生物学效应；CO 由血红素降解产生，与海马的长时程增强有关，还可调节血管张力，抑制平滑肌细胞增殖及抑制血小板聚集；\(H_{2}S\) 是体内含硫氨基酸的代谢产物，对神经系统和心血管系统都有生物调节作用。
5. 其他例如，一些进入体内的药物、有毒的物质包括细菌毒素等，均可作为化学信号刺激细胞作出反应。

化学信号细胞外传递

种类繁多的化学信号分子具有不同的作用方式和不同的细胞外传递途径，主要包括内分泌、旁分泌和自分泌等通路。

1. 内分泌 指体内的一些特殊分泌细胞产生化学介质（如激素）后，将其释放到血液中，随血液循环输送到身体的各个部分，被远距离的靶细胞上的受体识别并。拖找。出来。其作用弥散，到达靶细胞往往需要较长时间，作用持续时间也较长。
2. 旁分泌 指由细胞分泌的化学介质（如神经递质）由于很快被代谢破坏，只能对邻近或周围的靶细胞起作用。其特点是作用范围局限，传输速度快，作用时间短，一般不进入血液循环。除了各种神经递质外，些生长因子和前列腺素等也采用这种方式传输。
3. 自分泌 指信号分子自细胞分泌后、又作用于该细胞，与细胞上这种信号分子的特异性受体结合并发挥作用，即分泌细胞和靶细胞为同一细胞。值得注意的是，细胞产生的信号分子必须首先被分泌到细胞外，并且这个细胞也必须存在相应的受体。信号分子被分泌到细胞外之前·是不会引发自身细胞效应的。许多生长因子都以这种方式发挥作用；多种肿瘤细胞均可分泌某种生长因子促进自身的增殖。

化学信号跨膜传递

信号分子根据其理化性质可分为两大类：一类是亲脂性物质如类固醇激素、甲状腺素、视黄醛类物质（如维生素 A）等，不溶于水，易于通过靶细胞的脂质双分子质膜进入细胞，与细胞内受体结合为复合体，进入细胞核，受体复合物与 DNA 结合，调节特定基因的表达模式，效应持续时间较长，影响细胞的生长分化与发育等功能；另一类是亲水性物质，包括蛋白质、多肽、氨基酸、乙酰胆碱和生物胺等，它们的共同特点是，不能通过脂质双分子层，只能与细胞表面受体结合，通过信号转换将信息传递至细胞内发挥作用。这些受体均为细胞膜的组成成分，本质是蛋白质，即结合膜蛋白。根据生化特性，可将膜受体分为以下几类：

G蛋白偶联受体

与细胞外信息物质结合后，首先激活特殊的 G 蛋白，再通过 G 蛋白亚基将信号传递到效应器蛋白，而产生生物效应。G 蛋白偶联受体是一个拥有众多成员的最大受体家族，据估计其成员约有 5000 个。这类受体结构非常相似，均为单一肽链，形成 7 个 α 螺旋往返穿过细胞膜，组成 3 个细胞外环和 3～4 个细胞内环。N 端在细胞外，C 端在细胞内，这两段肽链氨基酸组成在各种受体中差异较大，与其配体识别和转导信息的特异性有关。

配体门控型离子通道受体

本身即离子通道蛋白，由配体结合部位和离子通道两部分构成。信息物质与之结合后受体变构导致通道状态改变，特定的离子内流或外流，从而传递信息。

酶受体

酶受体有多种类型：

1. 鸟苷酸环化酶受体心房钠尿肽与之结合后，导致受体本身具有的鸟苷酸环化酶活化，使 GTP 转化为 cGMP 而发挥作用，促 \(Na^{+}\) 内流。
2. 受体酪氨酸激酶本身即具有酪氨酸蛋白激酶活性。信息物质与之结合后，激酶被激活，导致细胞内底物蛋白酪氨酸残基磷酸化，激活细胞内蛋白激酶，从而发挥生物效应。
3. 酪氨酸激酶相关受体本身不具备酪氨酸激酶活性，但与配体结合后，可通过非共价键与细胞内的酪氨酸激酶连接在一起，使各种蛋白磷酸化，包括受体本身。
4. 磷酸酶受体本身即为磷酸酶，被激活时磷酸酶也被激活，使磷酸化的蛋白脱磷酸。
5. 细胞因子受体包括白介素、促红细胞生成素、粒细胞集落刺激因子等多种细胞因子的受体，结构上具有明显的共性。

大多数含氮激素及某些神经递质在与细胞膜受体结合时，首先促进细胞内某种化学物质的生成，进而通过该物质对细胞内多种代谢过程的影响而发挥作用。在此过程中，激素起第一信使的作用。第一信使与受体结合并使其活化，经受体的固有催化活性或通过 G 蛋白的偶联作用激活效应器。效应器分子活化将受体激活信号转化为细胞内信号，将细胞外信息继续传递下去，这种由效应器催化而产生的细胞内信号分子称之为第二信使。在细胞内信号传递中较为重要的第二信使有环腺苷酸、环鸟苷酸、二酰甘油、肌醇三磷酸、\(Ca^{2+}\) 以及花生四烯酸、磷脂酸、神经酰胺、一氧化氮和一氧化碳等。

第二信使均为小分子或离子，具有两个基本特征：①是第一信使同其膜受体结合后最早在细胞膜内侧或细胞质中出现、仅在细胞内部起作用的信号分子；②能启动或调解细胞内稍晚出现的反应信号应答。第二信使在细胞信号转导中起重要作用，它们能够激活级联系统中酶的活性以及非酶蛋白的活性。第二信使在细胞内的浓度受第一信使的调节，它可以瞬间升高，且能快速降低，并由此调节细胞内代谢系统的酶活性，控制细胞的生命活动，如葡萄糖的摄取和利用、脂肪的储存和移动、细胞产物的分泌等。第二信使也控制着细胞的增殖、分化和生存，并参与基因转录的调节。

环脂苷酸

AC 激活后，催化 ATP 生成 cAMP 。cAMP 经磷脂二酯酶（PDE）作用而降解为 5′-AMP （Adenosine 5′-monophosphate，5′-一磷酸腺苷）。

\(\beta\) 受体、\(D_{1}\) 受体、\(H_{2}\) 受体等激动药通过 \(Cs\alpha\) 作用使 AC 活化，ATP 水解而使细胞内 cAMP 增加；\(\alpha_{2}\) 受体、\(D_{2}\) 受体、\(M\) 受体、阿片受体等激动药则通过 Gi 作用抑制 AC ，而使细胞内 cAMP 减少。茶碱抑制 PDE 而使细胞内 cAMP 增多。cAMP 产生后，主要通过蛋白质磷酸化作用继续传递信息，这是由细胞内一种专一酶—— cAMP 依赖性蛋白激酶，将代谢途径中一些靶蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，将其激活或钝化。这些被修饰的靶蛋白往往是一些关键调节酶或重要功能蛋白，因而可以介导细胞外信号，调节细胞反应。当 cAMP 信号终止后，靶蛋白的活性则在蛋白质脱磷酸化作用下恢复原状。

环鸟苷酸

cGMP 是 GTP 经鸟苷酸环化酶作用的产物，也受 PDE 灭活。cGMP 可以调节细胞膜 cGMP 门控离子通道、磷酸二酯酶和 cGMP 依赖性蛋白激酶，作用与 cAMP 相反，使心脏抑制、血管舒张和肠腺分泌等， cGMP 可以独立作用而不受 cAMP 制约。

肌醇磷脂

\(\alpha_{1}\) 、\(H_{2}\) 、\(5-HT_{2}\) 、\(M_{1}\) 和 \(M_{3}\) 等受体激动药与其受体结合后，活化受体激活 Gq 蛋白 Gqα 进一步激活 PLC , PLC 催化细胞膜上的磷脂酰肌醇二磷酸水解为 DAG 及 \(IP_{3}\)。DAG 的进一步代谢包括两种途径：第一种是在 DAG 激酶的作用下磷酸化为磷脂酸，进而与 CTP 反应生成 CDP-DAG ，进入磷脂代谢循环，与肌醇合成磷脂酰肌醇；第二种是被 DAG 脂酶水解生成单酰甘油和脂肪酸，脂肪酸中的花生四烯酸可进一步氧化生成前列腺素、白三烯等生物活性物质。\(IP_{3}\) 则一方面可以继续脱磷酸形成\(IP_{3}\)、\(IP\) 以至游离的肌醇；另一方面可以继续磷酸化生成\(IP_{4}\)、\(IP_{5}\) 以至 \(IP_{6}\) 等多磷酸肌醇。

DAG 在细胞膜上激活蛋白激酶，使许多靶蛋白磷酸化而产生效应，如腺体分泌、血小板聚集、中性粒细胞活化及细胞生长、代谢和分化等效应。\(IP_{3}\) 能促进细胞内钙池释放 \(Ca^{2+}\)，具有重要的生理意义。两条途径相辅相成，又相互约束。同时，两条通路信号的强弱又可根据原始信号的不同特征在细胞内加以调节，而使细胞对这些外界信号作出不同的反应。

钙离子

\(Ca^{2+}\) 是细胞内重要的第二信使，参与多种生理与生化过程的调控，如肌肉收缩、腺体分泌、白细胞及血小板活化等。当外界刺激到达细胞表面时，细胞膜和肌质网（内质网）膜上的钙通道开放，细胞外或内质网钙库中的 \(Ca^{2+}\) 释放到细胞质中，使其中的 \(Ca^{2+}\) 浓度升高。在一些细胞，以细胞膜上钙通道的开放为主，如神经末梢上的电压门控钙通道；而在另一些细胞如肌细胞，则以细胞内钙库（内质网、肌质网膜等）钙通道（如 \(IP_{3}\) ，受体和雷诺定受体）的开放为主。

正常静息细胞内 \(Ca^{2+}\) 浓度在 20～100nmol/L 之间。\(Ca^{2+}\) 浓度持续升高会导致蛋白质表达异常，进而激活\(Ca^{2+}\) 依赖性蛋白酶降解蛋白质，活化核酸内切酶而引起 DNA 损伤，以致产生严重的细胞损伤。因此，当细胞内 \(Ca^{2+}\) 浓度升高至 1μmol/L 左右时，即可与钙调蛋白结合，激活质膜\(Ca^{2+}\) 泵和 \(Na^{+}-Ca^{2+}\) 交换体促使\(Ca^{2+}\) 外排，并激活内质网/肌质网 \(Ca^{2+}\) 泵重新摄取 \(Ca^{2+}\) ，降低细胞内游离 \(Ca^{2+}\) 浓度，以维持细胞内 \(Ca^{2+}\) 稳态，防止细胞损伤。

\(Ca^{2+}\) 对于 \(IP_{3}\) 受体和雷诺定受体具有双向调节作用。当 \(Ca^{2+}\) 浓度上升时，最初为正反馈作用，即促进通道的开放；当 \(Ca^{2+}\) 浓度升高到一定水平时，则对通道产生抑制作用，表现为负反馈作用。这种双向调节作用既可以保证释放足够的 \(Ca^{2+}\) 以产生有意义的信号，又能避免过量的 \(Ca^{2+}\) 产生毒性作用。