第二節 細胞的跨膜信號傳遞功能
不論是單細胞生物或組成多細胞有機體的每一個細胞，在它們的生命過程中，都會不斷受到來自外部環境的各種理化因素的影響。在多細胞動物，由於絕大多數細胞是生活在直接浸浴它們的細胞外液、即內環境之中，因此出現在內環境中的各種化學分子，是它們最常能感受到的外來刺激：這不僅是指存在於細胞外液中的激素或其他體液性調節因子；而且就是在神經調節過程中，當神經信息由一個神經元向其他神經元傳遞或由神經元傳給它的效應器細胞時，在絕大多數情況下，也都要通過一種或多種神經遞質和調質為中介，通過這些化學分子在距離極小的突觸間隙液中的擴散，才能作用到下一級神經元或效應器細胞。盡管激素和遞質（或調質）等分子作為化學信號在細胞外液中播散的距離和範圍有所不同，但對接受它們影響的靶細胞並不存在本質的差別。
細胞外液中的各種化學分子，並不需要自身進入它們的靶細胞後才能起作用（一些脂溶性的小分子類固醇激素和甲狀腺激素例外，詳見第十一章）它們大多數是選擇性地同靶細胞膜上具有特異的受體性結構相結合，再通過跨膜信號傳遞（ transembrane signaling）或跨膜信號轉換（transmembrane sognal transduction）過程，最後才間接地引起靶細胞膜的電變化或其他細胞內功能的改變。
機體和細胞也可能受到化學信號以外的其他性質的刺激，如機械的、電的和一定波長電磁波等來自外界環境的刺激的影響；但在動物進化的過程中，這些刺激信號大都由一些在結構和功能上高度分化了的特殊的感受器細胞來感受，引起相應的感受器細胞出現某種電反應。能感受的某種特異刺激信號的過程時發仔細分析各種感受器細胞接受它們所現（如耳蝸毛細胞接受聲波振動和視網膜光感受細胞接受光刺激等），它們也涉及到外來刺激信號的跨膜傳遞，即刺激信號也要先作用於膜結構中的感受性結構，才能引起感受器細胞的電變化和隨後的傳入神經衝動。
不論是化學信號中的激素分子和遞質（包括數十種可能起調質作用神經肽類物質）分子，以及非化學性的外界刺激信號，當它們作用於相應的靶細胞時，都是通過為數不多、作用形式也較為類似的途徑來完成跨膜信號傳遞的；這些過程所涉及的膜蛋白質也為數不多，在生物合成上由幾類特定基因家族所編碼；正因為如此，由每個特定基因家族所表達生成的蛋白質分子，在肽鏈的氨基酸排列順序上有較大的相同性（或同源性，homogeneity），功能上也較為類似。因此，關於跨膜信號傳遞的研究，早已超出了遞質或激素作用機製的範疇，成為細胞生理學中一個有普遍意義的新篇章。試想，人體細胞都具有相同的遺傳基因，因而一個感光細胞或一個普通體細胞，通過細胞膜上類似的蛋白質，以類似的方式接受它們所受到的外來刺激，可引起細胞本身功能的改變；而且各種不同的細胞通過少數幾類膜蛋白質和幾種作用方式，就能接受多種多樣可能遇到的外界刺激信號的影響，顯然符合“生物經濟”的原則。
一、由具有特異感受結構的通道蛋白質完成的跨膜信號傳遞
（一）化學門控通道
對這種跨膜信號的傳遞方式的研究，最早是從對運動神經纖維末梢釋放的乙酰膽堿（Ach）如何引起它所支配的骨骼肌細胞興奮的研究開始的。早已知道，當神經衝動到達神經末梢處時，先是由末梢釋放一定數量的Ach分子，後者再同肌細胞膜上稱為終板（指有細胞膜上同神經末相對的那部分膜，其中所含膜蛋白與一般肌細胞膜不同）處的“受體”相結合，引起終板膜產生電變化，最後引起整個肌細胞的興奮和收縮。由於神經-肌接頭處的“受體”也可同煙堿相結合，因而過去在藥理學分類中稱它為N-型Ach受體。80年代後期，我國學者李鎮源發現α-銀環蛇毒同N-型受體有極高的特異性結合能力又有人發現一些電魚的電器官中有密集的這種受體蛋白質分子存在；再依靠70年代以來蛋白質化學和分子生物學技術的迅速發展，目前不僅已將這種蛋白質分子提純，而且基本上搞清了它的分子結構和它們在膜中的存在形式。原來它是由4種不同的亞單位組成的5聚體蛋白質（圖2-7），總分子量約為290kd；每種亞單位都由一種mRNA編碼，所生成的亞單位在膜結構中通過氫鍵等非共價鍵式的相互吸引，形成一個結構為α2βγδ的梅花狀通道樣結構（圖2-7，A和B），而其中的兩個α-亞單位正是同兩分子ACH相結合的部位，這種結合可引起通道結構的開放，其幾何大小足以使終板膜外高濃度的Na+內流，同時也能使膜內高濃度的K+外流結果是使原來存在兩側的靜息電位近於消失，亦即使該處膜內外電位差接近於0值，這就是終板電位，於是完成了Ach這種化學信號的跨膜傳遞，因為肌細胞後來出現的興奮和收縮都是以終板電位為起因的。
圖2-7 N-型Ach門控通道的分子結構示意圖
A：N-型Ach門控通的5個亞單位和它們所含α-螺旋在膜中存在形式的平麵示意圖
B：5個亞單位相互吸引，包繞成一個通道樣結構 C：在跨膜通道結構中，各
個亞單位億含α-螺旋在通道結構中的位置
用分子生物學實驗技術證明，同其他膜結合蛋白質類似，在上述4種不同的亞單位肽鏈中，都存在有4種主要由20-25個疏水性氨基酸形成的α-螺旋，因而推測每個亞單位的肽鏈都要反複貫穿膜4次（圖2-7，A），而5個亞單位又各以其第2個疏水性跨膜α-螺旋構成了水相孔道的“內壁”（圖2-7C）。
由上述分子水平的研究成果可以知道，原初將終板膜上完成Ach跨膜信號傳遞的蛋白質稱作“受體”是不符合實際情況的；它們是一種通道樣結構，隻是在組成通道的蛋白質亞單位中有兩個亞單位具有同Ach分子特異地相結合的能力，並能因此引起通道蛋白質的變構作用而使通道開放，然後靠相應離子的易化擴散而完成跨膜信號傳遞。因此，這種蛋白質應稱為N-型（或煙堿型）Ach門控通道，屬於化學門控通道或化學依從性通道中的一種。
Ach在神經-肌接頭處的跨膜信號傳遞機製的闡明，曾一度錯誤地推測，其他一些神經遞質也都是以類似的方式作用於下一級神經元或相應的效應器細胞的；但後來的研究表明並非如此。目前隻證明了一些氨基酸遞質，包括穀氨酸、門冬氨酸、γ-氨基丁酸和甘氨酸等，主要是通過同N-型Ach門控通道結構類似的化學門控通道影響其靶細胞。
（二）電壓門控通道
應用類似的技術，在80年代還陸續克隆出幾種重要離子（如Na+ 、K+和Ca2+等離子）的電壓門控通道，它們具有同化學門控能道類似的分子結構，但控製這類通道開放與否的因素，是這些通道所在膜兩側的跨膜電位的改變；也就是說，在這種通道的分子結構中，存在一些對跨膜電位的改變敏感的基團或亞單位，由後者誘發整個通道分子功能狀態的改變。
在動物界，除了一些特殊的魚類，一般沒有專門感受外界電刺激或電場改變的器官或感受細胞，但在體內有很多細胞，如神經細胞和各種肌細胞，在它們的細胞膜中卻具有多種電壓門控通道蛋白質，它們可由於同一細胞相鄰的膜兩側出現的電位改變而再現通道的開放，並由於隨之出現的跨膜離子流而出現這些通道所在膜的特有的跨膜電位改變。例如，前述的終板膜由Ach門控通道開放而出現終板電位時，這個電位改變可使相鄰的肌細胞膜中存在的電壓門控式Na+通道和K+通道相繼激活（即通道開放），出現肌細胞的所謂動作電位；當動作電位在神經纖維膜和肌細胞膜上傳導時，也是由於一些電壓門控通道被鄰近已興奮的膜的電變化所激活，結果使這些通道所在的膜也相繼出現特有的電變化。由此可見，電壓門控通道所起的功能，也是一種跨膜信號轉換，隻不過它們接受的外來刺激信號是電位變化，經過電壓門控通道的開閉，再引起細胞膜出現新的電變化或其他細胞內功能變化，後者在Ca2+通道打開引起膜外Ca2+內流時甚為多見。
根據對Na+、K+、Ca2+三種離子的電壓門控通道蛋白質進行的分子結構分析，發現它們一級結構中的氨基酸排列有相當大的同源性，說明它們屬於同一蛋白質家族，與之有關的mRNA在進化上由同一個遠祖基因演化而來。圖2-8是與體內動作電位(見後)產生至關重要的Na+通道在膜內結構的模式圖,它主要由一個較大的α-亞單位組成，分子量約260kd；有時還另有一個或兩個小分子量的亞單位，分別稱為β1和β2 。但Na+通道的主要功能看來隻靠α-亞單位即可完成。這個較長的α-單位肽鏈中包含了4個結構類似的結構域（domain,每個結構域大致相當於上述Ach門控通道中的一個亞單位，但結構域之間由肽鏈相連，是一個完整的肽鏈，應由一個mRNA編碼和合成），而每個結構域中又各有6個由疏水性氨基酸組成的跨膜α-螺旋段（圖示2-8，A）；這4 個結構域及其所包含的疏水α-螺旋，在膜中包繞成一個通道樣結構（圖2-8，B）。現已證明，每個結構域中的第4個跨膜α-螺旋在氨基酸序列上有特點，即每隔兩個疏水性氨基酸，就再現一個帶正電荷的精氨酸或賴氨酸；這些α-螺旋由於自身的帶電性質，在它們所在膜的跨膜電位有改變時會產生位移，因而被認為是該通道結構中感受外來信號的特異結構，由此再誘發通道“閘門”的開放；還有實驗提示，每個結構域中的第2、第3個α-螺旋構成了該通道水相孔道的“內壁”；據測算，水相孔道內徑最窄處橫斷麵積約為0.3×0.5nm差不多剛能通過一個水化的Na+(圖2-8,B)。
圖2-8 電壓門控Na+通道的分子結構示意圖
A：構成電壓門控Na+通道的α-亞單中的4個結構以及每個結構域中6個
α-螺旋在膜中存在形式平麵 ～P表示磷酸化位點
B：4個結構域及其α-螺旋形成通道時的相對位置
（三）機械門控通道
體內存在不少能感受機械性刺激並引致細胞功能改變的細胞。如內耳毛細胞頂部的聽毛在受到切和力的作用產生彎曲時，毛細胞會出現暫短的感受器電位，這也是一種跨膜信號轉換，即外來機械性信號通過某種結構內的過程，引起細胞的跨膜電位變化。據精細觀察，從聽毛受力而致聽毛根部所在膜的變形，到該處膜出現跨膜離子移動之間，隻有極短的潛伏期，因而推測可能是膜的局部變形或牽引，直接激活了附近膜中的機械門控通道。
細胞間通道 還有一種通道，不是溝通胞漿和細胞外液的跨膜通道，而是允許相鄰細胞之間直接進行胞漿內物質交換的通道，故稱為細胞間通道。這種通道研究，是從縫隙連接超微結構觀察開始的。在縫隙連接處相鄰兩細胞的膜僅隔開2.0nm左右，而且像是有某種物質結構把兩者連接起來；將兩側細胞膜分離進行超微結構觀察和分子生物學分析，發現每一側的膜上都整齊地地排列著許多蛋白質顆粒，每個顆粒實際是由6個蛋白質亞單位（分子量各為25kd）構成的6聚體蛋白質，中間包繞一個水相孔道；構成顆粒的蛋白質和中心孔道貫穿所在膜的脂質雙分子層；在兩側細胞膜靠緊形成細胞間的縫隙連接時，兩側膜上的各顆粒即通道樣結構都兩兩對接起來，於是形成了一條條溝通兩細胞胞漿的通路，而與細胞間液不相溝通。這種細胞間通道的孔洞大小，一般可允許分子量小於1.0~1.5kd或分子直徑小於1.0nm的物質分子通過，這包括了電解質離子、氨基酸、葡萄糖和核苷酸等。這種縫隙連接或細胞間通道多見於肝細胞、心肌細胞、腸平滑肌細胞、晶狀體細胞和一些神經細胞之間。縫隙連接不一定是細胞間的一種永久性結構；至少在體外培養的細胞之間的縫隙連接或其中包含顆粒的多少，可因不同環境因素而變化；似乎是細胞膜中經常有單方麵裝配好的通道顆粒存在，在兩側膜靠近並有其他調控因素存在時，就有可能實現對接，而在另一些因素存在時，兩方麵還可再分離。已對接的通道是否處於“開放”狀態，也要受到多種因素的調控，例如當細胞內Ca2+、H+濃度增加時，可促使細胞間通道關閉。細胞間通道的存在，有利於功能相同而又密接的一組細胞之間進行離子、營養物質，甚至一些信息物質的溝通，造成它們進行同步性活動的可能性。
二、由膜的特異受體蛋白質、G-蛋白和膜的效應器酶組成的跨膜信號傳遞係統
這是另一類型的跨膜信號傳遞。最初是從對激素作用機製的研究開始的。60年代在研究腎上腺素引起肝細胞中糖原分解為葡萄糖的作用機製時，發現如果使腎上腺素單獨和分離出的細胞膜碎片相互作用，可以生成一種分子量小、能耐熱的物質，當把這種物質同肝細胞的胞漿單獨作用時，也能引起其中糖原的分解，同腎上腺素作用於完整的肝細胞時有類似的效應。實驗提示，在腎上腺素正常起作用時，它隻是作用於肝細胞的膜表麵。通過某種發生在膜結構中的過程，先在胞漿中生成一種小分子物質，後者再實現腎上腺素分解糖原的作用。這種小分子物質不久被證明是環-磷酸腺苷（即cAMP，環磷腺苷）。以後又陸續發現，很多其他激素類物質作用於相應的靶細胞時，都是先同膜表麵的特異受體相結合，再引起膜內側胞漿中cAMP含量的增加（有時是它的減少），實現激素對細胞內功能的影響。這樣就把cAMP稱作第二信使，這是相對於把激素分子這類外來化學信號看作第一信使而言的。
導致cAMP產生的膜結構內部的過程頗為複雜：它至少與膜中三類特殊的蛋白質有關。第一類是能與到達膜表麵的外來化學信號作特異性結合的受體蛋白質，這是一些真正可以稱作受體的物質。目前已用分子生物學的方法證明，它們是一些獨立的蛋白質分子；已經確定的近100種這類受體，都具有類似的分子結構，也屬於同一蛋白質家族：即它們都由約300~400個氨基酸殘基組成，有一個較長的細胞外N-末端，接著在肽鏈中出現7個由22~28個主要為疏水性氨基酸組成的α-螺旋，說明這肽鏈至少要反複貫穿膜7次，形成一個球形蛋白質分子，還有一段位於膜內側的肽鏈C-末端。目前認為，受體分子中第7個跨膜螺旋是能夠識別、即能結合某種特定外來化學信號的部位；在受體因結合了特異化學信號而激活時，將進而作用於膜中另一類蛋白質，即G-蛋白質。
G-蛋白是鳥苷酸結合蛋白（guanine nucleotide-binding protein）的簡稱，也是存在於膜結構中的一類蛋白質家族，根據它們分子結構中少數氨基酸殘基序列上的不同，已被區分出有數十種，但結構和功能極為相似。G-蛋白通常由α-、β-、和γ-3個亞單位組成；α-亞單位通常起催化亞單位的作用，當G-蛋白未被激活時，它結合了一分子的GDP（二磷酸鳥苷）；當G-蛋白與激活了的受體蛋白在膜中相遇時，α-亞單位與GDP分離而又與一分子的GTP（三磷酸鳥苷）結合，這時α-亞單位同其他兩個亞單位分離，並對膜結構中（位置靠近膜的內側麵）的第三類稱為膜的效應器酶的蛋白質起作用，後者的激活（或被抑製）可以引致胞漿中第二信使物質的生成增加（或減少）。上述腎上腺素的作用，就是先由激素激活膜上相應的受體後，通過一種稱為Gs（興奮性G-蛋白）的G-蛋白的中介，激活了作為效應器酶的腺苷酸環化酶（圖2-9箭頭1），使胞漿中的ATP生成了起第二信使作用的cAMP（圖2-9中箭頭2）。由於第二信使物質的生成經過多級催化作用，少數幾個膜外化學信號分子同受體的結合，就可能在胞漿中生成數目眾多的第二信使分子，這是這種類型的跨膜信號傳遞的重要特點之一。
圖2-9 由膜受體-G-蛋白-膜效應器酶組成的跨膜信號
傳遞係統和第二信使類物質的生成
目前發現膜的效應器酶並不隻腺苷酸環化酶一種，因而第二信使物質也不隻cAMP一種，如近年來還發現，有相當數量的外界刺激信號作用於受體後，可以通過一種稱為Go的G-蛋白，再激活一種稱為磷脂酶C的膜效應器酶，以膜結構中稱為磷脂酰肌醇的磷脂分子為間接底物，生成兩種分別稱為三磷酸酰肌醇（IP3）和二酰甘油（DG）的第二信使，影響細胞內過程，完成跨膜信號傳遞。雖然如此，對應於細胞所能接受的多種刺激和與它們相對應的受體數目而言，膜內G-蛋白、效應器酶和最後生成的第二信使類物質的種類，還是相對地少得多。這說明，上述由膜中蛋白質酶促反應生成第二信使的途徑，具有相當程度的“通用”性質。
由於上述這種跨膜信號傳遞的形式是在研究激素的作用機製時發現的，而且後來發現絕大多數肽類激素都是通過這一形式起作用的，因此曾一度錯誤地認為，這隻是激素性化學信號跨膜信號傳遞方式。但近年的資料說明，事實並非如此：在神經遞質類物質中，除了上述氨基酸類遞質外，其餘不論是小分子的經典遞質還是後來發現的數量眾多的神經肽類物質（目前已近50種），都主要是以在突觸後細胞中產生第二信使類物質來完成跨膜信號傳遞的，這些第二信使物質通過在胞漿中的擴散，在膜的內側麵作用於某些特殊的離子通道（圖2-9中箭頭3），引起突觸後膜較廣泛而緩慢的電變化。最近證明，在視網膜信號轉換過程中，光量子被作為受體的視色素如視紫紅質（也具有7個跨膜α-螺旋的結構特點）吸收後，也是先激活稱為Gt（轉換蛋白）的G-蛋白，再激活作為效應器的磷酸二酯酶，使視杆細胞外段中cGMP的分解加強，最後使光刺激轉變為外段膜的電變化（見第九章）。
上述兩種主要的跨膜信號傳遞方式的作用過程，有以下幾點值得注意。第一，這兩種作用形式並不是絕對分離的，兩者之間可以互相影響或在作用上有交叉。一些第二信使類物質可以調節某些電壓門控通道和化學門控通道蛋白質的功能狀態；而且被某種受體激活了的G-蛋白，有的不通過第二信使就能直接作用於膜結構中的通道結構（圖2-9中的箭頭5），如上述Gs激活時可以直接打開Ca2+通道。第二，對於許多外來化學信號分子，並不是一種化學信號隻能作用於兩種跨膜信號傳遞係統中的一種；以ACh為例，當它們作用於神經-肌接頭處時，終板膜上有同它們作特異結合的化學門控通道；但當ACh作用於心肌或內髒平滑肌時，遇到的卻是受體－G-蛋白－第二信使係統（受體稱為M-型毒蕈鹼型受體）。由此可見，同一種刺激信號通過何種跨膜信號傳遞係統起作用，關鍵因素在於靶細胞膜上具有何種感受結構；近年還發現，即便是M-型ACh受體，也可再區分出許多種亞型，有的亞型以cAMP為第二信使，有的以IP3和DG為第二信使。不同細胞甚或同一細胞的膜上具有對應於同一化學信號的不同受體型或其亞型，在跨膜信號傳遞中並不少見。近年來發現基本嗅覺刺激（大約是7種）全都是通過嗅上皮中不同的膜受體-第二信使係統起作用的，但在4種基本味覺刺激中，隻有鹹和酸刺激是通過細胞上相應的化學門控上通道起作用的，甜味物質是通過受體-第二信使係統起作用的，而苦味物質則因物質分子不同而分別通過通道和受體兩種途徑起作用。第三，跨膜信號傳遞的方式雖然相對地較少，但也不一定隻限於上述兩種。近年來有一些特殊的化學信號影響其靶細胞的方式受到廣泛的重視，很可能成為跨膜信號傳遞的一種新類型；這就是發現胰島素等一些肽類激素和其他與機體發育、生長、修複、增生、甚至細胞癌變有關的因子，如神經生長因子、表皮生長因子、血小板源生長因子、纖維母細胞生長因子、以及與細胞生成有關的集落刺激因子等，都是通過靶細胞表麵一類稱為酪氨酸激酶受體（tyrosine kinase riceptor）的蛋白質起作用的，這類受體結構簡單，隻有一個跨膜α-螺旋，當位於膜外側的較長的肽鏈部分同特定的化學信號結合後，可以直接引起受體肽鏈的膜內段激活，使之具有磷酸激酶活性，通過使自身肽鏈和膜內蛋白質底物中的酪氨酸殘基發生磷酸化，因而產生細胞內效應。這方麵的新資料正在積累之中。
癌基因和跨膜信號傳遞近年發現與上述跨膜信號傳遞有關的一些蛋白質，如受體、G-蛋白、各種生長刺激因子和營養因子、以及各種蛋白激酶等，它們在細胞內的生物合成，是由人正常染色體中被稱為細胞原癌基因（cellular proto-oncogene,進行表達時稱細胞癌基因）的一類基因所編碼和表達生成的。這些基因所以被稱為原癌基因，是因為它們的鹼基排列順序同一些（近100種）能在動物引起腫瘤的病毒DNA（或稱病毒癌基因，viral oncogene）的鹼基排列順序相一致。關於細胞癌基因與人類腫瘤發生的關係目前尚不清楚，但它們的正常表達產物，卻是人體無時無刻不在進行著的各種跨膜信號傳遞過程所必需的。試設想，如果由於遺傳和變異等原因使細胞不能合成結構和功能正常的G-蛋白，對人體將會有何等廣泛而重要的影響！另外，在細胞原癌基因中，有一類可被胞漿中產生的第二信使等物質所激活，生成某種蛋白質；但它們在胞漿中生成後，一般又進入核內，進而誘導另一些基因進行表達。這類癌基因從激活到蛋白質生成，比一般基因表達為快，稱為快速基因（或即早基因），而它們生成的蛋白質的作用則是激活另一些（可能在細胞功能活動中更重要）基因的表達，故快速基因的表達產物可稱為轉錄調節因子或第三信使。所以稱為第三信使是因為它們由第二信使類物質的作用而生成，而它們自身的作用又引起新的基因表達，生成一些可能對細胞結構和功能有較長遠影響的蛋白質。這樣外來信號（第一信使）不僅通過第二信使的合成在胞漿中引起一些即時反應，還可能通過第三信使引起細胞功能和結構長時間的適應性改變。
