第二节细胞的跨膜信号传递功能 不论是单细胞生物或组成多细胞有机体的每一个细胞,在它们的生命过程中,都会不断受到来自外部环境的各 种理化因素的影响。在多细胞动物,由于绝大多数细胞是生活在直接浸浴它们的细胞外液、即内环境之中 此出现在内环境中的各种化学分子,是它们最常能感受到的外来刺激:这不仅是指存在于细胞外液中的激素或 其他体液性调节因子;而且就是在神经调节过程中,当神经信息由一个神经元向其他神经元传递或由神经元传 给它的效应器细胞时,在绝大多数情况下,也都要通过一种或多种神经递质和调质为中介,通过这些化学分子 在距离极小的突触间隙液中的扩散,才能作用到下一级神经元或效应器细胞。尽管激素和递质(或调质)等分 子作为化学信号在细胞外液中播散的距离和范围有所不同,但对接受它们影响的靶细胞并不存在本质的差别 细胞外液中的各种化学分子,并不需要自身进入它们的靶细胞后才能起作用(一些脂溶性的小分子类固醇激 和甲状腺激素例外,详见第十一章)它们大多数是选择性地同靶细胞膜上具有特异的受体性结构相结合,再通 过跨膜信号传递( transmembrane signaling)或跨膜信号转换( transmembrane sognal transduction)过程, 最后才间接地引起靶细胞膜的电变化或其他细胞内功能的改变 机体和细胞也可能受到化学信号以外的其他性质的刺激,如机械的、电的和一定波长电磁波等来自外界环境的 刺激的影响:但在动物进化的过程中,这些刺激信号大都由一些在结构和功能上高度分化了的特殊的感受器细 胞来感受,引起相应的感受器细胞出现某种电反应。仔细分析各种感受器细胞接受它们所能感受的某种特异刺 激信号的过程时发现(如耳蜗毛细胞接受声波振动和视网膜光感受细胞接受光刺激等),它们也涉及到外来刺 激信号的跨膜传递,即刺激信号也要先作用于膜结构中的感受性结构,才能引起感受器细胞的电变化和随后的 传入神经冲动。 不论是化学信号中的激素分子和递质(包括数十种可能起调质作用神经肽类物质)分子,以及非化学性的外界 刺激信号,当它们作用于相应的靶细胞时,都是通过为数不多、作用形式也较为类似的途径来完成跨膜信号传 递的:这些过程所涉及的膜蛋白质也为数不多,在生物合成上由几类特定基因家族所编码:正因为如此,由每 个特定基因家族所表达生成的蛋白质分子,在肽链的氨基酸排列顺序上有较大的相同性(或同源性 homogeneity),功能上也较为类似。因此,关于跨膜信号传递的研究,早已超出了递质或激素作用机制的
第二节 细胞的跨膜信号传递功能 不论是单细胞生物或组成多细胞有机体的每一个细胞，在它们的生命过程中，都会不断受到来自外部环境的各 种理化因素的影响。在多细胞动物，由于绝大多数细胞是生活在直接浸浴它们的细胞外液、即内环境之中，因 此出现在内环境中的各种化学分子，是它们最常能感受到的外来刺激：这不仅是指存在于细胞外液中的激素或 其他体液性调节因子；而且就是在神经调节过程中，当神经信息由一个神经元向其他神经元传递或由神经元传 给它的效应器细胞时，在绝大多数情况下，也都要通过一种或多种神经递质和调质为中介，通过这些化学分子 在距离极小的突触间隙液中的扩散，才能作用到下一级神经元或效应器细胞。尽管激素和递质（或调质）等分 子作为化学信号在细胞外液中播散的距离和范围有所不同，但对接受它们影响的靶细胞并不存在本质的差别。 细胞外液中的各种化学分子，并不需要自身进入它们的靶细胞后才能起作用（一些脂溶性的小分子类固醇激素 和甲状腺激素例外，详见第十一章）它们大多数是选择性地同靶细胞膜上具有特异的受体性结构相结合，再通 过跨膜信号传递（ transembrane signaling）或跨膜信号转换（transmembrane sognal transduction）过程， 最后才间接地引起靶细胞膜的电变化或其他细胞内功能的改变。 机体和细胞也可能受到化学信号以外的其他性质的刺激，如机械的、电的和一定波长电磁波等来自外界环境的 刺激的影响；但在动物进化的过程中，这些刺激信号大都由一些在结构和功能上高度分化了的特殊的感受器细 胞来感受，引起相应的感受器细胞出现某种电反应。仔细分析各种感受器细胞接受它们所能感受的某种特异刺 激信号的过程时发现（如耳蜗毛细胞接受声波振动和视网膜光感受细胞接受光刺激等），它们也涉及到外来刺 激信号的跨膜传递，即刺激信号也要先作用于膜结构中的感受性结构，才能引起感受器细胞的电变化和随后的 传入神经冲动。 不论是化学信号中的激素分子和递质（包括数十种可能起调质作用神经肽类物质）分子，以及非化学性的外界 刺激信号，当它们作用于相应的靶细胞时，都是通过为数不多、作用形式也较为类似的途径来完成跨膜信号传 递的；这些过程所涉及的膜蛋白质也为数不多，在生物合成上由几类特定基因家族所编码；正因为如此，由每 个特定基因家族所表达生成的蛋白质分子，在肽链的氨基酸排列顺序上有较大的相同性（或同源性， homogeneity），功能上也较为类似。因此，关于跨膜信号传递的研究，早已超出了递质或激素作用机制的范
畴,成为细胞生理学中一个有普遍意义的新篇章。试想,人体细胞都具有相同的遗传基因,因而一个感光细胞 或一个普通体细胞,通过细胞膜上类似的蛋白质,以类似的方式接受它们所受到的外来刺激,可引起细胞本身 功能的改变:而且各种不同的细胞通过少数几类膜蛋白质和几种作用方式,就能接受多种多样可能遇到的外界 刺激信号的影响,显然符合“生物经济”的原则 由具有特异感受结构的通道蛋白质完成的跨膜信号传递 (一)化学门控通道 对这种跨膜信号的传递方式的研究,最早是从对运动神经纤维末梢释放的乙酰胆碱(Ach)如何引起它所支配 的骨骼肌细胞兴奋的研究开始的。早已知道,当神经冲动到达神经末梢处时,先是由末梢释放一定数量的Ach 分子,后者再同肌细胞膜上称为终板(指有细胞膜上同神经末相对的那部分膜,其中所含膜蛋白与一般肌细胞 膜不同)处的“受体”相结合,引起终板膜产生电变化,最后引起整个肌细胞的兴奋和收缩。由于神经-肌接 头处的“受体”也可同烟碱相结合,因而过去在药理学分类中称它为N型Ach受体。80年代后期,我国学者 李镇源发现α-银环蛇毒同N-型受体有极高的特异性结合能力又有人发现一些电鱼的电器官中有密集的这种 受体蛋白质分子存在:再依靠70年代以来蛋白质化学和分子生物学技术的迅速发展,目前不仅已将这种蛋白 质分子提纯,而且基本上搞清了它的分子结构和它们在膜中的存在形式。原来它是由4种不同的亚单位组成的 5聚体蛋白质(图2-7),总分子量约为290kd:每种亚单位都由一种mRNA编码,所生成的亚单位在膜结构中 通过氢键等非共价键式的相互吸引,形成一个结构为a2BY6的梅花状通道样结构(图2-7,A和B),而 其中的两个a-亚单位正是同两分子ACH相结合的部位,这种结合可引起通道结构的开放,其几何大小足以使 终板膜外高浓度的Na'内流,同时也能使膜内高浓度的K外流结果是使原来存在两侧的静息电位近于消失,亦 即使该处膜内外电位差接近于0值,这就是终板电位,于是完成了Ach这种化学信号的跨膜传递,因为肌细胞 后来出现的兴奋和收缩都是以终板电位为起因的
畴，成为细胞生理学中一个有普遍意义的新篇章。试想，人体细胞都具有相同的遗传基因，因而一个感光细胞 或一个普通体细胞，通过细胞膜上类似的蛋白质，以类似的方式接受它们所受到的外来刺激，可引起细胞本身 功能的改变；而且各种不同的细胞通过少数几类膜蛋白质和几种作用方式，就能接受多种多样可能遇到的外界 刺激信号的影响，显然符合“生物经济”的原则。 一、由具有特异感受结构的通道蛋白质完成的跨膜信号传递 （一）化学门控通道 对这种跨膜信号的传递方式的研究，最早是从对运动神经纤维末梢释放的乙酰胆碱（Ach）如何引起它所支配 的骨骼肌细胞兴奋的研究开始的。早已知道，当神经冲动到达神经末梢处时，先是由末梢释放一定数量的 Ach 分子，后者再同肌细胞膜上称为终板（指有细胞膜上同神经末相对的那部分膜，其中所含膜蛋白与一般肌细胞 膜不同）处的“受体”相结合，引起终板膜产生电变化，最后引起整个肌细胞的兴奋和收缩。由于神经-肌接 头处的“受体”也可同烟碱相结合，因而过去在药理学分类中称它为 N-型 Ach 受体。80 年代后期，我国学者 李镇源发现 α-银环蛇毒同 N-型受体有极高的特异性结合能力又有人发现一些电鱼的电器官中有密集的这种 受体蛋白质分子存在；再依靠 70 年代以来蛋白质化学和分子生物学技术的迅速发展，目前不仅已将这种蛋白 质分子提纯，而且基本上搞清了它的分子结构和它们在膜中的存在形式。原来它是由 4 种不同的亚单位组成的 5 聚体蛋白质（图 2-7），总分子量约为 290kd；每种亚单位都由一种 mRNA 编码，所生成的亚单位在膜结构中 通过氢键等非共价键式的相互吸引，形成一个结构为 α2βγδ 的梅花状通道样结构（图 2-7，A 和 B），而 其中的两个 α-亚单位正是同两分子 ACH 相结合的部位，这种结合可引起通道结构的开放，其几何大小足以使 终板膜外高浓度的 Na+内流，同时也能使膜内高浓度的 K +外流结果是使原来存在两侧的静息电位近于消失，亦 即使该处膜内外电位差接近于 0 值，这就是终板电位，于是完成了 Ach 这种化学信号的跨膜传递，因为肌细胞 后来出现的兴奋和收缩都是以终板电位为起因的
g° 88 图2-7N-型Ach门控通道的分子结构示意图 A:N-型Ach门控通的5个亚单位和它们所含α-螺旋在膜中存在形式的平面示意图 B:5个亚单位相互吸引,包绕成一个通道样结构C:在跨膜通道结构中,各 个亚单位亿含α-螺旋在通道结构中的位置 用分子生物学实验技术证明,同其他膜结合蛋白质类似,在上述4种不同的亚单位肽链中,都存在有4种主要 由20-25个疏水性氨基酸形成的a-螺旋,因而推测每个亚单位的肽链都要反复贯穿膜4次(图2-7,A),而 5个亚单位又各以其第2个疏水性跨膜α-螺旋构成了水相孔道的“内壁”(图2-7C)。 由上述分子水平的研究成果可以知道,原初将终板膜上完成Ach跨膜信号传递的蛋白质称作“受体”是不符合 实际情况的:它们是一种通道样结构,只是在组成通道的蛋白质亚单位中有两个亚单位具有同Ach分子特异地 相结合的能力,并能因此引起通道蛋白质的变构作用而使通道开放,然后靠相应离子的易化扩散而完成跨膜信
图 2-7 N-型 Ach 门控通道的分子结构示意图 A：N-型 Ach 门控通的 5 个亚单位和它们所含 α-螺旋在膜中存在形式的平面示意图 B：5 个亚单位相互吸引，包绕成一个通道样结构 C：在跨膜通道结构中，各 个亚单位亿含 α-螺旋在通道结构中的位置 用分子生物学实验技术证明，同其他膜结合蛋白质类似，在上述 4 种不同的亚单位肽链中，都存在有 4 种主要 由 20-25 个疏水性氨基酸形成的 α-螺旋，因而推测每个亚单位的肽链都要反复贯穿膜 4 次（图 2-7，A），而 5 个亚单位又各以其第 2 个疏水性跨膜 α-螺旋构成了水相孔道的“内壁”（图 2-7C）。 由上述分子水平的研究成果可以知道，原初将终板膜上完成 Ach 跨膜信号传递的蛋白质称作“受体”是不符合 实际情况的；它们是一种通道样结构，只是在组成通道的蛋白质亚单位中有两个亚单位具有同 Ach 分子特异地 相结合的能力，并能因此引起通道蛋白质的变构作用而使通道开放，然后靠相应离子的易化扩散而完成跨膜信
号传递。因此,这种蛋白质应称为N-型(或烟碱型)Ach门控通道,属于化学门控通道或化学依从性通道中的 Ach在神经-肌接头处的跨膜信号传递机制的阐明,曾一度错误地推测,其他一些神经递质也都是以类似的方 式作用于下一级神经元或相应的效应器细胞的:但后来的研究表明并非如此。目前只证明了一些基酸递质 包括谷氨酸、门冬氨酸、γ-氨基丁酸和甘氨酸等,主要是通过同N型Ach门控通道结构类似的化学门控通道 影响其靶细胞。 (二)电压门控通道 应用类似的技术,在80年代还陆续克隆出几种重要离子(如Na、K'和Ca2等离子)的电压门控通道,它们 具有同化学门控能道类似的分子结构,但控制这类通道开放与否的因素,是这些通道所在膜两侧的跨膜电位的 改变:也就是说,在这种通道的分子结构中,存在一些对跨膜电位的改变敏感的基团或亚单位,由后者诱发整 个通道分子功能状态的改变 在动物界,除了一些特殊的鱼类,一般没有专门感受外界电刺激或电场改变的器官或感受细胞,但在体内有很 多细胞,如神经细胞和各种肌细胞,在它们的细胞膜中却具有多种电压门控通道蛋白质,它们可由于同一细胞 相邻的膜两侧出现的电位改变而再现通道的开放,并由于随之出现的跨膜离子流而出现这些通道所在膜的特有 的跨膜电位改变。例如,前述的终板膜由Ach门控通道开放而出现终板电位时,这个电位改变可使相邻的肌细 胞膜中存在的电压门控式Na'通道和K通道相继激活(即通道开放),出现肌细胞的所谓动作电位:当动作电 位在神经纤维膜和肌细胞膜上传导时,也是由于一些电压门控通道被邻近已兴奋的膜的电变化所激活,结果使 这些通道所在的膜也相继出现特有的电变化。由此可见,电压门控通道所起的功能,也是一种跨膜信号转换 只不过它们接受的外来刺激信号是电位变化,经过电压门控通道的开闭,再引起细胞膜出现新的电变化或其他 细胞内功能变化,后者在Ca2通道打开引起膜外Ca2内流时甚为多见 根据对Na'、K、Ca2三种离子的电压门控通道蛋白质进行的分子结构分析,发现它们一级结构中的氨基酸排列 有相当大的同源性,说明它们属于同一蛋白质家族,与之有关的mRNA在进化上由同一个远祖基因演化而来 图2-8是与体内动作电位(见后)产生至关重要的Na通道在膜内结构的模式图,它主要由一个较大的a-亚单位
号传递。因此，这种蛋白质应称为 N-型（或烟碱型）Ach 门控通道，属于化学门控通道或化学依从性通道中的 一种。 Ach 在神经-肌接头处的跨膜信号传递机制的阐明，曾一度错误地推测，其他一些神经递质也都是以类似的方 式作用于下一级神经元或相应的效应器细胞的；但后来的研究表明并非如此。目前只证明了一些氨基酸递质， 包括谷氨酸、门冬氨酸、γ-氨基丁酸和甘氨酸等，主要是通过同 N-型 Ach 门控通道结构类似的化学门控通道 影响其靶细胞。 （二）电压门控通道 应用类似的技术，在 80 年代还陆续克隆出几种重要离子（如 Na+ 、K +和 Ca2+等离子）的电压门控通道，它们 具有同化学门控能道类似的分子结构，但控制这类通道开放与否的因素，是这些通道所在膜两侧的跨膜电位的 改变；也就是说，在这种通道的分子结构中，存在一些对跨膜电位的改变敏感的基团或亚单位，由后者诱发整 个通道分子功能状态的改变。 在动物界，除了一些特殊的鱼类，一般没有专门感受外界电刺激或电场改变的器官或感受细胞，但在体内有很 多细胞，如神经细胞和各种肌细胞，在它们的细胞膜中却具有多种电压门控通道蛋白质，它们可由于同一细胞 相邻的膜两侧出现的电位改变而再现通道的开放，并由于随之出现的跨膜离子流而出现这些通道所在膜的特有 的跨膜电位改变。例如，前述的终板膜由 Ach 门控通道开放而出现终板电位时，这个电位改变可使相邻的肌细 胞膜中存在的电压门控式 Na+通道和 K +通道相继激活（即通道开放），出现肌细胞的所谓动作电位；当动作电 位在神经纤维膜和肌细胞膜上传导时，也是由于一些电压门控通道被邻近已兴奋的膜的电变化所激活，结果使 这些通道所在的膜也相继出现特有的电变化。由此可见，电压门控通道所起的功能，也是一种跨膜信号转换， 只不过它们接受的外来刺激信号是电位变化，经过电压门控通道的开闭，再引起细胞膜出现新的电变化或其他 细胞内功能变化，后者在 Ca2+通道打开引起膜外 Ca2+内流时甚为多见。 根据对 Na+、K +、Ca2+三种离子的电压门控通道蛋白质进行的分子结构分析，发现它们一级结构中的氨基酸排列 有相当大的同源性，说明它们属于同一蛋白质家族，与之有关的 mRNA 在进化上由同一个远祖基因演化而来。 图 2-8 是与体内动作电位(见后)产生至关重要的 Na+通道在膜内结构的模式图,它主要由一个较大的 α-亚单位
组成,分子量约260kd:有时还另有一个或两个小分子量的亚单位,分别称为B1和β2。但Na'通道的主要功 能看来只靠a-亚单位即可完成。这个较长的a-单位肽链中包含了4个结构类似的结构域( domain,每个结构 域大致相当于上述Ach门控通道中的一个亚单位,但结构域之间由肽链相连,是一个完整的肽链,应由一个 mRNA编码和合成),而每个结构域中又各有6个由疏水性氨基酸组成的跨膜a-螺旋段(图示2-8,A):这4 个结枃域及其所包含的疏水α-螺旋,在膜中包绕成一个通道样结构(图2-8,B)。现已证明,每个结构域中 的第4个跨膜α-螺旋在氨基酸序列上有特点,即每隔两个疏水性氨基酸,就再现一个带正电荷的精氨酸或赖 氨酸:这些α-螺旋由于自身的带电性质,在它们所在膜的跨膜电位有改变时会产生位移,因而被认为是该通 道结枃中感受外来信号的特异结构,由此再诱发通道“闸门”的开放:还有实验提示,每个结构域中的第2、 第3个α-螺旋构成了该通道水相孔道的“内壁”:据测算,水相孔道内径最窄处横断面积约为0.3×0.5n 差不多刚能通过一个水化的Na(图2-8,B) 外 0.3×0,5
组成，分子量约 260kd；有时还另有一个或两个小分子量的亚单位，分别称为 β1 和 β2 。但 Na+通道的主要功 能看来只靠 α-亚单位即可完成。这个较长的 α-单位肽链中包含了 4 个结构类似的结构域（domain,每个结构 域大致相当于上述 Ach 门控通道中的一个亚单位，但结构域之间由肽链相连，是一个完整的肽链，应由一个 mRNA 编码和合成），而每个结构域中又各有 6 个由疏水性氨基酸组成的跨膜 α-螺旋段（图示 2-8，A）；这 4 个结构域及其所包含的疏水 α-螺旋，在膜中包绕成一个通道样结构（图 2-8，B）。现已证明，每个结构域中 的第 4 个跨膜 α-螺旋在氨基酸序列上有特点，即每隔两个疏水性氨基酸，就再现一个带正电荷的精氨酸或赖 氨酸；这些 α-螺旋由于自身的带电性质，在它们所在膜的跨膜电位有改变时会产生位移，因而被认为是该通 道结构中感受外来信号的特异结构，由此再诱发通道“闸门”的开放；还有实验提示，每个结构域中的第 2、 第 3 个 α-螺旋构成了该通道水相孔道的“内壁”；据测算，水相孔道内径最窄处横断面积约为 0.3×0.5nm 差不多刚能通过一个水化的 Na+ (图 2-8,B)