信息跨膜传递的作用及机制
信息传递的作用机制涉及的环节主要有：①信息物质（配体）识别靶细胞并同其受体结合；②配体与受体的复合物启动细胞内信息传递系统；③产生细胞代谢和其他功能活动的变化；④信息物质被清除，细胞反应终止，从而保证细胞内环境的相对稳定和机体对外环境变化的精确适应。
（一）受体和配体及其作用
1．受体及其作用 受体（receptor）是细胞的一类信息传递物质，位于质膜和细胞器膜、胞液或细胞核内，几乎都是大分子的蛋白质，都具有配体结合域或传递信息的功能域。在血液中参与运送营养物质、激素和代谢产物的蛋白质称为运货受体（cargo receptor）。还有介导细胞间特异性黏附的受体，这类受体在卵子受精、凝血和炎症等反应中具有重要作用。受体具有识别和结合信息分子并将其转变为细胞的功能活动及其变化的作用。
2．配体及其作用 配体（ligand）是能与受体进行特异性结合的信息分子，通常称之为第一信使（first messenger），如神经递质、激素、细胞因子和气体分子（NO、CO和H2S）等。配体的特异性不强，如乙酰胆碱（ACh）可同M和N型受体结合，去甲肾上腺素（NA）可与β和α受体结合。ACh同心肌细胞膜上的M受体结合后引起心脏的活动减弱，同胃肠平滑肌细胞膜上的M受体结合后则使之活动增强；NA同心肌细胞膜上的β受体结合后引起其活动增强，同胃肠平滑肌细胞膜上的β受体结合后则使之舒张。这种配体与不同受体结合后产生多种功能活动的变化，是生物进化中的经济和简并原则的具体体现。
神经递质、大多数激素、生长因子和细胞因子都是蛋白质或肽类物质，是水溶性信息物质，不能通过细胞膜，只能同膜上的受体结合并经跨膜信息传递，才能引起细胞代谢和功能活动的变化。参与跨膜信息传递的膜受体主要有离子通道耦联受体、G蛋白耦联受体、酶耦联受体3种方式。类固醇激素、甲状腺激素和前列腺素等脂溶性信息物质则经膜扩散入细胞内，同胞浆和（或）核受体结合后发挥作用。
（二）离子通道耦联受体介导的信息传递
离子通道耦联受体（ion channel－coupled receptor）主要分布在神经细胞间和神经细胞与其他细胞间构成的突触后膜上，如交感神经和副交感神经节后神经细胞上的N1受体和肌膜上的N2受体等。
离子通道耦联受体上有神经递质或其他物质（如激动剂或阻断剂）结合的位点，其本身又是离子通道。不同的神经递质同特异的受体结合以后，引起后膜上的通道蛋白变构进而对离子选择性通透。后膜上有阳离子和阴离子通道，阳离子通道入口处的氨基酸多带负电荷（如N－乙酰胆碱通道），阴离子通道则多带正电荷（如γ－氨基丁酸通道）。当神经递质同受体结合后，如引起细胞外的阳离子内流，则导致后膜发生去极化电位变化；反之，如引起细胞内阳离子外流或细胞外阴离子内流，则导致后膜发生超极化性电位变化（见突触传递的过程及机制）。
另外，一些细胞内信息物质的受体也属于离子通道型，它们位于细胞内的各种膜结构上，这些受体的激活常引起细胞内离子浓度的变化，如IP3与内质网膜上的IP3受体（本质是一种Ca2＋通道）结合后，使内质网膜上的Ca2＋通道开放，Ca2＋外流，引起细胞浆中的Ca2＋浓度升高，进而产生相应的细胞功能活动。
（三）G蛋白耦联受体介导的信息传递
1．G蛋白耦联受体
（1）G蛋白耦联受体（G－protein coupled receptor，GCR）的结构和作用：G蛋白耦联受体是迄今发现的细胞膜上最大的受体超家族，已克隆的受体有300余种，已证实的家族成员超过1 000种。每种受体都是由一条7次穿膜的肽链构成，在其表面和胞浆侧都有识别和结合配体的部位；胞浆侧还有结合G蛋白的部位，当配体与受体结合后，受体构型变化，同G蛋白结合并使之激活。
（2）G蛋白及其效应器：G蛋白（G protein）具有耦联膜受体和效应器蛋白的作用，位于膜的胞浆侧。G蛋白是α、β和γ三个亚基组成的三聚体。α亚基具有GTP酶活性，能水解GTP生成GDP；β和γ亚基复合物对结合GTP的α亚基起协同或对抗作用。G蛋白在跨膜信息传递中起分子开关的作用，有两种状态：①同GTP结合后呈激活态，称为激活性G蛋白（stimulatory G protein，Gs），具有产生信息传递的作用；②在信息传递过程中，一旦结合的GTP被G蛋白内的GTP酶水解，G蛋白同GDP结合则呈失活态，因能抑制腺苷酸环化酶的活性，故称之为抑制性G蛋白（inhibitory G protein，Gi）。
G蛋白效应器（G－protein effector）有酶和离子通道两种。G蛋白调控的酶有膜上的腺苷酸环化酶（adenylate cyclase，AC）、磷脂酶C（phospholipase C，PLC）和依赖于cGMP的磷酸二酯酶（phosphodiesterase，PDE）等。AC水解ATP生成cAMP，PDE则使cAMP分解失活。此外，G蛋白还可直接或间接（通过第二信使）调控离子通道的活动。
（3）G蛋白受体超家族及其配体：GCR超家族可分为3个家族，均有其相应的配体：①GCR家族Ⅰ的配体有前列腺素、肾上腺素、乙酰胆碱、多巴胺、5－羟色胺、腺苷、血管紧张素、胰高血糖素、生长抑素、促胃液素、促甲状腺激素释放激素、血管升压素、促甲状腺激素、光、气味（smell）和味（taste）分子等；②GCR家族Ⅱ的配体有生长激素释放激素、促肾上腺皮质激素释放激素、抑胃肽和降钙素等；③GCR家族Ⅲ的配体有谷氨酸和Ca2＋等。
2．cAMP信息传递途径
（1）cAMP的生成和作用：当配体同细胞膜上受体结合后，信息的跨膜传递启动，G蛋白同GTP结合，G蛋白激活，α亚基同βγ亚基解离，α与AC结合并使之激活，AC使ATP水解生成cAMP。cAMP将配体（第一信使）的信息带入胞浆，故称之为第二信使。cAMP进一步使cAMP依赖性的蛋白激酶（cAMP－dependent protein kinase）或蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）激活。PKA可将ATP分子上的磷酸基团转移到胞内的靶蛋白上，使蛋白质的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，进而影响细胞的功能活动。例如，肝细胞内cAMP升高使PKA激活，PKA又激活磷酸化酶激酶，后者促进肝糖原分解。
此外，cAMP还可影响细胞基因的表达。在基因的转录调控区中有一类cAMP应答元件（cAMP response element），cAMP与其应答元件结合蛋白相互作用而调节此基因的转录，导致新的蛋白质合成。PKA还可使胞核内的组蛋白和酸性蛋白以及胞浆内的核蛋白体蛋白等产生磷酸化，进而影响这些蛋白质的功能。
（2）cAMP的失活：在cAMP传递信息的过程中，随着GTP水解成GDP，α亚基构型复原，同AC解离，终止对AC的活化，α同βγ结合。此时，Gs转化为Gi，Gi具有抑制AC活性的作用，AC活性抑制，cAMP生成减少；加之cAMP在PDE的作用下被降解为5＇－AMP而失活，cAMP传递信息的作用终止。可见，细胞内cAMP的浓度及其发挥作用的时间主要取决于AC和PDE的活性。
3．三磷酸肌醇和二酰甘油信息传递途径
（1）三磷酸肌醇和二酰甘油的生成：在某些配体与受体结合后，可激活另一种G蛋白（Gp），Gp可激活PLC，PLC将膜脂质中的二磷酸磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol－bisphosphate，PIP2）水解成IP3和DG。这两种第二信使物质分别在细胞的不同部位发挥作用。(https://www.daowen.com)
（2）IP3和DG的作用：IP3从膜上扩散至胞浆与内质网和肌浆网上的受体结合，促进这些钙库内的Ca2＋释放，使胞浆内的Ca2＋浓度升高而发挥作用：①Ca2＋作为第二信使，和胞浆中的钙调蛋白（calmodulin，CaM）结合成Ca2＋．CaM复合物，参与细胞分化、肌的收缩和细胞内酶的激活等；②Ca2＋与胞浆内的PKC结合后聚集至质膜，在DG和膜磷脂的共同诱导下，使PKC激活。DG生成后留在质膜上，在磷脂酰丝氨酸和Ca2＋的协同下激活蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）。有活性的PKC可引起靶蛋白的丝氨酸和（或）苏氨酸残基发生磷酸化。Ca2＋．CaM复合物通过激活依赖于CaM的蛋白激酶，也可使靶蛋白磷酸化。蛋白磷酸化参与多种生理功能活动的发生和发展。此外，PKC对基因表达亦有调节作用。通过基因的活化，使新的蛋白质生成，完成跨核膜的信息传递，或参与细胞的生长和增殖过程。
4．核因子kB介导的信息传递 核因子kB（nuclear factor－kB，NF－kB）体系主要参与机体的防御反应、组织损伤和应激、细胞分化和凋亡以及肿瘤生长抑制过程的信息传递。NF－kB包括NF－kB1、NF－kB2和某些癌基因蛋白。
体内多数细胞中的NF－kB是在胞浆内与抑制性蛋白质结合成无活性的复合物。肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）等作用于膜受体后，激活第二信使Cer及其激酶，通过磷酸化抑制蛋白使其构型发生变化，从而导致NF－kB脱落，NF－kB系统激活。激活的NF－kB进入细胞核并与DNA接触，启动或抑制基因的转录，进而增强细胞免疫能力或引起其他功能活动的变化。
近年研究表明，NF－kB和糖皮质激素受体（glucocorticoid receptor，GR）是机体免疫反应分子调节中的两个重要调节子，前者介导体内许多参与免疫反应的细胞因子基因和细胞因子诱导的基因转录活化过程，GR作为免疫反应抑制剂，抑制NF－kB活化基因的表达。NF－kB和GR相互作用，在功能上互为转录对抗剂。而且，二者可能还参与体内多种功能活动的调节。目前，NF－kB和GR在免疫反应中的对抗作用及其机制已成为研究的热点。
5．G蛋白－离子通道信息传递途径 G蛋白可直接或通过第二信使调节离子通道的活动来实现信息传递，如乙酰胆碱（ACh）同心肌细胞膜上的M2受体结合后可激活G蛋白，进而激活ACh门控K＋通道，使K＋外流增多，心肌的兴奋性降低。多数情况下，G蛋白通过第二信使影响离子通道的活动。在心肌和平滑肌细胞膜上都存在Ca2＋激活的K＋通道（Kca通道），当细胞内Ca2＋浓度升高时可使之激活，K＋外流导致膜的复极或超极化。在嗅信息传递中，cAMP可激活细胞膜上cAMP依赖性Na＋通道，Na＋内流产生去极化感受器电位，继之产生动作电位，上传至中枢产生嗅觉和其他功能活动的变化（见机体的其他感觉功能）。
（四）酶耦联受体介导的信息传递
酶耦联受体都是跨膜蛋白，可分为两类：①受体分子具有酶活性，即受体与酶是同一蛋白质分子，如具有酪氨酸激酶的受体和具有鸟苷酸环化酶的受体；②受体分子没有酶活性，当配体与受体结合后，受体被激活，继之激活蛋白激酶，如结合酪氨酸激酶的受体。
1．具有酪氨酸激酶的受体 该受体只有一个跨膜α螺旋，在膜外侧有与配体结合的位点，伸入胞浆一端具有酪氨酸激酶的结构域，故称之为具有酪氨酸激酶的受体（tyrosin kinase receptor，TKR）。部分肽类激素和大部分生长因子，如胰岛素、上皮生长因子（epidermal growth factor）、神经生长因子（nerve growth factor）和肝细胞生长因子（hepatocyte growth factor）等，当其同受体结合后，引起酪氨酸激酶（tyrosin kinase，TK）激活，然后通过受体本身和细胞内靶蛋白磷酸化以及蛋白质－蛋白质间的相互作用的方式传递信息；同时还通过丝裂酶原激活的蛋白激酶（mitogen activated protein kinase，MAPK）途径，把信息传至细胞核，引起基因转录的变化，TKR引起的信息传递主要影响细胞的代谢、生长和增殖等过程。
2．具有鸟苷酸环化酶的受体 这类受体只有一个跨膜α螺旋，受体分子的N端有配体结合位点，C端有鸟苷酸环化酶（guanylyl cyclase，GC）。一旦配体与受体结合，则使GC激活。GC激活与AC不同，不需G蛋白参与。GC使胞浆内的GTP生成环一磷酸鸟苷（cyclic guanosin monophosphate，cGMP），cGMP与cGMP依赖性蛋白激酶G（protein kinase G，PKG）结合并使之激活，PKG同PKA均是丝氨酸或苏氨酸蛋白激酶，故可使靶蛋白磷酸化。
具有鸟苷酸环化酶受体的一个重要配体是心房钠尿肽（atrial natriuretic peptide，ANP）家族的3个成员，即ANP、脑钠尿肽（brain natriuretic peptide，BNP）和C类钠尿肽（c－type natriuretic peptide，CNP）。ANP和BNP主要由心房产生，二者的合成和释放主要受心房牵张程度的调节，均具有强大的排钠利尿作用。CNP由内皮细胞产生，有降低心脏充盈压、减少心输出量和降低血压的作用。
在视杆细胞外段膜上有大量的cGMP门控性Na＋通道。在暗处，细胞内有稳定水平的cGMP，Na＋内流使膜产生去极化；光照时，视紫红质活化而激活传递蛋白（transducin）中的G蛋白（Gt），Gt使cGMP依赖的PDE激活，致使cGMP降解失活，Na＋通道关闭，Na＋内流停止，使光感受器细胞发生超极化，由此引起视信息的传递（见视觉产生的过程和机制）。
3．结合酪氨酸激酶的受体 这类受体分子一旦与配体结合即被激活，同时与胞内的酪氨酸蛋白激酶（tyrosine protein kinase，TPK）形成复合物，通过对自身和靶蛋白的磷酸化作用把信息传入细胞内并引起系列生物学效应。因这类受体可结合并激活TPK，故称之为结合酪氨酸激酶的受体（receptor－associated tyrosine kinase）。TPK通常活跃在信息传递的起始阶段和上游阶段。能够把磷酸化酪氨酸分子上的磷酸根去除的磷酸酶称为酪氨酸蛋白磷酸酶。对于体内多种反应（包括免疫细胞激活所致的免疫反应等）而言，TPK和酪氨酸蛋白磷酸酶是一组对立成分，分别发挥信息传递和抑制信息传递的作用。
红细胞生成素、生长激素、催乳素、干扰素和多种细胞因子，均是这类受体的配体。当这些配体同受体结合后，通过信息传递，主要参与机体的造血、生长发育、免疫与炎症等反应。
上述的细胞内蛋白磷酸化是可逆的过程，凡是由蛋白激酶（protein kinase）参与的反应，也必定有蛋白磷酸酶（protein phosphatase）参与。细胞内信息传递过程中的磷酸化（phosphorylation）作用和脱磷酸化（dephosphorlation）作用是正或负调控的主要形式。蛋白磷酸化可使许多靶蛋白激活，通过级联效应逐渐将信息量放大而产生广泛的生理作用；脱磷酸化也可使一些蛋白激活而引起细胞功能活动发生变化。因此，可逆的蛋白磷酸化犹如双向开关，操纵开关的是蛋白激酶和蛋白磷酸酶。使靶蛋白在激活和失活之间转换，引起相应的蛋白质构型互变和活性发生变化。
在信息传递中，脱磷酸化的蛋白磷酸酶和促磷酸化的蛋白激酶相对应，二者在调节细胞内信息传递和生理效应中，既彼此对抗又相互协调。由蛋白激酶和蛋白磷酸酶调节的蛋白质可逆磷酸化，是不同胞外信息所启动的胞内信息传递的共同通路，是生物信息在胞内传递的主要方式。蛋白质可逆磷酸化是细胞代谢、生长、发育、凋亡、免疫反应以及细胞对应激反应的调控中心，在生命活动中发挥重要作用。
（五）细胞内受体介导的信息传递机制
类固醇激素（糖皮质激素、盐皮质激素和性激素等）分子小且为脂溶性，经细胞膜进入细胞内并与胞内受体（intracellular receptor）结合形成激素－胞浆受体复合物，随之受体蛋白变构使激素获得进入核内的能力；激素进入胞浆后，也可直接进入核内。激素同核内受体结合形成激素－核受体复合物，该复合物首先与基因发生特异性的相互作用，然后促进（或抑制）基因的表达。
在靶基因中有能与激素－受体复合物发生特异性相互作用的一段核苷酸序列，称为激素反应元件（hormone response elements，HRE）。通过HRE可产生基因表达的变化。此外，某些激素可通过与基因中的负激素反应元件（negative hormone response elements，nHRE）结合以抑制基因的表达。如糖皮质激素可抑制Ⅰ型和Ⅳ型胶原以及催乳素基因的表达，并通过抑制某些细胞因子的表达而发挥其抗炎和免疫抑制等作用。
类固醇类激素通过与核受体结合，调节或影响基因的转录过程，使mRNA和蛋白质的合成发生变化，进而引起细胞的功能活动发生相应的变化。
陈宜张教授等研究表明，类固醇类激素还能通过非基因组作用而快速引起生理活动的变化。其机制有待进一步研究。推测在类固醇类激素非基因组和基因组作用之间存在交互对话（cross talk），二者协同实现其对机体功能活动的调节。
这里要指出的是，随着生命科学理论和分子生物学技术的发展，目前，已对体内生命活动中的某些信息传递过程及机制有了一定的了解，但这只能是冰山一角。上述的信息物质在体内的活动及机制有待进一步阐明；细胞内不同基因组合和不同蛋白质分子之间的相互作用，无疑构成一个巨大的信息功能网络，至今还未涉及；体内新的信息物质将不断发现；自然环境因素的不断变化还会刺激机体生成新的物质，这些物质通过何种信息传递机制使人类能适应环境因素的变化等。所以，生命活动中的信息传递机制及作用是一个发展的研究课题。