第二节　分子成像靶点

一、细胞外靶点

（一）神经递质

神经递质（neurotransmitter）是由突触前神经元合成并在末梢处释放，经突触间隙扩散，特异性地作用于突触后神经元或效应器细胞（如肌细胞或腺体细胞）上的受体，使信号从突触前膜传递到突触后膜的一类化学物质。在中枢神经系统中，突触传递最重要的方式是神经化学传递。当信息在突触间传递时，神经递质通过突触间隙作用于突触后膜，产生突触后去极化或超极化电位，引起突触后神经兴奋或抑制，神经递质的作用可通过再回收抑制和酶解终止。神经递质多来自于饮食中简单且丰富的前体（如氨基酸等），由简单生物合成即可转化。至今发现的神经递质已超过200种，其大致可以分为以下5类：

1.单胺类递质（monoamines）

包括去甲肾上腺素（noradrenaline，NA）、肾上腺素（adrenaline）、多巴胺（dopamine，DA）以及5-羟色胺，是一类重要的神经递质，可以提高神经系统反应速度，增强机体适应环境的能力，在人体的心血管系统、神经系统以及内分泌腺、肾脏、平滑肌等部位的生理活动中也起着广泛的调节作用。它们有共同的结构特征，即结构内的氨基与芳香环中间通过两个碳原子相连接。所有的单胺类递质都来源于芳香族氨基酸，如苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸等。单胺类递质代谢则是在体内单胺氧化酶的作用下，丢失氨基导致失活而完成，见图1-2-2-1。单胺类递质的受体均为G蛋白偶联受体。

在中枢神经系统中，合成去甲肾上腺素的神经元主要位于低脑干；合成肾上腺素的神经元主要在延髓；合成多巴胺的神经元主要分布于黑质-纹状体、中脑-边缘、结节-漏斗三条通路。

在周围神经系统中，去甲肾上腺素是主要的儿茶酚胺类递质，也是绝大多数交感神经节后纤维释放的神经递质。交感神经兴奋表现为心脏兴奋、支气管扩张、抑制胃肠道蠕动、汗腺分泌等。

2.多肽类递质

多肽类递质种类众多，包括P物质（substance P，SP）、内阿片肽类的脑啡肽、强啡肽和β-内啡肽，脑肠肽类的血管活性肠肽（vasoactive intestinal peptide，VIP）、胆囊收缩素以及甲状腺激素释放激素等。外周的肽能神经纤维主要分布于消化道肠神经纤维中。

P物质是世界上发现最早的神经肽，是速激肽（tachykinin，TK）家族的成员，由十一个氨基酸构成。在中枢神经系统中主要分布于下丘脑、松果体、脊髓后角。在外周神经系统分布较少，主要集中于脊神经节和颈交感神经干中，与炎症过程及疼痛相关。最近研究表明，脑胶质瘤中TK受体高表达，以SP类似物为底物构造探针对胶质瘤的诊断及治疗有一定价值。阿片肽类、脑肠肽类、甲状腺激素释放激素等通过作用于G蛋白偶联受体而抑制腺苷酸活化酶活性，来传递神经信号。阿片肽类递质最早在中枢神经系统中被发现，后来在外周炎性细胞中也相继被发现，以β-内啡肽含量最高。脑肠肽类递质中的血管活性肠肽在生物体内具有双重作用，既是胃肠道激素，又是神经肽。

3.氨基酸类递质

氨基酸类递质包括谷氨酸、天冬氨酸、γ-氨基丁酸和甘氨酸。其中谷氨酸与天冬氨酸是兴奋性神经递质。谷氨酸在脑内含量最多，为最主要的兴奋性递质。谷氨酸的代谢途径是通过谷氨酸转运体完成的，其分布于神经元突触前膜及神经胶质细胞膜上，形成神经元和胶质细胞之间的“谷氨酸-谷氨酰胺”循环通路。神经冲动引发突触前膜谷氨酸的释放，作用于谷氨酸受体，在大脑的记忆及认知活动中起重要作用。大脑的可塑性（长时程增强）多集中于海马、大脑皮层和其他谷氨酸能突触聚集的部位。当突触间隙及胞外的谷氨酸大量蓄积时，谷氨酸转运体通过浓度梯度选择转运机制，终止兴奋性信号及兴奋性氨基酸的再循环，防止神经毒性的发生。

γ-氨基丁酸和甘氨酸是抑制性神经递质。γ-氨基丁酸是一种非蛋白质组成的天然氨基酸，由谷氨酸在体内谷氨酸脱羧酶的作用下转化而来，是哺乳动物中枢神经系统中最重要的抑制性神经递质。γ-氨基丁酸结构较为特殊，氨基连在γ碳上。其与突触后膜的受体结合，导致氯离子内流和钾离子外流，从而产生超极化，抑制突突触后动作电位的产生和传导。甘氨酸大脑中的抑制效应较弱，主要在延脑以下的结构中发挥作用。

4.胆碱类递质

是中枢神经系统主要的兴奋性递质，以乙酰胆碱（acetylcholine，ACh）为主，主要通过胆碱受体发挥作用。胆碱能受体包括配体门控离子通道（如烟碱样受体）及G蛋白偶联受体（如毒蕈碱样受体）。乙酰胆碱受体与常见的各类精神疾病疼痛及成瘾活动密切相关，同时参与运动控制、体温调节、心血管调节和记忆等过程。胆碱相关神经元主要分布于脊髓前角运动神经元、脑干网状结构上行激动系统、丘脑、纹状体等脑区。在边缘系统中，胆碱能神经元分布于梨状区、杏仁核、海马区。近年研究表明乙酰胆碱还参与了抑郁症的相关神经机制。

5.气体类递质

包括一氧化氮（nitricoxide，NO）、一氧化碳（carbon monoxide，CO）及硫化氢（hydrogen sulfide，H2S）。NO化学性质活泼，半衰期约为3～5秒。生物体内NO主要由L-精氨酸在还原型辅酶Ⅱ和氧气存在的条件下，由一氧化氮合成酶催化生成L-瓜氨酸时释放。一氧化氮在分子轨道上有一个未成对电子位于π*轨道，因此它极其不稳定，极易与氧气反应而生成二氧化氮NO2。NO是一种普遍存在于哺乳动物细胞间的信号分子，广泛地参与调节各种生理及病理过程，如血管扩张、神经信号传导、免疫炎症的调节以及肿瘤的发生与转移等。

CO无色无味。内源性CO来源于血红素的酶解，单体血红素被血红素氧合酶降解为铁、胆绿素和一分子CO。其体内作用类似NO，也能激活腺苷酸环化酶。

H2S是一种具有臭鸡蛋气味的气体，具有腐蚀性和易燃性。L-半胱氨酸是硫化氢合成的主要底物，大多数硫化氢主要是靠胱硫醚-β-合成酶以及胱硫醚-γ-裂解酶合成得到的。硫化氢可以对转录后的蛋白进行修饰如巯基化来增加蛋白的活性。此外，硫化氢还可以清除体内自由基而产生抗炎的效果。

（二）激素

激素（hormones）是一类由内分泌腺、分散的分泌细胞和某些神经细胞分泌的能够传递信息的高效能生物活性物质，它可通过循环系统运输作用靶组织发挥功能，也可以调节邻近的细胞（旁分泌）或分泌细胞本身（自分泌）。根据激素的化学结构可分为氨类激素、多肽蛋白类激素和脂类激素三大类。

1.氨类激素

多为氨基酸衍生物，其中肾上腺素、去甲肾上腺素及甲状腺素（thyroid hormones）均由酪氨酸衍生而来，松果体激素由色氨酸衍生而来。肾上腺素及去甲肾上腺素作为神经递质，在上述已做介绍，这里我们重点介绍下甲状腺素。

甲状腺激素是含碘的酪氨酸衍生物，由甲状腺腺泡合成和分泌，包括三碘甲状腺原氨酸（triiodothyronine，T3）和甲状腺素（thyroxine，T4）。甲状腺球蛋白为一个660kDa的二聚体蛋白质，每个含有100～120个氨基酸残基，在甲状腺过氧化物酶催化下发生碘化作用，见图1-2-2-2。甲状腺素进入血液后与结合蛋白结合输送至全身。甲状腺素的作用是能加快物质代谢与能量代谢，促进身体和智力的发育。对骨骼、神经系统和生殖系统的发育有显著影响，能提高神经系统尤其是交感神经系统的兴奋性。甲状腺素受体为核受体，甲状腺素与受体在细胞核内结合后再与DNA结合，通过影响基因转录实现上述功能。

2.多肽蛋白类生长激素（growth hormone, GH）

由腺垂体分泌，广泛分布于人体内，为一条单链、非糖化、191个氨基酸组成的亲水性球蛋白。生长激素是一种应激性激素，其主要作用是促进蛋白质合成、加速脂肪分解成游离脂肪酸、提高血糖的浓度发挥应激功能。GH发挥生理作用主要有两种途径，一是先作用于肝脏等器官产生胰岛素样生长因子，再通过内分泌、旁分泌或自分泌途径作用于靶器官发挥作用。二是直接作用于靶器官来调节生理代谢。以上两种途径的共同机制是GH先与靶细胞膜表面的生长激素受体结合，生成的聚合体再通过与细胞质区酪氨酸激酶JAK2以及其他信号分子相互作用传导信号。

胰岛素（insulin），由胰腺B细胞分泌，是由51个氨基酸组成的小分子蛋白质，分子量大约6 000。它由A链和B链组成，二者通过二硫键相连，见图1-2-2-3。胰岛素结构较为保守，人胰岛素与牛胰岛素有三个氨基酸的差异，与猪胰岛素仅为1个。胰岛素是人体内唯一能够降血糖的激素。经胰岛细胞分泌后进入血液循环，作用于全身靶器官。通过促进组织对葡萄糖的摄取利用，使葡萄糖转化为糖原、脂肪或蛋白质，抑制肝糖原异生及分解等途径降低血糖。胰岛素受体是由两条α链和两条β链通过二硫键相连组成的酪氨酸蛋白激酶受体。由胰岛素所激发的信号传递途径主要有Ras-MAP激酶途径和磷脂酰肌醇3-激酶（PI3-K）两条途径。

此外，多肽类激素还包括促肾上腺皮质激素、胰髙血糖素、甲状旁腺素、降钙素、促甲状腺激素及抑制素等。

3.脂类激素

主要分为类固醇激素及二十烷酸，其中类固醇激素主要由肾上腺皮质与性腺分泌，包括盐皮质激素、糖皮质激素以及性激素；前列腺素类、血栓素类以及白细胞三烯类等属于二十烷酸。这里我们仅重点介绍一下性激素。

性激素（sexhormone）是一类甾体激素，包括雄激素、雌激素和孕激素，主要由性腺分泌，少量由肾上腺分泌。天然存在的雄激素是睾酮，以雄甾烷为母核，化学结构是Δ4-3-酮-17α-羟雄烷。睾酮在5α-还原酶作用下还原成双氢睾酮，二者都可以与受体结合而发挥生理效应。主要作用有促进男性生殖器官的形成和第二性征的发育，促进蛋白质合成代谢以及促进生长和骨骼、肌肉的发育。天然雌激素主要是雌二醇、雌酮、雌三醇，其中以雌二醇生理作用最强。三种激素在体内可相互转化，其他两者可看作雌二醇的代谢产物。雌激素以雌甾烷为母核，其化学结构是雌甾-1,3,5（10）-三烯-3,17β-二醇，作用靶组织为子宫、输卵管、阴道、垂体等，主要功能是促进雌性动物第二性征发育及性器官成熟。孕激素是雄激素和雌激素合成的中间体，化学结构是孕甾-4-烯-3,20-二酮。主要作用是促进泌乳和抑制排卵。性激素的受体是核受体，但后来研究发现雌激素的非经典核受体信号传导通路有多种，其中比较重要的是G蛋白偶联的雌激素受体GPER。三种性激素的结构见图1-2-2-4。

（三）细胞因子

细胞因子（cytokine）是由机体活化的免疫细胞（淋巴细胞、单核巨噬细胞等）和相关细胞（纤维细胞、内皮细胞等）合成、分泌的低分子量多肽类或水溶性蛋白质因子。与激素类似，它们可以通过自分泌、旁分泌和内分泌调节机体的生理功能，参与多种细胞的增殖和分化，充当免疫调节剂。由于细胞因子在调节先天免疫和适应性免疫中发挥着关键作用，近年来细胞因子在免疫佐剂中的研究十分热门。我们对几种比较重要的细胞因子作简要介绍。

白细胞介素（interleukin，IL），又称白介素，是非常重要的细胞因子家族，多为低分子量多肽。在1979年第二届淋巴因子的国际会议上，将介导白细胞间相互作用的一些细胞因子命名为IL，并以阿拉伯数字排列，如IL-1，IL-2，IL-3等。IL具有非常广泛的生物学活性，包括介导免疫细胞间的信息传递，调节淋巴B细胞、淋巴T细胞等的活化增殖，促进炎症反应等。

干扰素（interferon，IFN），一种可溶性的糖蛋白，最初发现某一种病毒感染的细胞能产生一种物质，可提高附近细胞对病毒的抵抗及防御能力。根据干扰素氨基酸序列和结合膜受体的不同，将干扰素分为Ⅰ型干扰素、Ⅱ型干扰素和Ⅲ型干扰素。所有的Ⅰ型干扰素都能结合一个特定受体IFN-α/β，通常在机体受到既往接触过的病毒时产生。Ⅱ型干扰素主要是由活化的T细胞和NK细胞产生，在白细胞介素-12共刺激下激活。Ⅲ型干扰素目前研究的相对较少。1985年，IFN-α就成为FDA批准上市的应用于临床治疗的第一个细胞因子，IFN-α现已被广泛用于临床上治疗乙型病毒性肝炎或丙型病毒性肝炎。

肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF），一般指的是TNF-α，由巨噬细胞产生。而由T淋巴细胞产生的淋巴毒素（lymphotoxin，LT）称为TNF-β。TNF-α含有157个氨基酸，分子量约17kDa，成熟后以三聚体的形式发挥作用，主要功能是抗肿瘤、调节免疫细胞增殖分化、参与免疫性疾病。TNF-β含有205个氨基酸，分子量约25kDa，与TNF-α在氨基酸水平上有约36%的同源性，且作用于相同的受体，但活性较低，抗肿瘤等作用较弱。

细胞因子种类繁多，还有一些其他细胞因子如集落刺激因子（colony stimulating factor，CSF）、生长因子如表皮生长因子、血小板衍生的生长因子等。此外还有趋化因子家族（chemokine family）等。

（四）糖类

又称碳水化合物，是由碳、氢和氧原子组成的生物分子，结构为多羟基醛（酮）或其缩聚物、衍生物，主要分为单糖、二糖、低聚糖以及多糖。糖类是生物体维持生命活动的主要来源，也是生物体重要的结构物质。此外，糖类还能与蛋白或脂质结合形成各种糖的复合物，在生命活动中发挥重要作用。

单糖作为最小的糖单元分子，是具有两个或者更多羟基的醛或酮类，无法水解成为更小的碳水化合物。按含有的碳原子数可分为丙糖、丁糖、戊糖、己糖等，最小的单糖仅含有三个碳原子。其中较为重要的有戊糖及己糖。戊糖如核糖，脱氧核糖，是DNA、RNA和辅酶NAD、FAD的组成部分；己糖包括葡萄糖、果糖，是体内的氧化能量来源。

二糖是由两个单糖单元通过脱水反应，之间通过糖苷键共价连接而成，包括麦芽糖（2分子葡萄糖）、蔗糖（1分子葡萄糖和1分子果糖）、乳糖（1分子葡萄糖和1分子半乳糖）。二糖可分为还原型和非还原型两类，当一个糖的官能团与另一个糖单元结合，则称为还原二糖。二糖即是各种生物体的能量来源，也是生物体组成的物质原料。

低聚糖和多糖为单糖通过糖苷键而成的聚合物。低聚糖通常含有3～10个同种或不同种单糖分子，由于其单糖分子间结合位置特殊，在人或动物体内找不到相应的代谢酶系，不能作为能量供体，但具有降血脂、降胆固醇以及可增殖体内双歧杆菌等功能。构成多糖的糖单元可达数百至上千，是机体重要的组成部分，与维持生命的多种功能相关。比如，肝素在体内有着抗凝血、改善微循环的作用。透明质酸是构成人体细胞间质、眼玻璃体、关节滑液等结缔组织的主要成分。糖复合物将在细胞膜靶点章节中进行详细介绍。

糖类的代谢显像在核医学中具有重要地位，其中18F-氟代脱氧葡萄糖（18F-FDG）可准确反映体内器官/组织的葡萄糖代谢水平，被誉为“世纪分子”。其成像原理大致如下：18F-FDG中2位羟基被18F取代，跟葡萄糖一样，能通过葡萄糖转运体被细胞摄取，在己糖激酶的作用下形成18F-FDG-6-磷酸，但是由于缺少2位羟基，不能进一步像葡萄糖一样被代谢，见图1-2-2-5。因此，18F-FDG蓄积在细胞内，可作为己糖激酶或是细胞代谢的评价指标。恶性肿瘤细胞由于代谢旺盛，对葡萄糖的需求增加。大多数肿瘤病灶会表现为对18F-FDG的高摄取，因此应用18F-FDG PET/CT显像可早期发现全身肿瘤原发灶及转移灶，有助于肿瘤良、恶性的判断，从而正确指导临床的治疗决策。

（五）微环境

微环境是细胞外间质成分，是细胞维持形态以及赖以生存的必要场所，为细胞正常增殖、分化、代谢和功能活动提供重要保证。微环境成分的异常变化可提示细胞或疾病的发生，近年来此方面的研究较多。

1.酸碱度

酸碱度在维持人体内环境稳态方面有重要作用。正常人血浆近中性，pH为7.4左右，与 HCO3−、HPO42−等一些离子有关。

不同的体液有着不同的微环境pH，如唾液pH 6.0～7.0；胃液 pH 1.0～3.5；小肠液 pH 7.5～8.0。此外，在细胞层面上也同样存在着pH差异，如早期内涵体pH 6.0～6.5；晚期内涵体pH 5.0～6.0；溶酶体pH 4.5～5.0；高尔基复合体pH 6.0～6.7。

然而在疾病状态下，pH会发生一定的改变。其中最具有代表性的就是肿瘤，细胞外的pH可低至5.7（通常在6.8～7.0）。这是由于肿瘤特殊的糖酵解代谢方式（Warburg effect），生成大量乳酸等酸性代谢产物；同时肿瘤细胞表面Na+/H+交换蛋白过度表达，以主动转运方式将H+转运至细胞外，使得酸性代谢产物在肿瘤细胞外大量堆积，见图1-2-2-6。同时肿瘤内部脉管系统相对不发达，同时间质压较高，造成瘤内低灌注、乳酸低排出，导致质子积累，进一步加重了肿瘤微环境的酸性程度。

除肿瘤外，其他一些病理情况也伴随pH的改变。类似的，在组织出现炎症的情况下，也会出现酸性微环境。原因为周围组织代谢增强，耗氧量增加，导致炎区中心缺氧，无氧糖酵解增加，酸性代谢产物乳酸等大量堆积。如炎症组织pH约为5.4；骨折相关血肿pH约为4.7；心肌缺血pH约为5.7。

许多具有可质子化的官能团（如叔胺基团）或可断裂化学键（如腙键、2,3-二甲基顺丁烯二酰胺等）被用作pH响应的开关，用于药物的递送、疾病的诊断成像等。近年也出现了pH响应的无机材料，其中酸可降解材料如磷酸钙和液态金属具有生物降解性和无毒性，有良好的发展前景。

2.活性氧

活性氧（reactive oxygen species，ROS）主要包括过氧化氢（H2O2）、过氧自由基（ROO·）、一氧化氮自由基（NO）、超氧负离子（O2−）及羟基自由基（OH−）等，是生物体内广泛存在的重要的生理活性小分子化合物之一，具有较强氧化活性。

过去，活性氧被认为是细胞产生的有害物质，与疾病及衰老相关。研究表明活性氧确实和癌症、帕金森综合征、阿尔茨海默病、癫痫等疾病的发生有着密切联系。然而近些年的研究表明，活性氧还是体内一些正常生理活动的信号分子，参与了许多正常的生理过程。

线粒体中ROS的主要来源是通过电子传递链对分子氧进行单电子还原，进而形成超氧阴离子自由基（O2·−），O2·−在超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）作用下生成H2O2。同时过氧化氢也可由氧气在单胺氧化酶（monoamine oxidase，MAO）的作用下生成，生成的过氧化氢在髓过氧化物酶（myeloperoxidase，MPO）的催化下与Cl−反应可生成ClO−，在铁或铜离子的催化下发生Fenton反应生成OH·，超氧阴离子遇氮氧化物反应生成ONOO−，见图1-2-2-7。

正常生理情况下，机体存在天然的促氧化和抗氧化系统来维持细胞内正常的氧化还原反应及ROS的代谢平衡。细胞主要通过控制ROS生成和降解维持ROS稳态。促氧化水平的升高或者抗氧化能力的减弱都会导致细胞内ROS含量的升高。常用于活性氧响应的官能团有硼酸酯、酮缩硫醇、含硒化合物等。

3.乏氧

乏氧（hypoxia）的概念最早可追溯到Thomlinson和Gray的研究，该研究发现无论肿瘤大小，有活力的肿瘤组织最大半径为180～200μm，超过这个大小便会出现细胞乏氧。乏氧与多种疾病相关，如癌症、心肌病、局部缺血、类风湿性关节炎和血管疾病等。乏氧可分为以下三类：

（1）急性／灌注性乏氧（acute/perfusion-related hypoxia）：

指血流灌注不足导致的氧输送障碍。由于肿瘤血管网结构和功能异常或肿瘤组织间液压升高，血管内血流暂时减少或阻滞，导致血管周围邻近的细胞乏氧。这种由于血管原因所致的短暂血流中断、血管周围细胞乏氧称为急性乏氧，周期较短（数秒至数分钟）。

（2）慢性／弥散性乏氧（chronic/diffusion-related hypoxia）：

为远离血管的肿瘤细胞因超过了氧气的有效弥散距离（> 70μm）而处于的乏氧状态。这种超过了血管功能性有效供氧范围而引起的乏氧称为慢性乏氧，通常较为固定或长期存在。

（3）贫血性乏氧（anemic hypoxia）：

指治疗相关的氧输送能力减弱。研究表明，当血红蛋白保持在8g/L以上时，正常组织能得到足够的氧供给；在4～8g/L时，正常组织可通过增加血流代偿，而肿瘤组织无法增加血流而乏氧。可能的原因是肿瘤组织畸形血管不能因氧含量减少而及时调节血管阻力和增加血管血流。肿瘤组织对贫血造成的乏氧较肌肉组织更敏感，通过治疗贫血可增加氧供，提高疗效，同样结论在乳腺癌中得到印证。

硝基咪唑类化合物是主要的乏氧敏感基团。这主要是由于硝基咪唑在不同氧浓度下具有不同的还原敏感性。正常氧含量的细胞中，该类化合物的硝基在黄嘌呤氧化酶作用下生成自由基阴离子，并迅速再氧化成硝基扩散出细胞；而在乏氧条件下，自由基阴离子可被硝基还原酶进一步还原，还原产物与细胞内组分结合，滞留于细胞内。

二、细胞膜靶点

（一）受体

细胞膜受体是镶嵌在膜脂质双分子层中的膜蛋白质。受体蛋白质一般由两个亚单位组成，包括调节亚单位和催化亚单位。调节亚单位位于细胞膜外，即一般所说的受体，它能与环境中的化学物质（如激素、神经递质、抗原、药物等）特异性结合；催化亚单位位于细胞膜内，常见的是无活性的腺苷酸环化酶（adenylate cyclase，AC）。

1.G蛋白偶联受体（G protein coupled receptors, GPCRs）

是人体内最大的膜受体蛋白家族。GPCRs具有七个跨膜α螺旋，这些结构将受体分割为膜外N端、膜内C端、3个膜外环和3个膜内环。且其肽链的C端和连接第5和第6个跨膜螺旋的胞内环上都有G蛋白（鸟苷酸结合蛋白）的结合位点。已知的与G蛋白偶联受体结合的配体包括激素、神经递质、趋化因子等。这些配体可以是小分子的糖类、脂质、多肽，也可以是蛋白质等生物大分子。G蛋白偶联受体的结构见图1-2-2-8。

GPCRs能够对胞外的信号产生应答，并将其转化为胞内信号，广泛参与人体内多种生理功能，如心血管系统、神经系统、免疫系统与内分泌系统等，是重要的成像靶点。近年的研究表明GPRS存在二聚体及多聚体形式，其中二聚体的研究得到广泛关注。

2.酶偶联型受体

大致可分为两类：

（1）一类是本身具有激酶活性的受体，蛋白磷酸化是细胞信号转导的基本方式，磷酸化过程通常在蛋白激酶的催化作用下完成；第二类本身没有酶活性，这一类受体在信号传导过程中也需要把磷酸基团转移到蛋白质的酪氨酸残基上，不过受体胞内段本身不具有使酪氨酸磷酸化的催化活性，而是通过与酪氨酸蛋白激酶（tyrosine protein kinases，TPK）结合，再磷酸化靶蛋白的酪氨酸残基。这类受体的配体都是细胞因子如IL、IFN、TNF，因此又称为细胞因子受体超家族。下面我们简单介绍一下这两类受体。

TPK磷酸化作用位点为蛋白质的酪氨酸残基。TPK作为一个大的结构多样的酶家族，对细胞的增殖、分化及功能具有重要的调节作用，TPK分为受体依赖型TPK（receptor tyrosine kinases，RTK）和非受体依赖型TPK。

酪氨酸蛋白激酶受体是细胞内段具有酪氨酸激酶活性的跨膜结构的酶蛋白受体，其结构可分为具有可识别结构域的胞外区、跨膜区以及具有TPK活性的胞内区。其胞外区与生长因子配体结合，然后激活胞内段的酶活性区启动信号转导，大多数生长因子如表皮生长因子、血小板衍生生长因子、胰岛素样生长因子等的受体均有RTK活性。RTK在没有与信号分子结合时是以单体存在的，且没有活性。一旦有信号分子同细胞外结构域结合，2个单体受体分子即在膜上形成二聚体，然后2个受体的细胞内结构域的尾部相互接触，激活它们的蛋白激酶功能，结果使尾部的酪氨酸残基磷酸化。其下游信号通路有经Ras蛋白激活丝裂原活化蛋白激酶，经磷脂酶Cγ激活蛋白激酶C、磷脂酰肌醇3-激酶、细胞内非受体型TPK，最后激活细胞内一系列的生化反应。

（2）第二类如整合素（integrin），这是一种介导细胞和其外环境（如细胞外基质）之间的连接的跨膜受体，是细胞黏附分子家族成员之一。整合素是由 α（120～185kDa）和 β（90～110kDa）两个亚单位形成的异二聚体跨膜糖蛋白，在结构上都由一个较大的胞外区（大约700～900个氨基酸）、短的跨膜片段、较短的胞内区（大约20～60个氨基酸）组成。其α亚基的胞内区（20～40个氨基酸）较β亚基（45～60个氨基酸）短，二者胞外段结构差异大。整合素激活可以传导双向信号，胞质蛋白激活传导由内向外的信号，ECM激活传导由外向内的信号。整合素参与许多重要的生理过程，包括胚胎形成、凝血、维持体内组织器官的完整性，此外，也参与许多的病理过程，如炎症、血栓形成、恶性肿瘤生长浸润和转移等。其中ανβ3是近年来热门的成像靶点，以其多肽配体RGD开发的成像剂也在开展相关的临床试验。

（二）酶和蛋白质

1.G蛋白

G蛋白偶联信号传导系统是一类重要的细胞跨膜信号传导途径之一。作为GPCR下游效应器蛋白，G蛋白（G-protein/GTP binding protein）是鸟苷三磷酸结合蛋白的简称，可水解GTP生成GDP，具有GTP酶（GTPase）的活性。它是由α、β和γ偶联组成的异源三聚体，总分子质量为100kDa左右。G蛋白有两种构象，一种是以αβγ三聚体存在并与GDP结合，为非活化型；另一种构象是α亚基与GTP结合并致β及γ亚基脱落，此为活化型。

G蛋白偶联的信号传导系统由GPCR、G蛋白和效应器分子组成。在信号传导过程中，由GPCR接收信号，再以G蛋白解离亚基作为传导物，活化相应酶和离子通道，产生重要的第二信使，从而引起胞内相应的生物反应。不同种类G蛋白的α亚基都有鸟苷酸结合区，既可与GTP结合，又可与GDP结合。与GTP、GDP的可逆结合使G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用，其跨膜传递信息一般分为以下几步：①当外部没有信号时，受体与配体分开，G蛋白以异源三聚体形式存在，为关闭状态，即α亚基与GDP紧密结合，β、γ亚基与α亚基、GDP的结合较为疏松。②当外部有信号时，G蛋白受体与其相应的配体结合，随之诱导G蛋白的α亚基构象变化，并使αβγ三个亚基形成紧密结合的复合物，进而使GDP与GTP交换，激活α亚基，产生开启状态，随后作用于效应器，产生细胞内信号，从而引起细胞的各种反应。③G蛋白回到关闭状态。

2.腺苷酸环化酶

腺苷酸环化酶是膜整合蛋白，是G蛋白偶联系统中的效应物，能够将ATP转变成cAMP。不同激素与其相应的受体结合后，可引起AC激活或抑制，通过改变细胞内cAMP水平，引起细胞的信号应答，产生生理效应。AC广泛分布于哺乳动物的细胞质膜、核膜和内质网膜上。AC有些亚型广泛表达（如AC2、AC4及AC6），而有些亚型的表达具有组织特异性，如AC5表达于心脏和纹状体，ACs主要表达于睾丸组织，AC1和AC3主要表达于大脑。同一组织的AC亚型其分布及相关水平也不尽相同。

膜结合AC系分子质量为100～150kDa的糖蛋白，目前已克隆的AC亚型有9种，它们都是初级结构相似的对称蛋白质，包含2个跨膜区和2个胞质区。跨膜区一般由6个α跨膜螺旋组成，决定着AC的膜定位，一般认为跨膜区具有调节蛋白质组装和协助跨膜运输的作用。胞质区可以分为C1和C2，其中C1分为C1a与C1b，C1a和C2a两者之间高度保守且同源，共同组成AC的催化区。

此外，还有磷脂酶C和Ras蛋白也起着信号传导的重要作用。

（三）离子通道

离子通道（ion channels of biomembrane）是一类对离子具有选择通透性的跨膜生物大分子，存在于所有可兴奋细胞的细胞膜上。离子通道由细胞产生的糖蛋白质构成，它们聚集起来并镶嵌在细胞膜上，中间形成水分子占据的孔隙，这些孔隙就是离子等水溶性物质快速进出细胞的通道。离子通道的开放和关闭，称为门控。根据门控机制的不同，将离子通道分为四大类：

（1）电压门控离子通道：

又称电压依赖性或电压敏感性离子通道，其开、关取决于膜电位及电位变化的时间，以最容易通过的离子命名，如钾、钠、钙、氯通道四种主要类型。这类通道在维持可兴奋细胞的动作电位方面起着相当重要的作用。

（2）配体门控离子通道：

又称受体控性离子通道，由递质与通道蛋白质受体分子上的结合位点结合而开启。以递质受体命名，如乙酰胆碱受体通道、谷氨酸受体通道、门冬氨酸受体通道等。非选择性阳离子通道由配体作用于相应受体而开放，允许钠、钙或钾离子通过。

（3）环核苷酸门控离子通道：

其开、关由细胞内cGMP、cAMP等环核苷酸的离子浓度来控制，这类通道主要见于视觉细胞和嗅觉细胞中。

（4）机械门控性：

又称机械敏感性离子通道，是一类感受细胞膜表面应力变化，实现胞外机械信号向胞内转导的通道，根据通透性分为离子选择性和非离子选择性通道，根据功能作用分为张力激活型和张力失活型离子通道。

乙酰胆碱受体是目前研究较为清楚的离子通道。它由2个α亚基，1个β亚基，1个γ亚基，1个δ亚基组成圆筒状五聚体，具有两个乙酰胆碱结合位点（α-和γ-亚基之间，α-和 δ-亚基之间），中间为离子传导通道，见图1-2-2-9。

离子通道功能包括建立细胞的静息膜电位、动作电位，传导电信号等。离子通道的结构或功能异常会累及神经、肌肉、心脏等多个系统和器官。与钾离子通道异常有关的疾病有癫痫、1-型发作性共济失调等；与钠离子通道异常有关的病有先天性副肌强直、先天性肌无力等。

（四）糖复合物

糖复合物，又称糖缀合物，由单糖、二糖、低聚糖和多糖以共价键与蛋白质或脂类结合而成，包括糖蛋白、蛋白聚糖和糖脂。

糖蛋白中以蛋白成分为主，主要生物学功能是作为细胞或分子的生物识别。按蛋白质和糖的连接方式可分为N-糖苷键型（N-连接）和O-糖苷键型（O-连接）。N-糖苷键型主要有三类寡糖链：①高甘露糖型：由GlcNAc和甘露糖组成；②复合型：除了GlcNAc和甘露糖还有果糖、半乳糖、唾液酸；③杂合型：包含①和②的特征。O-糖苷键型没有五糖核心。如：人血纤维蛋白溶酶原、人免疫球蛋白IgA。

蛋白聚糖以糖为主，由一条或多条糖胺聚糖和一个核心蛋白共价链接而成。透明质酸、肝素和硫酸软骨素等都是糖胺聚糖。蛋白聚糖除含糖胺聚糖链外，尚有一些N-或/和O-链接的寡糖链。蛋白聚糖一般由结缔组织特化细胞、纤维细胞和软骨细胞产生，是动物结缔组织的重要成分。在软骨、动脉等结缔组织的细胞外基质中，起到结构约束作用，被形象地称为“分子弹簧”。蛋白聚糖具有维持或抑制细胞生长的作用，在正常发育和病理情况下，蛋白聚糖可结合、储存和向靶细胞释放生长因子。蛋白聚糖具有调节细胞与细胞以及细胞与基质黏附的作用。

糖脂以脂质为主，大多和细胞膜联系在一起。依脂质部分的不同，糖脂可分为4类：①含鞘氨醇（sphingosine）的鞘糖脂；②含油脂的甘油糖脂；③磷酸多萜醇衍生的糖脂；④类固醇衍生的糖脂。在自然界分布最广的是鞘糖脂，鞘糖脂分子母体结构是神经酰胺。脂肪酸连接在长链鞘氨醇的C-2氨基上，构成的神经酰胺糖类是鞘糖脂的亲水极性头。含有一个或多个中性糖残基作为极性头的鞘糖脂类称为中性鞘糖脂或糖基神经酰胺，其极性头带电荷。由甘油衍生的称为甘油糖脂，存在于动物的神经组织中，具有抗氧化、抗病毒、抗菌、抗肿瘤、抗炎、抗动脉粥样硬化等多种生物活性。

（五）膜微环境

1.机械力

机械力是细胞传导信号的一种重要方式。人体产生的机械力在牛顿（N）到皮牛顿（pN）之间。如举重运动员（> 1 000kN），血液流动时动脉承受的剪切应力（10mN）。细胞所对抗的重力（10nN），细胞内肌动蛋白运输物质的力（5pN），图1-2-2-10。这些力在维持细胞形态中起着重要的作用。病理条件下细胞的硬度也会发生改变，比如侵袭性高的肿瘤，其机械强度较低，并且这些细胞会通过调节他们对细胞外基质的黏附来增强他们逃逸和转移的能力。因此，通过评价肿瘤细胞的硬度，可以评价他们的恶性程度。

2.电场

作为细胞传到信号的另外一种重要方式，大脑神经元通常以动作电位的形式传递信息。动作电位与细胞膜的去极化有关，主要是Na+、K+、Ca2+在细胞内外移动所造成。神经元的信号传播数米也不会衰减。细胞膜的厚度只有3nm左右，当神经细胞兴奋而产生动作电位时，虽然电压只有0.1V左右，相应的电场强度却可以达到3 × 107V/m，见图1-2-2-10。

三、细胞内靶点

（一）核酸

作为人体的“遗传物质基础”，核酸是现代遗传学的核心内容。其本质是由许多核苷酸聚合而成的生物大分子化合物。细胞内核酸分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两类。RNA包括：信使 RNA（mRNA）、核糖体 RNA（rRNA）、转运 RNA（tRNA）、核小 RNA（snRNA）、引导 RNA（gRNA）、小干扰 RNA（siRNA）、微小RNA（microRNA）和端粒酶RNA等。我们简单介绍其中几种。

1.DNA

作为储存、复制和传递遗传信息的主要物质基础，DNA通常与蛋白质结合构成染色体，储存于细胞核内。DNA分子典型的双螺旋结构是1953年由Watson和Crick提出：为两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴互相缠绕的结构，其中嘌呤和嘧啶碱位于双螺旋内侧，磷酸与核糖位于外侧，通过3′,5′-磷酸二酯键相连接，形成DNA分子的骨架。

DNA在结构上分为编码区和非编码区两个部分。编码区是结构基因，分为内含子与外显子，是非连续的，外显子被内含子隔开。非编码区对基因的表达主要起调控作用，这些序列中的碱基突变可能会影响到蛋白质与DNA的结合，通过影响结构基因的表达而引起疾病的产生。真核生物基因表达过程中，转录的信使RNA需要修剪掉内含子后才能去指导翻译。

许多荧光染料与DNA结合后，分子扭曲受到限制，刚性增加，荧光增强，可被用于荧光标记及共定位。如Hoechst作为一种DNA荧光染料，与DNA双链中的小沟发生结合而对细胞核进行染色，是核酸特异性染料。与DNA结合力强，Kd在1～3nM。此外，DNA通常在细胞内部，但是当细胞发生坏死时，胞质膜破裂后，细胞内容物包括DNA会大量释放到胞外，可作为心肌梗死或脑卒中等疾病的靶点之一。

2.RNA

mRNA：细胞内种类最多的RNA，携带遗传信息，在蛋白质合成时充当直接模板。它在核糖体上作为蛋白质合成的模板，决定肽链的氨基酸排列顺序。完整的mRNA包括5′非编码区、编码区、3′非编码区。编码区是mRNA主要结构部分，非编码区参与翻译的调控。真核生物mRNA 5′都有7-甲基鸟嘌呤的帽子结构，有助于与核糖体结合，启动蛋白质的翻译，同时该结构还能保护mRNA免受核酸酶的进攻。编码区中每3个相邻的碱基组成一个三联体，决定一个氨基酸。3′端含有多聚赖氨酸尾巴，具有稳定mRNA的作用。

rRNA：核糖体是蛋白质合成的动力工厂，细胞中约有50%的RNA是rRNA，这些RNA直接或间接地参与形成核糖体。细胞生长和繁殖的快慢取决于细胞内蛋白质合成的速率，而蛋白质合成的速率又取决于核糖体的生成和核糖体RNA基因的转录速率，可见，核糖体RNA基因的转录对细胞的生长有着决定性的作用。核糖体RNA基因通常以多拷贝的形式存在于染色体上形成串联重复单位序列，这些序列上还包含了一些重要的顺式调控元件，配合着一些反式调控因子在转录复合体组装、转录、起始、延伸、终止等阶段一起调控核糖体RNA基因的转录。在基因修饰水平上，染色质结构的变化，包括乙酰化/去乙酰化修饰、甲基化修饰、磷酸化修饰等对核糖体RNA基因的转录也有重要的调控作用。

tRNA：细胞中分子量最小的一类RNA，长度为74～93个核苷酸，占细胞核内总RNA的4%～10%，通常在蛋白质翻译过程中负责氨基酸的转运。在真核细胞中RNA聚合酶Ⅲ在核内通过识别tRNA基因区上特定序列进行转录形成前体tRNA，然后经过复杂的剪切、加工、碱基修饰及构型改变形成具有“三叶草”特殊二级结构的tRNA。核内成熟的tRNA进入细胞质，在同源氨基酰-tRNA合成酶的催化下，结合相对应的氨基酸，并在延伸因子eEF1的作用下进入核糖体，识别特定mRNA上的密码子，然后将携带的氨基酸转移到肽链上，完成其在蛋白质合成过程中“适配器”的重要功能。每一种氨基酸都有一种或几种与之对应的tRNA。

siRNA：通常是一段长21～23个核苷酸的双股RNA，由长的dsRNA前体被核酸酶Dicer切割而来。能够特异性结合RNA诱导沉默复合物，之后在与RNA诱导沉默复合物结合的siRNA链引导下解旋，选择性降解互补的mRNA从而实现特异的基因沉默发挥RNAi作用。近年来由siRNA所介导的RNA干扰技术发展迅速，被广泛用于肿瘤及病毒性疾病的基因治疗。

（二）酶和蛋白质

细胞内的酶常与颗粒体结合，分布于不同部位。如线粒体上分布着三羧酸循环酶系和氧化磷酸化酶系，而蛋白质合成的酶系则分布在内质网的核糖体上。细胞核内的酶还有RNA聚合酶、DNA聚合酶、解旋酶、拓扑异构酶等。与信号传导密切相关且常用于成像靶点的是蛋白激酶（protein kinases，PK），这类酶遍及核、线粒体、微粒体和胞液，可以催化ATP或GTP转移出磷酸，并共价结合到特定蛋白质分子中丝氨酸（Ser）、苏氨酸（Thr）或酪氨酸（Tyr）残基的羟基上，从而改变蛋白质、酶的构象和活性。相反的，蛋白质的脱磷酸化由蛋白磷酸酶催化完成。由于种类繁多，本节只介绍一些重要的激酶。

1.蛋白激酶

目前为止，已发现的蛋白激酶约有400多种，结构中都存在一个同源的由约270个氨基酸残基构成的催化结构区。蛋白激酶按照催化功能主要分为两类：一类是催化酸稳定的磷酸化即催化蛋白质丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸酚经基磷酸化，形成P-O键的蛋白激酶（P-O激酶）如丝氨酸蛋白激酶（Ser-PK）和酪氨酸蛋白激酶（TPK）；另一类是催化碱稳定的磷酸化，即催化蛋白质碱性氨基酸如赖氨酸（Lys）、组氨酸（His）和精氨酸（Arg）残基磷酸化，形成P-N键的蛋白激酶（P-N激酶）。

蛋白激酶A（PKA）是一类被研究最多的丝氨酸蛋白激酶，发挥作用依赖于cAMP。PKA全酶分子是由四个亚基组成的四聚体，其中两个是调节亚基（regulatory subunit，简称R亚基），另两个是催化亚基（catalytic subunit，简称C亚基）。R亚基的相对分子质量为49～55kDa，C亚基的相对分子质量为40kDa，总相对分子质量约为180kDa。其中C亚基包含能够结合并水解ATP的活性位点，也能结合R亚基的结构域。R亚基包含能够结合cAMP的结构域，结合C亚基的结构域和自我抑制区域（auto inhibitory domain）。蛋白激酶A的催化结构域见图1-2-2-11。

在不同细胞中，由于磷酸化的底物蛋白不同，PKA产生不同的生物效应。如在脂肪细胞和肝细胞中，PKA磷酸化乙酰CoA羧化酶和丙酮酸脱氢酶，抑制这些酶的活性，从而抑制脂肪合成，促进糖异生。在骨骼肌细胞中，PKA增加Ryanodine受体的磷酸化，促进Ca2+离子流出。此外，正常记忆的形成对PKA水平高度敏感。

2.蛋白激酶C

蛋白激酶C（PKC）是一组磷脂依赖性Ca2+激活的蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶。它由单一多肽链组成，相对分子质量为77～83kDa，包括两个功能区，与磷脂、二酰甘油（DGA）及TPA结合的疏水性调节区和与ATP及底物结合的亲水性催化区。据蛋白激酶C调控能力的差异，将目前已知的13个蛋白激酶C家族成员分为三类：包括经典蛋白激酶 C（PKC-α、PKC-β1、PKC-β2、PKC-γ），新型蛋白激酶 C（PKC-δ、PKC-ε、PKC-η、PKC-θ），非典型蛋白激酶 C（PKC-ζ、PKC-ι/λ）。使用 Northern 免疫印迹技术分析，结果显示许多蛋白激酶C同工酶在各种组织中广泛表达，但一般认为PKC-γ仅存在于脑中。

3.信号转导及转录激活子

信号转导及转录激活子（signal transducer and activator of transcription，STATs）是具有信号转导和转录调节功能的蛋白质家族，主要存在于细胞质。STATs家族由7种成员组成，其每个STATs成员结合的DNA位点是特异的，STATs包括几个高度保守的功能区：①SRC同源区2（SH2）结构域，H2结构域与酪氨酸磷酸化受体结合，并与受体上的磷酸化酪氨酸下游序列作用共同决定了STATs的受体结合特异性，是细胞因子刺激后STAT酪氨酸发生磷酸化所必需的。②转录活性区：转录活性区与转录激活有关。③N末端区：N末端区是STAT与其他转录因子作用部位，也是两个STATs二聚体形成四聚体的部位。④DNA结合区：DNA结合区决定STATs与DNA结合的部位。STATs通路一旦被激活可以介导很多基因的表达，同时也可以抑制转录，并能在激活后转入核内与DNA结合，广泛参与多种细胞因子和生长因子的信号转录与调控。

（三）受体

这里主要是核受体（nuclear receptors，NRs），作为转录中的支架蛋白，NRs在转录中起到枢纽作用。

结构上，可分为5个功能结构域：①高度可变的N端，具有转录激活作用，其在疾病中的高度可变性可作为药物的重要靶点。②处于中间的DNA结合域（DNA-binding domain，DBD），包含 2个高度保守特异性的锌指结构，靶向特定的DNA序列，称为激素应答元件（hormone response elements，HRE）。HRE由两个半位体组成，他们具有共同序列AGGTCA，中间由几个核苷酸相连接。结合的特异性通常由核苷酸的个数（3/4/5）以及2个半位体的取向决定，称作3-4-5规则。如维生素D被证明是具有3个重复核苷酸序列的响应元件，对于甲状腺激素，间隔是四个重复序列，对于维甲酸来说，则是五个。③铰链区，赋予整个受体以柔性。④配体结合区（ligand-binding domain，LBD）可引导受体二聚物、配体识别等功能。⑤C末端AF-2螺旋。当配体与配体结合区域相结合时，AF-2构象发生转变，激活NRs。无配体结合作用时，NRs在细胞质中与热休克蛋白或免疫亲和素伴侣形成复合物，或是在核中，与HRE作用形成复合物。核受体结构示意图见图1-2-2-12。

NRs超家族有48个成员，可根据他们的配体和功能广义的分为3类：①由内分泌受体构成，可与脂溶性高的激素和维生素相结合。这类受体包括甾体激素受体、甲状腺激素受体、维甲酸受体和维生素D受体，它们都是维持内分泌系统稳态所必需的。②第二类是“脱孤”孤儿受体，所谓孤儿受体是指尚未发现与之结合的天然配体。当发现其天然配体时，就可“脱孤”。例如，维生素A衍生物9-顺式维甲酸作为维甲酸X受体的内源性高亲和配体的鉴定，代表了第一个孤儿受体的“脱孤”。③第三类是真正的孤儿受体，其配体尚未被鉴定，如小分子异源二聚体伴侣等。

NRs对生物体的生殖、发育、免疫、糖脂代谢均起到重要的调节作用，同时也是代谢疾病及肿瘤的重要靶点，临床上约10%的药物是以NRs作为靶点的。

（四）第二信使

细胞外的信号称为第一信使，能将细胞表面受体接受的细胞外信号转换为细胞内信号的物质称为第二信使。第二信使为第一信使作用于靶细胞后，在细胞膜内侧或胞质内产生的非蛋白类小分子，属于信息分子。第二信使通过其浓度变化（增加或者减少）来应答胞外信号与细胞表面受体的结合，调节胞内酶的活性和非酶蛋白的活性，从而将获得的信息增强、分化、整合并传递给效应器，发挥特定的生理功能或药理效应。因此，第二信使在细胞信号转导途径中行使携带和放大信号的功能。

第二信使的作用方式一般有两种：①直接作用。如钙离子能直接与骨骼肌的肌钙蛋白结合引起肌肉收缩。②间接作用。是第二信使主要的作用方式，第二信使通过活化蛋白激酶，诱导一系列蛋白质磷酸化，最后引起细胞效应。第二信使包括：环磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）、环磷酸鸟苷（cyclic guanosine monophosphate，cGMP）、三磷酸肌醇（Inositol 1,4,5-triphosphate，IP3）、钙离子（calcium，Ca2+）、锌离子（Zinc，Zn2+）、二酰甘油（diacylglycerol，DG/DAG）、花生四烯酸（aarachidonic acid）、一氧化氮（NO）等。其中以cAMP最为重要。

1.环磷酸腺苷

cAMP是一种环状核苷酸，全称为“腺苷 -3′,5′-环化 -磷酸”，亦称“环磷酸腺苷”。是由三磷酸腺苷（ATP）脱掉两个磷酸缩合而成的。cAMP在体内分布很广，在全身各系统的组织中均有存在。激素与靶细胞膜受体结合激活细胞膜上的腺苷酸环化酶（adenylate cyclase，AC）系统，在镁离子存在下，ATP转变为cAMP。cAMP使无活性的蛋白激酶（protein kinases，PK）获得活性，从而激活磷酸化酶，引起靶细胞的内在反应。cAMP-PK系统可影响体内许多酶的活性和细胞内的生理生化过程。

cAMP能够促进细胞的新陈代谢、促进心肌细胞生长、改善心肌功能。也可以抑制血小板聚集、抑制癌基因表达、诱导肿瘤细胞分化并抑制肿瘤细胞恶性表型。研究表明发热与脑内cAMP浓度升高有关，通过抑制下丘脑cAMP的生成可以取得明显降热作用。

2.钙离子

钙离子是细胞内重要的第二信使。细胞质内游离钙离子浓度一般在10−8～10−7mol/L，比细胞外钙离子浓度低104～105倍。细胞内主要的钙离子通道包括：瞬时感受器电位通道（transient receptor potential receptor，TRP）、电压门控钙通道、Ryanodine受体（RyR）、三磷酸肌醇受体（inositol-1,4,5-triphosphate receptor，IP3R）、库控钙内流（storeoperated Ca2+ entry，SOCE）、线粒体钙离子单向转运体（mitochondrial calcium transporter，MCU）等，他们结构不同，功能各异，主要介导细胞外或细胞器内的钙离子流入细胞质或线粒体基质。此外，细胞还有细胞膜钙泵、钠钙交换体、内质网钙泵等转运蛋白负责将钙离子移出细胞或移入细胞器。另有钙感受蛋白感受细胞外和细胞器内的钙离子浓度，它们共同构成钙信号调控系统，见图1-2-2-13。

当第一信使作用于靶细胞后，细胞内质网、肌浆网的钙通道或质膜上的钙通道开放，使细胞内钙离子浓度快速升高，从而使细胞内某些酶的活性和蛋白质功能发生改变，产生细胞效应。钙离子也可通过激活或抑制依赖它的一系列蛋白激酶系统而对细胞内的反应过程进行调节。钙离子是细胞内最古老作用最广泛的信号物质，参与调控机体几乎所有的生物学功能，如激发生命、控制细胞的生长分化、参与心脏和肌肉收缩、神经信息传递、学习和记忆、调控细胞增殖和凋亡等等，钙离子信号的传递是细胞对许多外界环境和激素刺激做出反应的基础。

3.锌离子

锌离子是人体内最重要的微量元素之一，锌在成人体内的平均含量为1.4～2.3g，在人体所有组织及分泌物中具有较高浓度。在细胞中，锌的分布如下：细胞质（50%）、细胞核（30%～40%）和细胞膜（10%）。最新研究表明锌离子是一种新型的细胞内第二信使。锌是许多蛋白质的结构组成部分，如酶和转录因子，可与含有锌指结构模序的蛋白质紧密结合。在神经元中，细胞外刺激诱导锌释放到周围环境中，然后通过封闭的锌通道进入邻近细胞的细胞质中。在这种情况下，锌的作用与神经递质非常相似。当细胞受到外界刺激时，细胞内游离锌水平将升高，称之为锌波。锌波依赖于钙离子流、丝裂原活化蛋白激酶或细胞外信号调节激酶激活。锌波的作用是抑制磷酸酶的活性，调节丝裂原活化蛋白激酶活性，并可使白细胞介素6基因及肿瘤坏死因子α基因在肥大细胞中进行表达等，从而调节细胞受到外界刺激后的反应。

锌在生物体内的功能主要有：催化功能，参与酶的催化和协同催化。结构功能，作为许多蛋白质的组成成分，维持蛋白质的结构稳定。调节功能，调节酶活性和蛋白质稳定性。人体缺锌将导致厌食症、味觉及嗅觉功能减退、影响免疫系统及生殖系统功能等，近年来研究表明锌稳态在维持神经兴奋和癫痫中占有重要作用。

（五）细胞内微环境

1.谷胱甘肽

氧化还原电位的差异存在于组织和细胞水平。谷胱甘肽（glutathiose，GSH）是一种由谷氨酸、半胱氨酸及甘氨酸缩合而成的含有γ-酰胺键和巯基的三肽，其体内存在形式有两种，分别为氧化型（GSSG）和还原型（GSH），在生理条件下主要以还原型谷胱甘肽GSH为主，GSH几乎存在于身体的每一个细胞。GSH/GSSG是动物细胞中最丰富的氧化还原对，其中发现谷胱甘肽的细胞质水平比细胞外液高出两到三个数量级。谷胱甘肽是细胞内一种重要的调节代谢物质，它不仅能够清除体内的过氧化物及其他自由基，促进肝脏酶活性、解毒和维持红细胞膜完整性，还具有维持DNA的生物合成和细胞免疫等多种生理功能。

多种官能团被开发用于GSH的检测。二硫化物在还原剂（包括谷胱甘肽）存在下可以转化为硫醇，硫醇基团在氧化剂存在下又可以可逆地重新形成二硫键。硫醇-二硫化物转换的条件也比较温和，因此硫醇-二硫化物对是理想的氧化还原响应材料。近年研究发现，由含二硒化物的嵌段共聚物自组装的胶束聚集体对氧化剂和还原剂都表现出高度敏感性。

2.吡啶核苷酸和黄素蛋白

吡啶核苷酸，包括烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）和烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸（NADP+）以及它们的还原型（NADH、NADPH），见图1-2-2-14。NAD+/NADH在细胞内的比例约为10/1～700/1，总浓度为0.3～1.0mmol/L。吡啶核苷酸广泛存在于生物体内所有组织中，是体内最早知道的辅酶。其与脱辅基酶蛋白结合，形成脱氢酶，参与糖、脂肪、蛋白质及其他物质的代谢。吡啶核苷酸在生物过程中最重要的作用是电子传递。能量反应中的电子，一般都先被转移至NAD+，再被还原成NADH，经过传递链传递电子至氧，并释放能量。

黄素蛋白是以黄素核苷酸为辅基的结合蛋白质，有些还含有金属离子或血红素成分。黄素核苷酸有黄素单核苷酸（FMN）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）两种，它们是维生素B2的衍生物，均含核黄素（维生素B2）。FMN通过非共价键与蛋白质结合，FAD以共价键或非共价键和蛋白质结合，见图1-2-2-14。黄素蛋白分为脱氢酶和氧化酶类，参与呼吸链组成，在代谢过程中起氧化还原酶的作用，催化氧化还原反应，在电子传递链中作为电子载体传递氢和电子。

细胞呼吸作用氧化磷酸化过程中，电子在不同的酶复合体之间传递，这个过程包括NADH和FAD间的电子转移。在各种细胞辅助因子中，吡啶核苷酸和黄素蛋白被认为是评价细胞代谢情况的可靠指标。因此监测NAD（P）H和FAD的水平可用于评价缺氧和癌症的发展，此外在神经科学方面也有重要作用。

（王　聪　金子义　李　聪）