受外界诸多因素（温度、湿度、光照、γ射线、臭氧和污染等）的影响，有机体通过内分泌和神经系统产生被称之为配体的第一信号：神经递质和激素。配体与能识别信号分子的细胞膜或胞内受体结合形成复合体，产生胞内第二信使。经过逐级传递，最终通过效应细胞实现DNA信息克隆、细胞分裂与增殖、物质分解与合成、应激与抗应激等生理生化反应，维持正常生命活动，图1。

图1  生物信息与通路

一、信号产生、传导与通路

（一）外部因素：

环境温度和湿度、γ射线、臭氧、污染、药物、毒素和病原微生物等生物、化学和物理因素，导致细胞膜、细胞核和细胞质损伤，触发有机体应激反应，并通过信号产生和传导，引发系列级联反应的信号传递，实现生物应激反应。

（二）胞外信息：第一信使

受外界因素的影响，主导生命活动的细胞膜、细胞核和细胞质受到伤害，有机体为了适应不断变化的环境，有针对性地产生应激信号，启动DNA修复、炎症应答、细胞凋亡等生化反应，产生第一信使或配体：神经传导递质（γ氨基丁酸、5-羟色胺、乙酰胆碱等）和内分泌，如蛋白类激素（胰岛素、胰高血糖素、促肾上腺皮质激素）、氨基酸类激素（肾上腺素、去甲肾上腺素、甲状腺素）、固醇类激素（雌二醇）和脂肪酸类激素（前列腺素）。

（三）受体、胞内信息：第二信号

1、受体概念：具有特异性的蛋白酶，存在于细胞膜、细胞核和细胞质的单位膜，称之为受体。第一信使的配体与受体结合形成复合体。

2、受体的位点：水溶性的第一信号，如巯水性的神经递质和水溶性的激素无法穿透细胞膜磷脂双分子层，需要与细胞膜受体结合形成复合体。脂溶性激素，如固醇类直接跨膜进入细胞内，与细胞核和细胞质单位膜受体结合形成单位膜复合体。

3、受体类别：细胞膜、细胞核和细胞质质膜的受体结构和生物功能基本类同，当前普遍公认的受体类型如下：

1）G蛋白偶联受体（GTP）：GTP存在于胞膜上，在胞膜受体与胞内效应酶之间发挥中介作用，参与胞膜的信息传导。

2）蛋白激酶A（Protein kinase A， PKA）：经腺苷酸环化酶（AC）作用，把细胞内ATP转化为cAMP。

3） 蛋白激酶G（Protein kinase G， PKG）：通过PKG鸟苷酸环化酶，催化GTP转化为cGMP。

4）蛋白激酶C（Protein kinase C，PKC），即二酰甘油-蛋白激酶C：当受体与配体结合后，经G蛋白介导，激活磷脂酶C，后者再把胞膜上的磷脂酰肌醇二磷酸（PIP₂）水解成IP₃。

5）IP₃ - Ca²⁺/钙依赖性蛋白激酶：IP₃在细胞膜上水解生成DG、后者进入细胞液内，与内质网Ca²⁺门控通道结合，促使内质网Ca²⁺释放，提高胞内Ca²⁺浓度。Ca²⁺既可与DG共同激活PKC，又能使Ca²⁺/Ca²⁺依赖性蛋白激酶（CAM）激活，活化的CAM作用于腺苷酸活化酶、Ca²⁺/Mg²⁺-ATP酶、磷酸化酶、肌球蛋白轻链激酶等，图2。

图2  配体、受体、复合体与信号传导

至此，复合体蛋白构象变化把胞外化学信号转换为胞内生物化学信使，即第二信使：环腺苷酸（cAMP）、环鸟苷酸（cGMP）、肌醇三磷酸（IP₃）、二酰甘油（DG/DAG）和Ca²⁺。

二、激酶与效应酶

第二信使通过调控各自相关的激酶和效应酶活性，引起细胞内生化反应和生理效应，实现正常生命活动和生产。

（一）cAMP通过磷酸化激活多种酶，是糖代谢中一个关键调节酶，催化磷酸化反应，把无活性的磷酸化酶b转化成有活性的磷酸化酶a，涉及物质特别是糖原分解反应。因此，cAMP涵盖糖、脂肪和蛋白质代谢调控、平滑肌收缩与舒张、基因表达等，图3。

图3  cAMP与糖原降解

（二）cGMP激活细胞溶胶中的蛋白激酶，磷酸化靶蛋白氨基酸，如丝氨酸、络氨酸和苏氨酸等活化反应，改变蛋白质活性，与蛋白质合成与分解有关，见图4。

图4  cGMP与蛋白质代谢

肠上皮组织上的同类受体上的cGMP是由多肽鸟苷素激活的。鸟苷素调节小肠CL^—分泌，是大肠杆菌和其他革兰氏阴性细菌产生内毒素的靶细胞，内毒素引起cGMP升高，增加了CL^—分泌，并由此减少了肠上皮重吸收水的能力而引起腹泻

（三）IP_3、DG和Ca²⁺：IP₃水解成DG进入胞液，与内质网上Ca²⁺门控通道结合，促使内质网Ca²⁺释放，提高胞内Ca²⁺水平。Ca²⁺与DG共同激活PKC，并促使Ca²⁺/Ca²⁺依赖性蛋白激酶（CAM）活化，后者再激活腺苷酸环化酶、Ca²⁺/Mg²⁺-ATP酶、磷酸化酶和肌球蛋白轻链激酶等，图5。

图5  IP₃、DG、Ca²⁺与信号传递

三、微量元素与信号传导

微量元素是核酸、蛋白质、酶和其他活性物质的辅酶或结构物质，稳定蛋白质构型、决定酶促反应的方向与性质，参与生物信号产生、传导，效应酶活化等相关的生物化学反应，维护有机体健康。

（一）锌维护细胞膜核苷酸、胰岛素、生长因子、甲状腺受体的构型，调控突触前膜神经递质释放，维持乙酰胆碱、5-羟色胺、γ-氨基丁酸内稳态。锌亦参与磷酸脂酶C活性调控，影响 IP₃、DG 生成，且与细胞膜钙泵调控、内质网钙释放和胞内Ca²⁺平衡密切相关。缺锌将降低配体与受体结合力，影响信号识别与传递能力。作为NADPH酶活化剂，锌参与调节氧化还原反应和超氧化物产出平衡，既发挥杀灭病菌，又防止超氧化物对生物信息配体和受体的伤害，维护信息产生和信息传导作用。

（二）铁参与内质网钙通道蛋白折叠，维持 IP₃-Ca²⁺通路完整性。铁元素介导生长因子、促炎因子等合成与释放，影响细胞分化与增殖，参与免疫受体、细胞因子、趋化因子受体合成，与铜元素一起调控免疫信号识别。

（三）碘是甲状腺结构元素，通过甲状腺激素受体启动基因转录，调节物质和能量代谢，缺碘不能形成有效配体与受体复合体，致甲状腺素生产受阻或形成无活性的甲状腺素，影响能量代谢和信号传递。碘与钴特异性地调控信号通路内稳态。

（四）铬特异性地与胰岛素受体β键结合，提高受体对胰岛素的亲和力，增强配体识别能力。

（五）锰是线粒体超氧化物歧化酶的辅基，通过抗氧化应激反应，保护受体蛋白，避免超氧化物和过氧化物等对受体蛋白损伤。

（六）硒是谷胱甘肽过氧化物酶辅酶，还原半胱氨酸巯基清除过氧化氢，避免环境污染、有害微生物侵袭等对信号通路的伤害。

（七）铜参与内分泌或其他活性物质，如多巴胺、去甲肾上腺素等分泌。缺铜影响神经递质传递、效应细胞功能受损。

四、结语

细胞信号传导是一系列层级清晰、精密联动的分子通讯系统。外源因素启动第一信使产生，并与胞膜受体结合形成受体-配体复合体，完成信号识别与转换。第二信使承接胞内信号中转，与G蛋白及各类蛋白激酶、效应酶构成细胞膜信号级联通路，最终输出各类生物应答。微量元素Fe、Cu、Zn、Mn、I、Se是信号产生、受体构型维护、信号传导的结构、衔接和介导物质。