细胞信号转导、糖蛋白与核酸化学

本节导读

这一节对应大纲分子生物学的三条：「三、细胞信号转导」「四、糖蛋白和蛋白聚糖」「五、核酸化学」。信号转导讲细胞怎样把外来信号一级一级传到细胞内部；糖蛋白一条讲糖链怎样连在蛋白质上、起什么作用；核酸化学是下一节复制、转录、翻译的基础。

信号转导的选择题多问「哪一步、哪种分子、被什么打断」，核酸化学多问结构要点和理化性质，还有按碱基互补规律推算的小计算。学完这一节，你应该能按顺序写出 cAMP 途径和 RTK-Ras-MAPK 途径，说清 DNA 双螺旋的要点，并会用 Tm 值、紫外吸收判断核酸的性质。

信号分子与受体

细胞间信号分子有激素、神经递质、细胞因子和生长因子等，按溶解性分两类：水溶性信号分子不能穿过细胞膜，作用于膜受体；脂溶性信号分子（类固醇激素、甲状腺激素等）进入细胞，作用于胞内受体。细胞内传递信号的小分子叫第二信使，主要有 cAMP、cGMP、Ca2+、三磷酸肌醇（IP3）和二酰甘油（DAG）等。

受体类型	结构特点	举例
离子通道型受体	受体本身就是离子通道	烟碱型乙酰胆碱受体
G 蛋白偶联受体	七次跨膜，胞内部分与 G 蛋白偶联	肾上腺素 β 受体
酶偶联受体	一般单次跨膜，本身有酶活性或与酶结合	表皮生长因子受体、胰岛素受体
胞内受体	位于胞质或核内，多为转录因子	糖皮质激素受体

细胞内信号转导途径有几个共同特征：信号逐级放大；各条途径既有通用性又有特异性；途径之间相互交联，形成网络；信号能及时终止，转导过程是可逆的。

一氧化氮（NO）是一种气体信号分子，由一氧化氮合酶催化 L-精氨酸生成。它不需要膜受体，可以自由扩散进入邻近细胞，激活胞内可溶性鸟苷酸环化酶，使 cGMP 增多，再激活蛋白激酶 G，使血管平滑肌舒张。血管内皮细胞产生的「内皮源性舒张因子」就是 NO。

G 蛋白偶联受体介导的途径

G 蛋白是由 α、β、γ 三个亚基组成的异三聚体：α 亚基结合 GDP 时无活性；受体被激活后，α 亚基释放 GDP、结合 GTP 并与 βγ 分离，成为活化形式；α 亚基自身有 GTP 酶活性，把 GTP 水解为 GDP 后又回到失活状态，信号随之终止。

cAMP 途径

激素与受体结合 → 激活兴奋性 G 蛋白（Gs）→ 激活腺苷酸环化酶 → ATP 生成 cAMP → cAMP 激活蛋白激酶 A（PKA）→ PKA 使底物蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化 → 产生效应（如糖原分解）。cAMP 由磷酸二酯酶水解而失活；抑制性 G 蛋白（Gi）抑制腺苷酸环化酶。

Ca2+ 途径

激素与受体结合 → 激活 Gq → 激活磷脂酶 C → 水解膜上的磷脂酰肌醇二磷酸，生成 IP3 和 DAG。IP3 使内质网释放 Ca2+，Ca2+ 与钙调蛋白结合，激活钙调蛋白依赖性蛋白激酶；DAG 在 Ca2+ 协同下激活蛋白激酶 C。

酶偶联受体介导的途径

RTK-Ras-MAPK 途径

受体酪氨酸激酶（RTK）与配体（如表皮生长因子）结合后二聚化，胞内段的酪氨酸残基相互磷酸化（自身磷酸化）。磷酸化的酪氨酸被含 SH2 结构域的接头蛋白识别，接头蛋白的 SH3 结构域再结合富含脯氨酸的鸟苷酸交换因子，使小 G 蛋白 Ras 释放 GDP、结合 GTP 而活化。活化的 Ras 启动 MAPK 三级激酶级联（MAPKKK → MAPKK → MAPK），MAPK 进入细胞核，使转录因子磷酸化，调控与细胞增殖、分化有关的基因表达。

名词	要点
SH2 结构域	识别并结合磷酸化的酪氨酸残基
SH3 结构域	结合富含脯氨酸的序列
Ras 蛋白	单体小 G 蛋白，结合 GTP 时有活性，自身有较弱的 GTP 酶活性
MAPK	丝裂原激活的蛋白激酶，处在三级激酶级联的最后一级

其他酶偶联受体

受体	要点
受体鸟苷酸环化酶	胞内段有鸟苷酸环化酶活性，生成 cGMP，如心房钠尿肽受体
受体酪氨酸磷酸酶	胞内段有酪氨酸磷酸酶活性，使底物去磷酸化
受体丝氨酸/苏氨酸激酶	胞内段使底物的丝氨酸、苏氨酸磷酸化，如转化生长因子 β 受体
结合酪氨酸激酶的受体	受体本身没有激酶活性，与胞内的酪氨酸激酶（如 JAK）结合传递信号，多数细胞因子受体属此类

糖蛋白和蛋白聚糖

糖蛋白

糖蛋白以蛋白质为主，糖链较短。糖链结构多样：单糖种类、连接位置、糖苷键的构型、分支各不相同，所以能携带大量信息。

糖链与蛋白质的连接有两种：N-连接糖链与多肽链中天冬酰胺侧链的酰胺氮相连，这个天冬酰胺处在「天冬酰胺-任一氨基酸（脯氨酸除外）-丝氨酸或苏氨酸」序列中；O-连接糖链与丝氨酸或苏氨酸侧链的羟基氧相连。N-连接糖链按结构分为高甘露糖型、复杂型和杂合型，三型有共同的五糖核心。

糖链的生物功能：影响新生肽链的折叠、稳定和在细胞内的转运；参与分子识别和细胞识别，例如 ABO 血型抗原的差别就在红细胞膜糖链末端的糖基；参与细胞黏附、受体与配体的结合和免疫反应。

蛋白聚糖

蛋白聚糖以糖为主，由糖胺聚糖与核心蛋白共价连接而成，主要存在于细胞外基质、细胞表面和结缔组织中。糖胺聚糖是由二糖单位重复连接成的长链，二糖单位中有一个是氨基己糖，包括透明质酸、硫酸软骨素、硫酸角质素、肝素等；透明质酸不含硫酸，也不与核心蛋白共价结合。蛋白聚糖能结合大量水，构成有弹性、能抗压的胶状基质，肝素还有抗凝作用。

核酸的组成与结构

化学组成

组分	DNA	RNA
戊糖	2-脱氧核糖	核糖
嘌呤碱	腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）	腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）
嘧啶碱	胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）	胞嘧啶（C）、尿嘧啶（U）
磷酸	有	有

碱基与戊糖以糖苷键相连成核苷（或脱氧核苷），核苷的 5' 位羟基与磷酸成酯，形成核苷酸。核苷酸之间以 3',5'-磷酸二酯键相连成核酸链。核酸链有方向性，一端是 5' 端、一端是 3' 端，序列按 5' → 3' 书写；戊糖-磷酸骨架带大量负电荷，有强极性。

DNA 的结构

DNA 的一级结构是脱氧核苷酸的排列顺序。DNA 碱基组成有 Chargaff 规则：腺嘌呤与胸腺嘧啶摩尔数相等，鸟嘌呤与胞嘧啶摩尔数相等，嘌呤总数等于嘧啶总数；不同物种的碱基组成不同，同一个体不同组织的碱基组成相同。

Watson 和 Crick 依据 Chargaff 规则和 DNA 的 X 射线衍射图，提出双螺旋结构模型。要点：两条多核苷酸链反向平行、围绕同一中心轴形成右手螺旋；亲水的戊糖-磷酸骨架在外侧，疏水的碱基在内侧；两条链的碱基互补配对，A 与 T 形成两个氢键，G 与 C 形成三个氢键；每一螺旋约含 10.5 个碱基对，表面有大沟和小沟。双螺旋横向靠互补碱基间的氢键维持，纵向主要靠碱基堆积力维持。

DNA 在双螺旋基础上进一步盘绕形成超螺旋，自然界的闭环 DNA 多为负超螺旋。真核细胞中，约 146 个碱基对的 DNA 缠绕在由 H2A、H2B、H3、H4 各两分子组成的组蛋白八聚体上，形成核小体；核小体串联、进一步折叠形成染色质纤维，细胞分裂期高度凝缩为染色体。

RNA 的结构与功能

RNA 一般是单链，可以局部回折形成双螺旋区，碱基组成不遵守 A 等于 U、G 等于 C 的规律。

RNA	结构特点	功能
mRNA	真核 mRNA 5' 端有帽子结构，3' 端有多聚腺苷酸尾	蛋白质合成的模板
tRNA	含稀有碱基较多；二级结构呈三叶草形，有反密码子环；三级结构呈倒 L 形	携带并转运氨基酸
rRNA	细胞内含量最多的 RNA，与蛋白质组成核糖体	蛋白质合成的场所
小分子 RNA	核小 RNA、核仁小 RNA、微 RNA 等	参与 RNA 剪接和加工、调控基因表达

核酸的理化性质与应用

• 水解：RNA 在稀碱中容易水解，DNA 较稳定；核酸酶可水解核酸。
• 酸碱性：核酸是多元酸，带负电。
• 紫外吸收：碱基有共轭双键，核酸在 260 nm 处有吸收峰，可用于定量；用 260 nm 与 280 nm 吸光度的比值判断纯度，纯 DNA 约为 1.8，纯 RNA 约为 2.0。
• 变性：在加热、酸碱等作用下，双链 DNA 的氢键断裂，解开成单链，紫外吸收增强（增色效应）。热变性时，紫外吸收值达到最大增值一半时的温度叫解链温度（Tm）；GC 含量越高，Tm 越高。
• 复性与分子杂交：变性 DNA 在适当条件下两条互补链重新配对，叫复性，热变性后缓慢冷却的复性叫退火。不同来源的单链核酸，只要有一定程度的碱基互补，就能在复性时形成杂化双链，叫分子杂交，是 Southern 印迹、Northern 印迹和核酸探针技术的基础。

易错提醒

• ❌ DNA 和 RNA 所含的嘧啶碱基完全相同。
  ✅ DNA 含胸腺嘧啶，RNA 以尿嘧啶代替胸腺嘧啶。

• ❌ 核酸的最大紫外吸收峰在 280 nm。
  ✅ 核酸在 260 nm，蛋白质才在 280 nm。

• ❌ 细胞内含量最多的 RNA 是 mRNA。
  ✅ 含量最多的是 rRNA，mRNA 种类多但含量少。

• ❌ 分子杂交只能在 DNA 与 DNA 之间进行。
  ✅ DNA 与 DNA、DNA 与 RNA、RNA 与 RNA 只要碱基互补都能杂交。

• ❌ 透明质酸和其他糖胺聚糖一样含硫酸。
  ✅ 透明质酸不含硫酸，也不与核心蛋白共价结合。

例题精讲

例题 1

肾上腺素作用于肝细胞的 β 受体，促进肝糖原分解。在这一信号转导过程中，直接激活蛋白激酶 A 的分子是：

• A. G 蛋白的 α 亚基
• B. 腺苷酸环化酶
• C. cAMP
• D. 三磷酸肌醇

答案：C

解析：β 受体是 G 蛋白偶联受体，经 Gs 激活腺苷酸环化酶，生成第二信使 cAMP；cAMP 与蛋白激酶 A 的调节亚基结合，释放出有活性的催化亚基。G 蛋白和腺苷酸环化酶都在 cAMP 上游，三磷酸肌醇属于 Ca2+ 途径。

例题 2

各种 tRNA 3' 端共有的、用于连接氨基酸的序列是：

• A. 帽子结构
• B. 多聚腺苷酸尾
• C. CCA
• D. 反密码子

答案：C

解析：tRNA 3' 端都是 CCA 序列，氨基酸连在末端腺苷酸上。帽子结构和多聚腺苷酸尾是真核 mRNA 的结构，反密码子在 tRNA 的反密码子环上，用来识别 mRNA 上的密码子。

本节小结

• 水溶性信号分子作用于膜受体，脂溶性信号分子作用于胞内受体；NO 激活可溶性鸟苷酸环化酶，使 cGMP 增多。
• G 蛋白的 α 亚基结合 GTP 时活化、自身水解 GTP 后失活；cAMP 激活 PKA，IP3 动员 Ca2+，DAG 激活 PKC。
• RTK 自身磷酸化后，经含 SH2 的接头蛋白、Ras、MAPK 级联把增殖信号传入核内。
• N-连接糖链连在天冬酰胺上，O-连接糖链连在丝氨酸或苏氨酸上；蛋白聚糖由糖胺聚糖和核心蛋白组成。
• DNA 双螺旋反向平行、碱基互补，横向靠氢键、纵向靠碱基堆积力；rRNA 含量最多，tRNA 3' 端是 CCA。
• 核酸在 260 nm 有吸收峰；GC 含量越高，Tm 越高；分子杂交依据的是碱基互补。