牛津通识读本：分子 [16]
尽管激素传递的信息多种多样，信号从细胞表面的受体蛋白传递到细胞内部的机制却几乎在所有情形下都是一样的。这个过程涉及一连串的分子相互作用，分子如接力般一个转化另一个。在细胞生物学中这称作信号转导。在信息进行接力传递的同时，相互作用还把信号放大了，于是单个激素分子与受体的对接就能在细胞里产生一个大动静。
这个过程是这样的：受体蛋白横跨整个细胞膜的厚度，激素结合位点在外表面伸出，而底部则从内表面露出（如图34）。当受体结合了目标激素时，一个形变就会传递到蛋白质下表面，使它成为一种酶。
图34 G蛋白的工作方式
这个酶所催化的过程是一种附着在膜内表面上的名叫G蛋白的分子“活化”。G蛋白的全称是鸟苷酸结合蛋白，即它能够抓住一个鸟苷二磷酸（GDP）分子。受体结合了激素后，就可以与一个抓住了GDP的G蛋白反应，G蛋白首先用鸟苷三磷酸（GTP，类似于富含能量的ATP）来替换GDP，接着整个分子一分为二。结合有GTP的那一半成为了一种酶，它会离开并激活另一种位于细胞膜内表面上的酶。这种酶通常是腺苷酸环化酶，它能将ATP转化为环状AMP（cAMP）。
这个过程之前的所有参与者都卡在细胞膜上。但cAMP则能够自由地游动于细胞质中，能将信号传递到细胞内部。因为它从“第一信使”（激素）得到信号，并作为代理人传送到细胞社区中，所以它就称为“第二信使”。cAMP能够附着在称为蛋白激酶的蛋白质分子上，使得这种分子又变为活化的酶。大部分蛋白激酶能通过附加磷酸基团（一种称作磷酸化的反应）开启或关闭别的酶。蛋白激酶的行为启动了一连串的反应，每个蛋白激酶都可以作用于好几个酶分子，而下一个酶也可以作用于多个分子。这样一来，单个激素与受体对接就可以影响到细胞内部的很多分子，使信号得到放大。
这个过程可能听起来非常繁复，但它无非就是分子的接力。信号从激素传递到受体，再到G蛋白，经过一个酶后到达第二信使，继而到达蛋白激酶，依次继续下去。
信号转导的G蛋白机制是在1970年代由阿尔弗雷德·吉尔曼和马丁·罗德贝尔发现的，他们因此获得了1994年的诺贝尔医学奖。这种机制代表了信息通过细胞膜的最广泛的一种方式。有的激素可能对细胞进程起到的是减缓而非刺激作用，这种情况下活化G蛋白就可能针对目标酶表现抑制效应，而不是去激活它们。还有的时候，第二信使可能是非cAMP的其他小分子：比如，特定的活化G蛋白能够触发一种结合钙的蛋白质——钙调蛋白去释放钙离子。
利用G蛋白机制的也并非只有激素信号。我们的视觉和嗅觉同样涉及信号的转导，也会使用相同的转化过程。鼻腔的顶部排列着嗅觉传感器，称为嗅毛。嗅毛连接在神经细胞的末端，细胞能将信号传送到嗅球，即大脑的“嗅觉中心”。嗅毛的细胞膜上就分布着受体蛋白，它们专门结合进入鼻腔的特定的带气味分子。
嗅觉传感器有几百种不同种类，每种都带有一个结合位点，其形状恰好能接收某一种特定的常见气味。然而，我们能辨别的气味的范围要远远大于此，这是因为每种气味一般都是不同气味分子混合的结果。嗅球从不同的传感器获得混合的刺激，形成一种气味的“图像”，就像我们通过面部不同部分的总和来辨识一个人一样。
在气味信号产生时，G蛋白生成的cAMP会与一种称作钠通道的膜蛋白结合，打开通道使钠离子流进细胞。这就激发了一个神经冲动，会传导至嗅球。光刺激视神经细胞产生视觉信号也有着相同的过程。
我们的味觉大部分都可以归结于嗅觉系统。舌头上的味蕾只能辨别较低级的特征味道：甜、苦、咸和酸。而成熟的奶酪和新鲜出炉的面包带来的愉悦则大部分来自它们所释放的气味 分子。
大脑的信号
虽然激素能够开启复杂的生物化学反应网，但它们所携带的信息却是相当粗糙的，只与生物成长和生存中最迫切的需求相关。而创造了西斯廷教堂、《魔笛》、相对论的分子间通信就是另一回事了。可归根结底，人脑也只是由分子组成的而已。
不过时至今日，大脑还是一个谜团，是科学中一大未解之谜。有的科学家认为大脑永远无法完全理解其自身，因为这个问题所具有的自我指涉的本性总会造成盲点。而有的科学家则相信，对意识的科学解释已经在地平线上显露出来了。不管怎样看待，大脑的秘密可能都远远超越了单纯分子的领地，而根植于与复杂的、紧密关联的信息网络的表现相关的问题之中。在这里我们看到了还原论的局限：尽管思想的分子过程我们已经描绘清楚了，但总体性的影响我们却一无所知。
大脑中包含很多脑细胞，或者称神经元，总数在10亿至1000亿之间。这并不值得夸耀一番，别的器官的细胞数量也与此不相上下。但大脑与众不同之处在于这些细胞间通信网络的复杂性。每个神经元都有大约1000个对外的连接，于是整个大脑中就有多达100万亿的细胞间连接，差不多相当于1000个银河系里星星的数量。在这样的输送网络中，你瞬间就会迷失。计算机中集成电路的连接数量远不及此，因此也就难怪对于某些小孩子一下就能完成的任务，计算机即使算得再快也会悲惨地失败。
神经元会发送神经信号——其本质是电脉冲，信号沿着称作轴突的管状通道传送，传向另一个神经元。轴突的末尾是一系列枝杈，它们的尖端连接着其他神经元的细胞膜。这些连接处称为突触，在这里神经信号从一个神经元传递到另一个。神经元还会伸出许多较短的、繁茂的分支，称为树突，负责从其他神经元的轴突处收集信息。如果你喜欢，可以把轴突比作大脑的高速路，从一个神经元城市延伸到另一个。在突触的地方，高速路就进入了岔路，连接到树突，进入另一个城市的路网。
尽管轴突信号是电信号，但它们与电路中金属导线上的信号有所不同。轴突基本上是管状的细胞膜，沿纵向分布着允许钠离子和钾离子出入的通道。有的离子通道永远都是打开的；有的则有“大门”，根据电信号做出开关反应。还有的其实并不是通道，而实际上是个泵，积极地将钠离子排到外面，将钾离子拉到内部。这些钠-钾泵能够将离子向能量升高方向移动，即将离子从低浓度区域移向高浓度区域，它们能这样做的原因是从ATP得到了能量。
在“静息”状态，轴突内部和外部的钠离子和钾离子是不平衡的，造成膜两侧电荷的差异，亦即电位的差异：内侧液体比外侧多带一些负电荷（即“静息电位”）。当信号沿着轴突传递时，部分有大门的钠通道打开了，改变了离子的分布，使不平衡状态发生反转——内侧比外侧多带正电荷。此处的电位反转又进而打开了前方的钠通道，于是就沿着轴突移动下去。同时，后方的通道关闭，恢复了静息电位。电压脉冲或“动作电位”就这样沿着轴突传递下去（如图35）。
图35 电脉冲以打开和关闭离子通道的方式沿着轴突传送下去
在突触处，神经冲动会从一个轴突传到另一个神经元。信号一般先从电形式转化为化学形式。一种称为神经递质的小分子信使会将信号传过轴突末端膜与另一神经元膜之间的这段空间（称作突触间隙）。神经递质原本包裹在轴突细胞内小泡状的膜结构里，小泡与轴突细胞膜融合，这些分子信息释放到了突触间隙。神经递质移动到另一神经元细胞膜的外表面，与受体蛋白相结合。
有很多种不同的分子都可以作为神经递质。有的是简单的氨基酸，如甘氨酸和谷氨酸，或者是它们的衍生分子，如血清素和多巴胺。乙酰胆碱是在神经和肌肉连接处将信息从中枢神经系统传递到肌肉细胞的一种分子（参见第103页）。当乙酰胆碱与肌肉细胞上的受体结合时，受体就会转化为一个打开的钠通道。钠离子涌入细胞，改变细胞膜两侧的电压，打开电压控制的钙通道，这样就触发了细胞内部钙离子浓度的升高，刺激肌肉收缩。
乙酰胆碱体现了神经递质的普遍功能：打开或关闭离子通道，从而改变受体所在的膜两侧的电压。这就将化学信息重新转变为电信息。乙酰胆碱能直接完成这项任务，因为它的受体本身就是离子通道。其他的神经传递途径的作用方式与此不同：它们能使用第二信使将神经递质的信息转变为离子通道，和之前一样也用到G蛋白作为媒介。
G蛋白信号转导机制出现在如此多不同的场合，这不令人感到惊奇吗？其实不算。随着复杂的多细胞生物的进化，细胞也拥有越来越多专门的功能，而细胞的共同祖先则拥有较为普遍的功能。尽管必要的时候生物会适应环境，但对于特定的任务，久经考验的机制还是会保留下来。这也就是为什么我们会与酵母、细菌共享相同的一些基因。G蛋白通路就是一种将膜外化学信息传递到膜内的有效方式，还能在过程中放大信号。细胞的格言是：能用则用。
快感与痛感
神经信号转导是药物的一种常见作用目标——可能起到有益的作用，也可能有害，也可能令人愉悦，或者依赖于剂量而发挥所有这三种效果。神经系统是人体最脆弱的部分之一：如果神经冲动被阻断，我们就不能动了。很多动物能够产生毒素，攻击捕食者轴突上的钠-钾泵或者电压控制的离子通道，从而阻碍动作电位的传导，使捕食者麻痹。
与乙酰胆碱相像的药物分子会在神经肌肉连接处，和真正的乙酰胆碱竞争结合受体蛋白，从而影响肌肉动作。香烟中的活性成分尼古丁就是这样一种分子：它能够在肌肉上与特定的一类乙酰胆碱受体相结合，从而产生相关的刺激感受，使心率提高，瞳孔放大。但人们还没有完全理解，为什么这样的感受会令人愉悦。箭毒是一种致命的毒剂，存在于南美洲一种植物的树皮中，土著人曾经将它提取出来涂在箭头上。箭毒和尼古丁一样，会结合同一类乙酰胆碱受体，但并不激活它们，于是就阻止了肌肉的动作。中了箭毒的动物无法使肺脏扩张，会死于窒息。中世纪的一种毒药——毒芹也发挥相同的作用。
有的神经递质会刺激神经元，但也有的神经递质会起到使神经元平静下来的作用，即压制动作电位的火力。这些物质称为抑制剂，其中包括甘氨酸和γ-氨基丁酸（GABA）。我们的意识是刺激和抑制之间复杂的交互作用，神经元会权衡它从各个邻居那里收到的不同信号，