细胞信号转导是细胞与其环境及彼此之间通信的基本过程，用以协调生长、代谢、分化和凋亡。信号转导通过一系列分子事件将胞外信号转化为胞内响应。

细胞信号转导的类型

内分泌信号涉及分泌到血液中并作用于远处靶细胞的激素——例子包括胰岛素、甲状腺激素和皮质醇。旁分泌信号涉及作用于邻近细胞的信号分子，如突触处的神经递质、组织发育中的生长因子和炎性细胞因子。自分泌信号中，细胞对自身产生的信号作出响应，常见于免疫反应和产生自身生长因子的癌细胞。近分泌信号涉及通过膜结合配体和受体的直接细胞-细胞接触（如Notch-Delta信号和整合素介导的粘附）。通过间隙连接的接触依赖性信号允许小信号分子（cAMP、IP₃、离子）在相邻细胞间直接传递。

信号分子与受体

信号分子（配体）包括蛋白质（生长因子、细胞因子、激素）、肽类、氨基酸衍生物（肾上腺素、甲状腺素）、类固醇（雌激素、睾酮）、气体（NO、CO）和脂类（前列腺素）。受体类型包括G蛋白偶联受体（GPCR）、受体酪氨酸激酶（RTK）、离子通道偶联受体和胞内受体（核激素受体）。受体-配体结合具有特异性、可逆性，并以亲和力（Kd）为特征；结合引起构象变化，启动胞内信号转导。

G蛋白偶联受体（GPCR）

GPCR是七次跨膜结构域受体，与异源三聚体G蛋白（α、β、γ亚基）偶联，是最大的受体家族，有800多个成员。配体结合激活G蛋白：α亚基上的GDP交换为GTP，α亚基从β-γ二聚体解离并调节效应酶。主要效应器包括腺苷酸环化酶（产生cAMP）、磷脂酶C（产生IP₃和DAG）和离子通道。第二信使包括cAMP（激活PKA）、IP₃（从内质网释放Ca²⁺）、DAG（激活PKC）和Ca²⁺（激活钙调蛋白和CaM激酶）。信号终止通过α亚基水解GTP（GTP酶活性）、GRK介导的磷酸化和β-抑制蛋白结合引起的受体脱敏以及磷酸二酯酶降解cAMP实现。

受体酪氨酸激酶（RTK）

RTK是单次跨膜受体，具有内在酪氨酸激酶活性——例子包括胰岛素受体、EGF受体、PDGF受体和VEGF受体。配体结合诱导受体二聚化和胞质结构域酪氨酸残基的自磷酸化。磷酸化的酪氨酸作为含SH2结构域蛋白的停泊位点，包括SOS（Ras-GEF）、PI3K和PLC-γ。Ras-MAPK级联涉及SOS激活Ras（一种GTP酶），Ras招募Raf（MAPKKK），Raf磷酸化MEK（MAPKK），MEK磷酸化ERK（MAPK），最终调节转录因子如Elk-1、c-Myc和c-Fos。PI3K-Akt通路涉及PI3K生成PIP₃，PIP₃招募PDK1和Akt；Akt促进细胞存活（抑制Bad、Caspase-9）、代谢（激活mTOR）和生长。

胞内受体

核激素受体是配体激活的转录因子，包括类固醇激素受体（糖皮质激素、雌激素、孕激素、雄激素）和甲状腺激素受体。亲脂性激素穿过质膜，结合胞质或核受体，诱导构象变化，暴露DNA结合结构域。受体-激素复合物随后转位到细胞核，结合DNA上的激素响应元件（HRE），并招募共激活因子或共抑制因子以调节转录。

离子通道偶联受体

烟碱型乙酰胆碱受体是配体门控离子通道，在乙酰胆碱结合时开放，允许Na⁺内流和神经肌肉接头处的膜去极化。GABA-A受体是配体门控Cl⁻通道，是主要的抑制性神经递质受体，作为苯二氮卓类和巴比妥类药物的靶点。离子通道介导快速突触传递（毫秒级），与GPCR和RTK信号转导（秒到分钟级）形成对比。

信号放大与整合

信号放大在多个层面发生：单个配体-受体复合物可激活多个G蛋白，每个腺苷酸环化酶产生多个cAMP分子，每个PKA磷酸化多个靶蛋白。信号整合反映细胞同时接收多种信号，整合的响应取决于激活和抑制通路的平衡（如胰岛素与胰高血糖素、生长因子与肿瘤抑制因子）。不同信号通路之间的交叉对话很常见——例如，PKA可磷酸化并抑制Raf，连接GPCR和RTK信号转导。支架蛋白将信号组分组织成复合物，提高效率和特异性（如KSR支架Raf-MEK-ERK）。

疾病中的失调

RTK的组成性激活——如肺癌中突变的EGFR和乳腺癌中HER2扩增——驱动不受控制的增殖。GPCR突变可导致甲亢中TSH受体的组成性激活或视网膜色素变性中视紫红质的功能丧失。Ras突变（G12V、G13D）将Ras锁定在GTP结合的活性状态，见于30%的人类癌症（胰腺癌、结直肠癌、肺癌）。PI3K-Akt通路过度激活在癌症中常见，通过PTEN缺失、PIK3CA突变或Akt扩增实现。