G蛋白偶联信号转导的特点

G蛋白偶联受体及信号转导细胞质膜上最多，也是最重要的信号转导系统是由G-蛋白介导的信号转导。这种信号转导系统有两个重要的特点:①系统由三个部分组成:7次跨膜的受体、G蛋白和效应物(酶); ②产生第二信使。

1 G蛋白的结构与功能

G蛋白，即GTP结合蛋白(GTP binding protein)，参与细胞的多种生命活动,如细胞通讯、核糖体与内质网的结合、小泡运输、微管组装、蛋白质合成等。

■ 异源三体G蛋白(heterotrimeric G protein)的结构组成

G蛋白偶联系统中的G蛋白是由三个不同亚基组成的异源三体,三个亚基分别是α、β、γ, 总相对分子质量在100kDa左右。G蛋白有多种调节功能, 包括Gs和Gi对腺苷酸环化酶的激活和抑制、对cGMP磷酸二酯酶的活性调节、对磷酯酶C的调节、对细胞内Ca2+浓度的调节等， 此外还参与门控离子通道的调节。

● 蛋白激酶A的细胞核功能:调节基因表达

被cAMP激活的PKA,大多数在胞质溶胶中激活一些细胞质靶蛋白,也有少数被激活的PKA可以转移到细胞核中磷酸化某些重要的核蛋白,其中多数是被称为CREB(cAMP response element binding,cAMP效应元件结合因子)的转录因子

● G蛋白循环(G protein cycle)

在G蛋白偶联信号转导系统中， G蛋白能够以两种不同的状态结合在细胞质膜上。一种是静息状态，即三体状态; 另一种是活性状态， G蛋白由非活性状态转变成活性状态，尔后又恢复到非活性状态的过程称为G蛋白循环G蛋白的这种活性转变与三种蛋白相关联:● GTPase激活蛋白GAPs ● 鸟苷交换因子，GEFs ● 鸟苷解离抑制蛋白GDIs

G蛋白与GDP结合时是非活性状态，如果无活性的G蛋白与GDI结合，则处于被抑制状态(无活性)，如果G蛋白与GEF相互作用，将GDP换成了GTP，G蛋白则被激活，可启动下游反应。处于活性状态的G蛋白与GTPase激活蛋白(GAP)相互作用，会激活GTPase，使GTP水解成GDP， 此时的G蛋白又恢复到无活性状态。

■ G蛋白的信号转导作用

在G蛋白偶联受体的信号转导中G蛋白起重要作用， 它能够将受体接受的信号传递给效应物， 产生第二信使，进行信号转导， 某些G蛋白可直接控制离子通道的通透性

2.PKA系统(protein kinase A system， PKA)的信号转导机理

■ 系统组成

G蛋白偶联系统由三部分组成:表面受体、G蛋白和效应物,由于这三种复合物都是结合在膜上,故此将它们称为膜结合机器。

● 受体 G蛋白偶联受体都是7次跨膜的膜整合蛋白，包括肾上腺素(β型)受体、胰高血糖素受体、促甲状腺素受体、后叶加压素受体、促黄体生长素受体、促卵泡激素受体等。

● G蛋白

● 效应物(effector) 所谓效应物是指直接产生效应的物质,通常是酶,如腺苷酸环化酶、磷酸脂酶等,它们是信号转导途径中的催化单位。

■ 第二信使:cAMP

● 腺苷酸环化酶(adenylate cyclase， AC)

腺苷酸环化酶是膜整合蛋白，能够将ATP转变成cAMP，引起细胞的信号应答，故此，AC是G蛋白偶联系统中的效应物。

■ G蛋白偶联受体跨膜信号转导机理

在G蛋白偶联系统中，G蛋白的作用主要是将信号从受体传递给效应物，它包括了三个主要的激发过程：

● G蛋白被受体激活

● G蛋白将信号向效应物转移

● 应答的终结 当与Gα结合的GTP被水解成GDP时，信号转导就会终止。因此， GTP水解的速率在某种程度上决定着信号转导的强度和时间的长短。Gα亚基具有较弱的GTPase的活性，能够缓慢地水解GTP，进行自我失活.失活可通过与GAP的作用而加速。一旦GTP水解成GDP， Gα-GDP能够重新与Gβγ复合物恢复结合，形成非活性的三体复合物。

■ 激活型和抑制型cAMP信号途径

● 组成和作用效果

在某些细胞中，G蛋白不仅可激活酶活性（又称向上调节），也可抑制其作用的酶活性（向下调节)，因此有激活型和抑制型两种不同的系统。

● 毒素对G蛋白的核糖化作用

霍乱弧菌 感染人体后，产生一种毒素:霍乱毒素(cholera toxin，一种毒蛋白，具有催化作用，可将NAD+上的ADP-核糖基团转移到Gsα亚基上， 使G蛋白核糖化，这样抑制了α亚基的GTPase活性，从而抑制了GTP的水解，使Gs一直处于激活状态。其结果使腺苷酸环化酶处于永久活性状态，cAMP的形成失去控制，引起Na+和水分泌到肠腔导致严重腹泄。

百日咳则是由百日咳杆菌所引起， 该菌产生的百日咳毒素同样使G蛋白的α亚基ADP核糖化。与霍乱毒素作用机理不同的是，百日咳毒素使Gi蛋白α亚基进行ADP核糖化，阻止了Gi蛋白α亚基上的GDP被GTP取代， 使其失去对腺苷酸环化酶的抑制作用， 其结果也是使cAMP的浓度增加。由于百日咳是经呼吸道感染的，被感染的细胞与呼吸系统相关，这些细胞中cAMP浓度的提高，促使大量的体液分泌进入肺，引起严重的咳嗽。

■ 蛋白激酶A与底物磷酸化

● 蛋白激酶 A (protein kinase A，PKA)

又称为依赖于cAMP的蛋白激酶A ，是由四个亚基组成的四聚体。一般认为， 真核细胞内几乎所有的cAMP的作用都是通过活化PKA，从而使其底物蛋白发生磷酸化而实现的。cAMP与PKA的调节亚基结合，使PKA的调节亚基与催化亚基分开，被激活的催化亚基可使底物磷酸化。

● 磷酸化与去磷酸化

磷酸化和去磷酸化是信号转导中最简便而又十分快捷的反应方式,一般是通过磷酸化而激活,去磷酸化而失活,磷酸成为蛋白(酶)的活性标记。

■ 蛋白激酶A的细胞质功能与细胞核功能

● 蛋白激酶A被cAMP激活后能够使多种底物磷酸化，引起多种反应。

● PKA既可直接修饰细胞质中的底物蛋白，使之磷酸化后立即起作用，也可以进入细胞核作用于基因表达的调控蛋白启动基因的表达。

● 蛋白激酶A的细胞质功能:糖原分解

在脊椎动物中,糖原的分解受一些激素的控制,如肾上腺素和胰高血糖素中的任何一种激素同细胞膜受体结合,都会激活磷酸化酶,使糖原分解成1-磷酸葡萄糖,然后进一步分解为6-磷酸葡萄糖、葡萄糖后进入血液 。

● 蛋白激酶A的细胞核功能:调节基因表达

被cAMP激活的PKA,大多数在胞质溶胶中激活一些细胞质靶蛋白,也有少数被激活的PKA可以转移到细胞核中磷酸化某些重要的核蛋白,其中多数是被称为CREB(cAMP response element binding,cAMP效应元件结合因子)的转录因子。

■ cAMP信号的终止

该途径的信号解除有两种方式:

● 通过cAMP磷酸二酯酶(cAMP phosphodiesterase,PDE)将cAMP的环破坏,形成5＇-AMP。

● 通过抑制型的信号作用于Ri,然后通过Gi起作用。Gi蛋白被激活后，GTP同Gi蛋白的α亚基结合，Gi的α亚基与Giβγ复合物分离，并在细胞膜的胞质面进行扩散；当Gi的α亚基与腺苷酸环化酶结合后则抑制其活性；而Giβγ复合物则可同激活型的Gsα作用，阻止它去激活腺苷酸环化酶。

5.2.3 PKC系统(protein kinase C system)

在这一信号转导途径中，膜受体与其相应的第一信使分子结合后，激活膜上的Gq蛋白(一种G蛋白)，然后由Gq蛋白激活磷酸酯酶Cβ (phospholipase Cβ， PLC)， 将膜上的脂酰肌醇4，5-二磷酸(phosphatidylinositol biphosphate， PIP2)分解为两个细胞内的第二信使: DAG和IP3，最后通过激活蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)，引起级联反应，进行细胞的应答。该通路也称IP3、DAG、Ca2+信号通路。

■ 系统组成与信号分子

● 系统组成

由三个成员组成:受体、G蛋白和效应物。Gq蛋白也是异源三体,其α亚基上具有GTP/GDP结合位点,作用方式与cAMP系统中的G蛋白完全相同。该系统的效应物是磷酸肌醇特异的磷脂酶C-β(phosphatidylinositol-specific phospholipase C-β, PI-PLCβ),此处的β表示一种异构体。

● 信号分子

与该系统受体结合的信号分子有各种激素、神经递质和一些局部介质。

■ 第二信使的产生

该途径有有三个第二信使:IP3、DAG、Ca2+。产生过程包括磷脂酶C的激活、IP3/DAG的生成、Ca2+的释放。

● 磷脂酶C-β的激活 磷脂酶C-β相当于cAMP系统中的腺苷酸环化酶,也是膜整合蛋白,它的活性受Gq蛋白调节。当信号分子识别并同受体结合后，激活Gq蛋白的亚基。激活的Gq-α亚基通过扩散与磷脂酶C-β接触，并将磷脂酶C-β激活。

● 第二信使IP3/DAG的生成 被激活的磷脂酶C-β水解质膜上的4，5-二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)， 产生三磷酸肌醇(IP3)和二酰甘油(， DAG)。

● IP3 启动第二信使Ca2+的释放 由PIP2水解后产生的IP3是水溶性的小分子， 它可以离开质膜并迅速在胞质溶胶中扩散。IP3同内质网膜上专一的IP3受体(IP3 receptor)结合， 使IP3-门控Ca2+ 通道打开， 使Ca2+ 从内质网中释放出来。

■ 蛋白激酶C的激活

蛋白激酶C的激活涉及一系列复杂的反应过程，是三种第二信使共同作用的结果。