细胞生物学高频考点（八）之G蛋白偶联受体及信号转导内容 ...

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一、G蛋白的结构与功能
1. 异源三体G蛋白的结构组成
（1）G蛋白偶联受体(GPCR)是细胞表面受体中最大的多样性家族。
（2）G-蛋白是三聚体GTP结合调节蛋白(trimeric GTP-binding regulatory protein)的简称，位于质膜内胞浆一侧，由Gα、Gβ、Gγ三个亚基组成，Gβ和Gγ亚基以异二聚体形式存在，Gα和Gβγ亚基分别通过共价结合的脂分子锚定在质膜上。
（3）α亚基第三个功能：
①GTP结合位点位于α亚基上；
②亚基还具有GTPase的活性结构域；
③ ADP-核糖化位点。
2. G蛋白循环
在蛋白偶联信号转导系统中，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，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 protein cycle)。G蛋白的这种活性转变与三种蛋白相关联:
（1）GTPase激活蛋白(GTPase-activating protein，GAPs)
（2）鸟苷交换因子(guanine nucleotide-exchange factors，GEFs)
（3）鸟苷解离抑制蛋白(guanine nucleotide-dissociation inhibitors，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, 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, 此时的蛋白又恢复到无活性状态。
3. G蛋白在信号转导中的功能
（1）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；
（2）某些G蛋白可直接控制离子通道的通透性。
4. G蛋白的主要种类以及效应器


二、PKA系统的信号转导机理
1. G蛋白偶联的膜结合机器
（1）表面受体：都是7次跨膜的膜整合蛋白，如肾上腺素（8型）受体，胰高血糖素受体等
（2）G蛋白：在信号转导中起桥梁作用。
（3）效应物：效应物通常也是跨膜糖蛋白。
2.PKA系统跨膜信号转导机制
（1）G蛋白被受体激活；
三聚体G-蛋白解离活化的步骤如下
①配体(激素）结合诱发受体构象改变;
②活化受体与Gα亚基结合;
③活化的受体引发Gα亚基构象改变，致使GDP与G-蛋白解离;
④GTP与Gα亚基结合，引发Gα亚基与受体和Gβγ亚基解离;
⑤配体-受体复合物解离，Gα亚基结合并激活效应蛋白;
⑥GTP水解成GDP，引发Gα亚基与效应蛋白解离并重新与Gβγ亚基结合，恢复到三聚体G-蛋白的静息状态。
（2）G蛋白将信号向效应物转移；
效应器：腺苷酸环化酶(adenylyl cyclase，AC)
腺苷酸环化酶(AC): 跨膜12次。在Mg2+或Mn2+存在下，催化ATP生成cAMP


（3）应答终止
① 通过cAMP磷酸二酯酶（phosphodiesterase，PDE）将cAMP的环破坏，形成5’－AMP，使cAMP迅速降解。
② 通过抑制型的信号作用于Ri，然后通过G蛋白起作用。
3. 激活型和抑制型cAMP信号途径
（1）受体
① 刺激型受体（Rs）：接受刺激型信号后通过Gs来刺激腺苷酸环化酶的活性，如肾上腺素（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。还有肾上腺素、胰高血糖素以及ACTH等。
② 抑制型受体（inhibitory receptor，Ri）通过G；抑制腺苷酸环化酶的活性，降低细胞质中cAMP的水平，如乙酰胆碱（M型）受体、肾上腺素（a2型）受体等。
（2）G蛋白
① 刺激型G蛋白称为Gs蛋白（stimulatory protein，Gs protein），接受了激活型受体的信号后，激活腺苷酸环化酶，提高cAMP的浓度。
② 抑制型G蛋白称为G1蛋白（inhibitory G－proteins，G1 proteins），接受抑制型受体的信号后，抑制腺苷酸环化酶，减少cAMP的产生。
③ Gs蛋白和G1蛋白结构上都是膜蛋白，都是由α、β、γ3个亚基组成。但Gs的αs亚基能被霍乱毒素ADP核糖基化，而Gi的αi亚基能被百日咳毒素ADP核糖基化。
（3）效应物
它们的效应物都是腺苷酸环化酶，不过作用的效果不同。


4. 蛋白激酶A与底物磷酸化
（1）蛋白激酶A的组成
蛋白激酶A（PKA）又称cAMP依赖的蛋白激酶
PKA全酶分子的组成如下
① 2个是调节亚基（regulatory subunit，R亚基），每个R亚基上有2个cAMP结合位点。cAMP与调节亚基结合后，使得调节亚基与催化亚基解离，释放出催化亚基，激活蛋白激酶A。
② 2个是催化亚基（catalytic subunit，C亚基）。


（2）蛋白激酶A的存在部位
在大多数哺乳类细胞中，至少有两类蛋白激酶A：
① 一类存在于胞质溶胶；
② 一类结合在质膜、核膜和微管上。
（3）蛋白激酶A的功能
将ATP上的磷酸基团转移到特定蛋白质的丝氨酸或苏氨酸残基上进行磷酸化，从而调节靶蛋白的活性，其化学过程实质是磷酸化和去磷酸化。
（4）底物磷酸化举例
如磷酸酶－1的激活是受一种称为抑制剂－1（inhibitor－1）的调控过程。
5. 蛋白激酶A的细胞质功能与细胞核功能
（1）蛋白激酶A的细胞质功能
① 在哺乳动物中，第二信使cAMP通过PKA激活细胞质中的靶酶引起信号转导，从而调控细胞中糖原的分解
② 在脊椎动物中，糖原的分解受一些激素如肾上腺素和胰高血糖素的控制，这两种激素都能激活磷酸化珻，使糖原分解。
（2）蛋白激酶A的细胞核功能
少数被cAMP激活的PKA可以转移到细胞核中磷酸化某些重要的核蛋白，调节基因的表达。
细胞核中的核蛋白多数被称为CREB的转录因子，被磷酸化后作用于DNA中的特定位点，该位点通常含有CRE，而CRE般位于基因的调节区，对cAMP的作用进行应答。
激素→G-蛋白偶联受体→G-蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP →cAMP依赖的蛋白激酶A→基因调控蛋白(CREB)→基因转录


6 .cAMP信号的终止
（1）通过cAMP磷酸二酯酶（phosphodiesterase，PDE）将cAMP的环破坏，形成5－AMP，使cAMP迅速降解。
（2）通过抑制型的信号作用于Ri，然后通过G蛋白起作用。
7.作用于G蛋白的毒素
（1）霍乱毒素(cholera toxin)

霍乱毒素作用于刺激型G蛋白引起的，催化ADP核糖基共价结合到Gs的α亚基上，使α亚基丧失GTP酶活性，处于持续活化状态。导致霍乱患者细胞内Na+和水持续外流，产生严重腹泻脱水。
（2）百日咳毒素(pertussis toxin)
百日咳毒素作用抑制型G蛋白引起的，催化Giα亚基ADP-核糖基化，阻止了Giα亚基上GDP的释放，使Giα亚基被“锁定*在非活化状态，Giα亚基的失活导致气管上皮细胞内cAMP水平增高，促使液体、电解质和黏液分泌减少。
三、PKC系统的信号转导机制
1. PKC系统
在G蛋白偶联系统的信号转导中，除了通过cAMP作为第二信使外，磷脂酰肌醇也作为第二信使，此途径称为磷脂酰肌醇信号途径。该通路也称IP3、DAG、Ca2＋信号通路，或称PKC系统。
磷脂酰肌醇信号途径反应过程
（1）膜受体与第一信使结合，激活膜上的Gα蛋白（G蛋白的一种）
（2）Gq蛋白激活磷脂Cβ，将膜上的磷脂酰肌醇二磷酸（PIP2）分解成二酰甘油（DAG）和肌醇三磷酸（IP3）这个两个第二信使，因此成为“双信使系统”；
（3）IP3动员细胞内钙库释放Ca2＋到细胞质中与钙调蛋白结合随后参与一系列的反应。而DAG在Ca2＋的协同下激活蛋白激酶C，然后通过蛋白激酶C引起级联反应，进行细胞的应答。



IP3/Ca2+和DAG/PKC双信使信号途径

2.膜结合机器
（1）系统组成
磷脂酰肌醇信号转导系统包括受体、G蛋白和效应物三部分。
（2）各部分的具体指定对象：本系统中Gq蛋白起到G蛋白的作用，磷脂酶Cβ是效应物。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。


3. 第二信使的产生
磷脂酰肌醇信号途径的第二信使产生的基本过程包括磷脂酶C的激活、IP3／DAG的生成、Ca2＋的释放。
（1）磷脂酶Cβ的激活
当信号分子识别并同受体结合后，使受体激活。激活的受体同Gq蛋白结合，从而将Gq蛋白的亚基激活。激活的Gq蛋白α亚基上发生GTP与GDP的交换并导致结合有GTP的α亚基从Gq蛋白上释放出来。激活的Gq的亚基通过扩散与磷脂酶C接触，并将磷脂C激活。
（2）第二信使IP3／DAG的生成
被激活的磷脂酶Cβ水解质膜上的PIP2，产生IP3和DAG作为第二信使作用，使信号进一步放大。
（3）IP3启动第二信使Ca2＋的释放
IP3同内质网膜上特异的IP3受体结合，使IP3闻门Ca2＋释放通道打开，使Ca2＋从内质网中释放出来，细胞内Ca2＋浓度瞬间增高。释放的Ca2＋作为第二信使可引起很多细胞反应，如协同DAG激活蛋白激酶C以及与钙调蛋白结合直接引起细胞的其他反应。
4. 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3种第二信使共同作用的结果。

（1）蛋白激酶C的激活是脂依赖性的，需要膜脂DAG的存在，DAG是脂溶性的，一直处于质膜中，为蛋白激酶C与质膜的结合提供了结合位点；同时又是Ca2＋依赖性的，需要胞质溶胶中Ca2＋浓度的升高。当DAG在质膜中出现时，胞质溶胶中的蛋白激酶C被结合到质膜上，然后在Ca2＋的作用下被激活。
（2）实际上IP3并不直接激活蛋白激酶C，IP3是作为内质网膜中Ca2＋通道的配体与配体闸门通道结合，结果将Ca2＋通道打开，使Ca2＋从内质网中释放出来，为蛋白激酶C的激活创造了另一个必要的条件。


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