G蛋白偶联受体介导的信号通路组成,特点,和主要功能

G蛋白偶联受体介导的信号通路组成,特点,和主要功能
G蛋白偶联受体介导的信号通路组成,特点,和主要功能

G蛋白偶联受体介导的信号通路组成,特点,和主要功能
G蛋白偶联受体：G-protein coupled receptor
一种与三聚体G蛋白偶联的细胞表面受体.含有7个穿膜区,是迄今发现的最大的受体超家族,其成员有1000多个.与配体结合后通过激活所偶联的G蛋白,启动不同的信号转导通路并导致各种生物效应.
G蛋白偶联型受体是具有七个跨膜螺旋的受体,在结构上面它包括七个跨膜区段,它们与配体结合后,通过与受体偶联的G蛋白的介导,使第二信使物质增多或减少,转而改变膜上的离子通道,引起膜电位发生变化.其作用比离子通道型受体缓慢,这类受体与G蛋白之间的偶联关系也颇为复杂；一种受体可以和多种G蛋白偶联,激活多种效应系统；也可同时和几种受体偶联或几种G蛋白与一种效应系统联系而使来自不同受体的信息集中于同一效应系统.
与G蛋白偶联受体有关的信号通路有：腺苷酸环化酶系统（AC系统）,磷酸肌醇系统,视网膜光电信号传递系统,与嗅觉相关的信号传导系统,一氧化氮系统等.
三聚体GTP结合调节蛋白（trimeric GTP-binding regulatory protein）简称G蛋白,位于质膜胞质侧,由α、β、γ三个亚基组成,α 和γ亚基通过共价结合的脂肪酸链尾结合在膜上,G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用,当α亚基与GDP结合时处于关闭状态,与GTP结合时处于开启状态,α亚基具有GTP酶活性,能催化所结合的ATP水解,恢复无活性的三聚体状态,其GTP酶的活性能被RGS（regulator of G protein signaling）增强.RGS也属于GAP（GTPase activating protein）.G蛋白耦联型受体为7次跨膜蛋白,受体胞外结构域识别胞外信号分子并与之结合,胞内结构域与G蛋白耦联.通过与G蛋白耦联,调节相关酶活性,在细胞内产生第二信使,从而将胞外信号跨膜传递到胞内.G蛋白耦联型受体包括多种神经递质、肽类激素和趋化因子的受体,在味觉、视觉和嗅觉中接受外源理化因素的受体亦属G蛋白耦联型受体.
由G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路主要包括：cAMP信号通路和磷脂酰肌醇信号通路.
（一）cAMP信号途径
在cAMP信号途径中,细胞外信号与相应受体结合,调节腺苷酸环化酶活性,通过第二信使cAMP水平的变化,将细胞外信号转变为细胞内信号.
1、cAMP信号的组分
①.激活型激素受体（Rs）或抑制型激素受体（Ri）；
②.活化型调节蛋白（Gs）或抑制型调节蛋白（Gi）；
③.腺苷酸环化酶（Adenylyl cyclase）：是相对分子量为150KD的糖蛋白,跨膜12次.在Mg2+或Mn2+的存在下,腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP.
④.蛋白激酶A（Protein Kinase A,PKA）：由两个催化亚基和两个调节亚基组成,在没有cAMP时,以钝化复合体形式存在.cAMP与调节亚基结合,改变调节亚基构象,使调节亚基和催化亚基解离,释放出催化亚基.活化的蛋白激酶A催化亚基可使细胞内某些蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化,于是改变这些蛋白的活性,进一步影响到相关基因的表达.
⑤.环腺苷酸磷酸二酯酶（cAMP phosphodiesterase）：可降解cAMP生成5’-AMP,起终止信号的作用.
2、Gs调节模型
当细胞没有受到激素刺激,Gs处于非活化态,α亚基与GDP结合,此时腺苷酸环化酶没有活性；当激素配体与Rs结合后,导致Rs构象改变,暴露出与Gs结合的位点,使激素-受体复合物与Gs结合,Gs的α亚基构象改变,从而排斥GDP,结合GTP而活化,使三聚体Gs蛋白解离出α亚基和βγ基复合物,并暴露出α亚基与腺苷酸环化酶的结合位点；结合GTP的α亚基与腺苷酸环化酶结合,使之活化,并将ATP转化为cAMP.随着GTP的水解α亚基恢复原来的构象并导致与腺苷酸环化酶解离,终止腺苷酸环化酶的活化作用.α亚基与βγ亚基重新结合,使细胞回复到静止状态.
活化的βγ亚基复合物也可直接激活胞内靶分子,具有传递信号的功能,如心肌细胞中G蛋白耦联受体在结合乙酰胆碱刺激下,活化的βγ亚基复合物能开启质膜上的K+通道,改变心肌细胞的膜电位.此外βγ亚基复合物也能与膜上的效应酶结合,对结合GTP的α亚基起协同或拮抗作用.
霍乱毒素能催化ADP核糖基共价结合到Gs的α亚基上,致使α亚基丧失GTP酶的活性,结果GTP永久结合在Gs的α亚基上,使α亚基处于持续活化状态,腺苷酸环化酶永久性活化.导致霍乱病患者细胞内Na+和水持续外流,产生严重腹泻而脱水.
该信号途径涉及的反应链可表示为：
激素→G蛋白耦联受体→G蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP→依赖cAMP的蛋白激酶A→基因调控蛋白→基因转录.
不同细胞对cAMP信号途径的反应速度不同,在肌肉细胞1秒钟之内可启动糖原降解为葡糖1-磷酸（图8-18）,而抑制糖原的合成.在某些分泌细胞,需要几个小时,激活的PKA 进入细胞核,将CRE结合蛋白磷酸化,调节相关基因的表达.CRE（cAMP response element ）是DNA上的调节区域.
3、Gi调节模型
Gi对腺苷酸环化酶的抑制作用可通过两个途径：①通过α亚基与腺苷酸环化酶结合,直接抑制酶的活性；②通过βγ亚基复合物与游离Gs的α亚基结合,阻断Gs的α亚基对腺苷酸环化酶的活化.
百日咳毒素催化Gi的α亚基ADP-核糖基化,结果降低了GTP与Gi的α亚基结合的水平,使Gi的α亚基不能活化,从而阻断了Ri受体对腺苷酸环化酶的抑制作用,但尚不能解释百日咳症状与这种作用机理有关.
（二）磷脂酰肌醇途径
在磷脂酰肌醇信号通路中胞外信号分子与细胞表面G蛋白耦联型受体结合,激活质膜上的磷脂酶C（PLC-β）,使质膜上4,5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成1,4,5-三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG）两个第二信使,胞外信号转换为胞内信号,这一信号系统又称为“双信使系统”（double messenger system）.
IP3与内质网上的IP3配体门钙通道结合,开启钙通道,使胞内Ca2+浓度升高.激活各类依赖钙离子的蛋白.用Ca2+载体离子霉素（ionomycin）处理细胞会产生类似的结果.
DG结合于质膜上,可活化与质膜结合的蛋白激酶C（Protein Kinase C,PKC）.PKC以非活性形式分布于细胞溶质中,当细胞接受刺激,产生IP3,使Ca2+浓度升高,PKC便转位到质膜内表面,被DG活化,PKC可以使蛋白质的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化是不同的细胞产生不同的反应,如细胞分泌、肌肉收缩、细胞增殖和分化等.DG的作用可用佛波醇酯（phorbol ester）模拟.
Ca2+活化各种Ca2+结合蛋白引起细胞反应,钙调素（calmodulin,CaM）由单一肽链构成,具有四个钙离子结合部位.结合钙离子发生构象改变,可激活钙调素依赖性激酶（CaM-Kinase）.细胞对Ca2+的反应取决于细胞内钙结合蛋白和钙调素依赖性激酶的种类.如：在哺乳类脑神经元突触处钙调素依赖性激酶Ⅱ十分丰富,与记忆形成有关.该蛋白发生点突变的小鼠表现出明显的记忆无能.
IP3信号的终止是通过去磷酸化形成IP2,或被磷酸化形成IP4.Ca2+由质膜上的Ca2+泵和Na+-Ca2+交换器将抽出细胞,或由内质网膜上的钙泵抽进内质网.
DG通过两种途径终止其信使作用：一是被DG-激酶磷酸化成为磷脂酸,进入磷脂酰肌醇循环；二是被DG酯酶水解成单酯酰甘油.由于DG代谢周期很短,不可能长期维持PKC活性,而细胞增殖或分化行为的变化又要求PKC长期活性所产生的效应.现发现另一种DG生成途径,即由磷脂酶催化质膜上的磷脂酰胆碱断裂产生的DG,用来维持PKC的长期效应.
三）其它G蛋白偶联型受体
1．化学感受器中的G蛋白
气味分子与化学感受器中的G蛋白偶联型受体结合,可激活腺苷酸环化酶,产生cAMP,开启cAMP门控阳离子通道（cAMP-gated cation channel）,引起钠离子内流,膜去极化,产生神经冲动,最终形成嗅觉或味觉.
2．视觉感受器中的G蛋白
黑暗条件下视杆细胞(或视锥细胞)中cGMP浓度较高,cGMP门控钠离子通道开放,钠离子内流,引起膜去极化,突触持续向次级神经元释放递质.
视紫红质（rhodopsin, Rh）为7次跨膜蛋白,含一个11顺-视黄醛.是视觉感受器中的G蛋白偶联型受体,光照使Rh视黄醛的构象变为反式,Rh分解为视黄醛和视蛋白（opsin）,构象改变的视蛋白激活G蛋白（transducin, Gt）,G蛋白激活cGMP磷酸二酯酶,将细胞中的cGMP水解.从而关闭钠通道,引起细胞超极化,产生视觉.可见胞内cGMP水平下降的负效应信号起传递光刺激的作用.
视觉感受器的换能反映可表述为：
光信号→Rh激活→Gt活化→cGMP磷酸二酯酶激活→胞内cGMP减少→Na+离子通道关闭→离子浓度下降→膜超极化→神经递质释放减少→视觉反应.
（四） 小G蛋白
小G蛋白（Small G Protein）因分子量只有20~30KD而得名,同样具有GTP酶活性,在多种细胞反应中具有开关作用.第一个被发现的小G蛋白是Ras,它是ras基因[5]的产物.其它的还有Rho,SEC4,YPT1等,微管蛋白β亚基也是一种小G蛋白.
小G蛋白的共同特点是,当结合了GTP时即成为活化形式,这时可作用于下游分子使之活化,而当GTP水解成为GDP时（自身为GTP酶）则回复到非活化状态.这一点与Gα类似,但是小G蛋白的分子量明显低于Gα.
在细胞中存在着一些专门控制小G蛋白活性的小G蛋白调节因子,有的可以增强小G蛋白的活性,如鸟苷酸交换因子（guanine nucleotide exchange factor, GEF）和鸟苷酸解离抑制因子（Guanine nucleotide dissociation Inhibitor, GDI）,有的可以降低小G蛋白活性,如GTP酶活化蛋白（GTPase activating protein, GAP）.