G蛋白偶联受体精编版

• 霍乱毒素具有ADP-核糖转移酶活性，进入细胞催化胞内的 NAD+的ADP核糖基共价结合在Gsα亚基上，致使Gsα亚基丧失 了GTPase的活性，导致与Gsα亚基结合的GTP不能水解成GDP， 结果GTP永久的结合在Gsα亚基上，处于持续活化状态，因此 能不断激活腺苷酸环化酶，使腺苷酸环化酶被锁定在活化状态。
与G蛋白偶联受体相联系 的效应蛋白激活的 普遍机制
• 现已知人类基因组至少编码27种不同的Gα 亚基，5种不同的Gβ亚基和13种不同的Gγ亚 基。
• 由于阐明了胞外信号如何转换为胞内信号 的机制，A.G.Gilman和M.Rodbell获得1994年 诺贝尔生理学或医学奖。
• 所有G蛋白偶联受体都含有7个疏水肽段形成的跨 膜α螺旋区和相似的三维结构，N端在细胞外侧， C端在细胞胞质测。每个跨膜α螺旋由22-24个氨基 酸残基组成，其中螺旋5和6之间的胞内环状结构 域对于受体与G蛋白之间的相互作用具有重要作 用。
• 在多细胞动物各种以cAMP为第二信使的信号通路中， 主要是通过cAMP激活蛋白激酶A（protein kinase A， PKA）所介导。
• 无活性的PKA是含有2个调节亚基（regulatory subunit， R）和2个催化亚基（catalytic subunit，C）组成的四聚 体，每个R亚基上有两个cAMP调节位点。
第二节 G蛋白、 G蛋白偶联受体介导的信号转导
G蛋白偶联受体的结构与激活
• G蛋白是三聚体GTP结合调节蛋白的简称。 • 位于质膜内胞浆一侧，由Gα、Gβ、Gγ三个
亚基组成，三个亚基各不相同。 Gα和Gβγ 亚基分别通过与细胞膜上的脂分子共价结 合锚定在质膜上。 • Gα亚基本身具有GTPase活性，是分子开关 蛋白。
• 在绝大多数哺乳动物细胞中，G蛋白偶联受体介导的信 号通路中，Gα亚基的首要效应酶是腺苷酸环化酶，通 过腺苷酸环化酶活性的变化调节靶细胞内第二信使 cAMP的水平，进而影响信号通路的下游事件。
不同的激素-受体复合物，偶联不同的G蛋白（不同的Gα亚基相同的Gβγ亚基） 导致Gsα-GTP激活腺苷酸环化酶，而Giα-GTP抑制腺苷酸环化酶的活性
通过G蛋白偶联受体介导的另外一条信号通路是磷脂酰肌醇 信号通路，信号转导时通过效应酶磷脂酶C完成的。
磷脂酰肌醇代谢途径
脂肪酸链 甘油三酯 二脂酰甘油 磷脂酰肌醇：由肌醇、 磷酸1,2-二脂酰甘油 组成
IP3-Ca2+信号通路
• 几乎所有真核细胞内Ca2+动员的主要途径：依靠 内质网膜上的IP3门控Ca2+通道将储存的Ca2+释放 到细胞质基质中。
• 尽管与这类受体相互作用的信号分子多种多样，受体的 氨基酸序列也千差万别，但对G蛋白偶联受体的研究分 析表明，所有真核生物从单细胞酵母到人类都具有相似 的七次跨膜结构。
哺乳类三聚体G蛋白的主要种类及其效应器
• 人们能看到一杯咖啡、闻到咖啡的香味、品尝到咖啡的美味以 及喝下咖啡后愉悦的心情，这都离不开受体的作用。G蛋白偶 联受体(GPCR)是与G蛋白有信号连接的1000多种受体的统称。 它属于膜蛋白，也就是分布在细胞膜上的蛋白。G蛋白横跨在 细胞膜上，一面可以解读细胞外的信号，另一面可以和细胞内 的物质发生作用，成为细胞外信息进入细胞内的桥梁。G蛋白 偶联受体能巩固探测激素、气味、化学神经递质等，从而将信 息通过激活不同类型G蛋白中的一种，传递到细胞内部。
G蛋白以及G蛋白偶联受体
• 多细胞生物是一个有序可控的“细胞社 会”，这种社会性的维持不仅依赖于细胞 的物质代谢和能量代谢，更有赖于细胞间 通讯与信号调控，以协调细胞的行为，诸 如细胞生长、分裂、分化、凋亡等生理功 能。
• 第一节 细胞信号转导概述 • 第二节 G蛋白、 G蛋白偶联受体介导的信号
• 霍乱病患者的症状是严重腹泻，其主要原因是霍乱毒素使得 Gsα亚基处于持续激活状态，导致小肠上皮细胞中cAMP水平 增加100倍以上，使细胞膜上的离子通道打开，导致细胞大量 Na+和水分子持续外流，产生严重腹泻而脱水。
（三）激活磷脂酶C、以IP3和DAG作为双信使的G蛋 白偶联受体介导的信号通路
细胞内受体：位于细胞质基质、核基质，识别结合 脂溶性信号分子（甾类激素、甲状腺素、维生素D）
离子通道偶联受体：受体本身 既有配体结合位点又是离子通道
细胞表面受体：识别 G蛋白偶联受体： 结合亲水性信号分子 普遍存在于各类真核细胞表面
酶联受体
三种类型的细胞表面受体
第二信使与分子开关
• 第二信使：胞外信号分子（配体）与细胞表面受体结 合后，导致在胞内产生的非蛋白类小分子，
细胞表面受体转导胞外信号引发两类反应—— 快反应和慢反应
二 信号分子与受体
• 信号分子：细胞的信息载体
信号分子
气体性信号分子：NO, CO
化学信号
疏水性信号分子： 甾类激素，甲状腺素
亲水性信号分子：局部介质、 神经递质，多数蛋白类激素
物理信号：声、光、电、温度
• 受体：能够识别和选择性结合某种配体（信号分 子）的大分子，多数为糖蛋白。
G蛋白是三聚体GTP结合调节蛋白的简称。 G蛋白位于质膜内胞浆一侧 由Gα β γ三 个亚基组成。Gα和Gβγ亚基分别通过与细胞膜上的脂分子共价结合锚定在质膜上。 Gα亚基本身具有GTPase活性，是分子开关蛋白。 三聚体G蛋白活化的步骤如下：1 配体结合诱发受体构象改变；2 活化受体与Gα亚 基结合；3 结合之后引发Gα亚基构象改变，致使GDP与G蛋白解离；4 GTP与Gα亚 基结合，引发Gα亚基与受体和Gβ γ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； 6 GTP水解成GDP,引发Gα亚基 与效应蛋白解离并重新 与Gβ γ亚基结合，恢复到 三聚体G蛋白的静息状态。
细胞表面受体介导的细胞信号通路：5个步骤组成
• 由G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路，按其效应 器蛋白的不同，可分为3类：
① 激活离子通道的G蛋白偶联受体
② 激活或抑制腺苷酸环化酶，以cAMP为第二信使的G 蛋白偶联受体
③ 激活磷脂酶C（phospholipase C, PLC），以IP3和DAG 作为双信使的G蛋白偶联受体。
• 分子开关：通过“开启”和“关闭”两种 状态的转换来控制下游靶蛋白的活性。
① GTPase开关调控蛋白构成的细胞内GTPase超家 族（G蛋白超家族），主要是：三聚体GTP结合蛋 白。
这类GTP结合蛋白当结合GTP时呈活化的“开启” 状态，当结合GDP时呈失活的“关闭”状态，开 关调控蛋白通过两种状态的转换控制下游靶蛋白 的活性。
A. G蛋白偶联受体的结构 模式图 B. 人β肾上腺素G蛋白 偶联受体晶体结构
• G蛋白偶联受体介导无数胞外信号的细胞应答，配体包 括多种蛋白或肽类激素、局部介质、神经递质和氨基酸 或脂肪酸衍生物，以及哺乳类嗅觉、味觉、和视觉。
• 在线虫基因组19000个基因中大约编码1000种不同的G 蛋白偶联受体。
• 开关调控蛋白（G蛋白）从失活态向活化态的转换，由鸟苷酸交换因子 （guanine nucleotide-exchange factor, GEF）所介导，GEF引起GDP从开 关调控蛋白释放，继而结合GTP并引发开关调控蛋白构象改变使其活化。
• 随着结合GTP的水解，形成GDP和Pi，开关调控蛋白又恢复成失活的关 闭状态。GTP的水解速率被GTPase促进蛋白（GTPase-accelerating protein, GAP）和G蛋白信号调节子（regulator of G protein-signaling, RGS）所促进，被鸟苷酸解离抑制蛋白（guanine nucleotidedissociation inhibitor, GDI）所抑制。
① IP3介导的Ca2+水平的升高只是暂时的，质膜和内质网膜上Ca2+泵 的启动会分别将Ca2+泵出细胞和泵进内质网腔。 ② 钙火花：在短短的10ms内，细胞中某一微区Ca2+探针Fluo-3的 荧光强度骤然升高，随后又在20ms内消失。
• 其次，人类基因组编码27中不同的Gα，5种不同的Gβ和13种不 同的Gγ亚基，还有9种不同的腺苷酸环化酶。不同亚基组合的 多样性决定了通过类似机制可产生众多不同的细胞反应。
• 霍乱是因摄入的食物或水受到霍乱弧菌污染而引起的一种急性 腹泻性传染病。每年，估计有300万～500万霍乱病例，另有 10万～12万人死亡。病发高峰期在夏季，能在数小时内造成 腹泻脱水甚至死亡。
• ②蛋白激酶/蛋白磷酸酶开关：通过蛋白激酶（protein kinase） 使靶蛋白磷酸化和通过蛋白磷酸酶（protein phosphatase）使靶 蛋白去磷酸化，从而调节靶蛋白的活化（开启）与失活（关闭）。
• 蛋白质磷酸化和去磷酸化可以改变蛋白质的电荷并改变蛋白质构 象，从而导致该蛋白质活性的增强或降低。
• cAMP-PKA通路： • 肾上腺素在肝细胞和肌细胞中对糖原代谢的效应； • 肾上腺素在脂肪细胞中促进磷脂酶的活性，催化甘油三酯生成
脂肪酸和甘油； • 卵巢细胞中G蛋白偶联受体在某些垂体激素刺激下导致PKA活化，
促进2种类固醇激素（雌激素和孕酮）的合成。 • 细胞应答反应只依赖于细胞表达的特殊PKA异构体和PKA底物。
• 通过其浓度变化来应答胞外信号，调节细胞内信号蛋 白的活性，从而在细胞信号转导途径中行使携带和放 大信号的功能。
4种常见的细胞内第二信使及其主要效应
cAMP，环腺苷一磷酸，是由三磷酸腺苷（ATP）脱掉两个磷酸缩合而成的。
• 在细胞信号转导过程中，除细胞表面受体 和第二信使分子以外，还有两类在进化上 保守的胞内蛋白，这两类蛋白在引发信号 转导级联反应中起分子开关（molecular switch）的作用。
（一）激活离子通道的G蛋白偶联受体所介导 的信号通路
• 心肌细胞上M乙酰胆碱受体激活G蛋白开启K+通道
许多神经递质受体是G蛋白偶联受体，效应器蛋白是Na +或K + 通道，神经递质与G蛋白偶联受体结合引发离子通道的开放或 关闭，进而导致膜电位变化。
（二）激活或抑制腺苷酸环化酶的G蛋白偶联受体 （真核细胞应答激素反应的主要机制之一）
cAMP特异性地活化cAMP依赖的PKA，释放其催化亚基
G蛋白偶联受体-cAMP-PKA信号通路对真核细胞基因转录的调控
CREB, cAMP-response element binding protein
（cAMP应答原件结合蛋白）
• 许多激素刺激这些受体导致PKA的激活，但是细胞应答反应不同， 为什么？
• G蛋白偶联受体是最著名的药物靶向分子。目前世界药物市场 上至少有30%的小分子药物可以激活或是阻断G蛋白偶联受体 的作用。
• 目前上市的药物中，前50种最畅销药物有20%就属于G蛋白偶 联受体相关药物，比如充血性心力衰竭药物卡维地洛，抗高血 压药物科素亚，乳腺癌药物诺雷得等。
G蛋白偶联受体介导的细胞信号通路
转导
第一节 细胞信号转导概述
• 信号细胞(signaling cell)：能产生信号分子的细胞。
• 靶细胞(target cell)：受到信号分子的作用发生反应的 细胞。
• 信号转导(signal transduction)：靶细胞依靠受体识别 专一的细胞外信号分子，并把细胞外信号转变为细胞内 信号，这一转变过程称为信号转导。是实现细胞间通讯 的关键过程。
• 在讨论G蛋白偶联受体介导的信号通路时，我们不禁要问：为 什么不同的信号（配体）通过类似的机制会引发多种不同的细 胞反应？这主要取决于G蛋白偶联受体的特异性。首先，对某 一特定的配体其受体可以几种不同的异构体形式存在。现已知 肾上腺素受体有9种不同的异构体，5-羟色胺的受体有15种不同 的异构体。
• 细胞信号传递（cell signaling）：信号转导后，靶细 Байду номын сангаас内部通过不同的信息传递途径最终引起基因或蛋白的 变化导致细胞行为改变，这一过程称为细胞信号传递。
• 通过胞外信号所介导的细胞通讯包括6步： ①信号细胞合成并释放信号分子（配体） ②转运信号分子至靶细胞 ③信号分子与靶细胞表面受体特异性结合，导致受体被激活 ④活化的受体启动靶细胞内信号传递途径 ⑤引发细胞代谢、功能或基因表达的改变 ⑥解除信号并导致细胞反应终止