《生物化學(xué)與分子生物學(xué)》 (二)G蛋白偶聯(lián)型受體及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

G蛋白偶聯(lián)型受體包括多種神經(jīng)遞質(zhì)、肽類激素和趨化因子的受體，在味覺、視覺和嗅覺中接受外源理化因素的受體亦屬G蛋白偶聯(lián)型受體。這類受體在結(jié)構(gòu)上均為單體蛋白，氨基末端位于細(xì)胞外表面，羧基末端在胞膜內(nèi)側(cè)。完整的肽鏈要反復(fù)跨膜七次(圖21-10)，因此亦有人將此類受體稱為七次跨膜受體。由于肽鏈反復(fù)跨膜，在膜外側(cè)和膜內(nèi)側(cè)形成了幾個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，它們分別負(fù)責(zé)與配體(化學(xué)、物理信號(hào))的結(jié)合和細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)傳遞。其胞漿部分可以與一種GTP結(jié)合蛋白(簡(jiǎn)稱G蛋白)相互作用，這種G蛋白是該信號(hào)傳遞途徑中的第一個(gè)信號(hào)傳遞分子，這也是這類受體被稱為G蛋白偶聯(lián)型受體的原因。

圖21－10　七次跨膜受體－G蛋白偶聯(lián)型受體跨膜結(jié)構(gòu)示意圖

G蛋白偶聯(lián)受體的信號(hào)傳遞過程包括(1)配體與受體結(jié)合，(2)受體活化G蛋白；(3)G蛋白激活或抑制細(xì)胞中的效應(yīng)分子；(4)效應(yīng)分子改變細(xì)胞內(nèi)信使的含量與分布，(5)細(xì)胞內(nèi)信使作用于相應(yīng)的靶分子，從而改變細(xì)胞的代謝過程及基因表達(dá)等功能。本節(jié)將逐一介紹這一過程的主要環(huán)節(jié)。

1.G蛋白的循環(huán)或活化(G Protein Cycle)

G蛋白偶聯(lián)型受體的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的第一個(gè)信號(hào)傳遞分子是G蛋白，其活化過程稱為G蛋白循環(huán)。

G蛋白以α、βγ亞基三聚體的形式存在于細(xì)胞質(zhì)膜內(nèi)側(cè)。α亞基已發(fā)現(xiàn)有20余種，分子量為36～52kd。α亞基具有多個(gè)活化位點(diǎn)，其中包括可與受體結(jié)合并受其活化調(diào)節(jié)的部位、與βγ亞基相結(jié)合的部位、GDP或GTP結(jié)合部位以及與下游效應(yīng)分子相互作用的部位等等。α亞基還具有GTP酶活性。α亞基結(jié)合GDP時(shí)是無活性狀態(tài)，而與GTP結(jié)合時(shí)則為有活性狀態(tài)，GTP的水解又使其返回?zé)o活性狀態(tài)。

G蛋白中的β和γ亞基亦有數(shù)種，但不及α亞基種類多。在細(xì)胞內(nèi)，β和γ亞基形成緊密結(jié)合的二聚體，只有在蛋白變性條件下方可解離，因此可以認(rèn)為它們是功能上的單體。βγ亞基的主要作用是與α亞基形成復(fù)合體并定位于質(zhì)膜內(nèi)側(cè)。近年來的研究表明，βγ亞基亦可作用于其下游效應(yīng)分子。

圖21－11　G蛋白循環(huán)示意圖

G蛋白循環(huán)的具體過程可見圖21-11。當(dāng)物理或化學(xué)信號(hào)刺激受體時(shí)，受體活化G蛋白使之發(fā)生構(gòu)象改變。α亞基與GDP的親和力下降，結(jié)合的GDP為GTP所取代。α亞基結(jié)合了GTP后即與βγ亞基發(fā)生解離，成為活化狀態(tài)的α亞基?；罨说摩羴喕藭r(shí)可以作用于下游的各種效應(yīng)分子。這種活化狀態(tài)將一直持續(xù)到GTP被α亞基自身具有的GTP酶水解為GDP。一旦發(fā)生GTP的水解，α亞基又再次與βγ亞基形成復(fù)合體，回到靜止?fàn)顟B(tài)，重新接受新的化學(xué)信號(hào)。

由于G蛋白的種類不同，因此G蛋白可以作用于不同的效應(yīng)分子，或?qū)ν恍?yīng)分子進(jìn)行不同的調(diào)節(jié)。

2.效應(yīng)分子及細(xì)胞內(nèi)信使

G蛋白活化之后，可作用于腺苷酸環(huán)化酶和磷脂酶C等效應(yīng)分子(Effector)上。有的α亞基(Gs)可以激活腺苷酸環(huán)化酶；有的α亞基(αi)可以抑制腺苷酸環(huán)化酶。腺苷酸環(huán)化酶催化ATP生成環(huán)狀A(yù)MP(cAMP)的反應(yīng)，因此細(xì)胞內(nèi)的cAMP水平在配體與受體結(jié)合后，可受G蛋白α亞單位的作用而升高或降低，從而將細(xì)胞外信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞內(nèi)信號(hào)。這種細(xì)胞內(nèi)信號(hào)可再作用于下游分子。這種細(xì)胞內(nèi)信號(hào)的傳遞方式是G蛋白偶聯(lián)型受體傳遞信號(hào)的主要方式，這些細(xì)胞內(nèi)信號(hào)分子被稱為細(xì)胞內(nèi)信使。細(xì)胞內(nèi)信使亦被稱為第二信使。已知的細(xì)胞內(nèi)信使包括cAMP、cGMP、甘油二酯(DAG)、IP3、和Ca2＋等等(圖21－12、13、14)。G蛋白的α亞基種類、其作用的效應(yīng)分子及所調(diào)節(jié)的細(xì)胞內(nèi)信使可參見表21-3。

圖21－12　cAMP的生成與水解

圖21－13　cGMP的生成

圖21－14　DAG和IP3的生成

細(xì)胞內(nèi)信使一般具有以下三個(gè)特點(diǎn)：(1)多為小分子，且不位于能量代謝途徑的中心；(2)在細(xì)胞中的濃度或分布可以迅速地改變；(3)作為變構(gòu)效應(yīng)劑可作用于相應(yīng)的靶分子，已知的靶分子主要為各種蛋白激酶。

表21－3　G蛋白的α亞基及其效應(yīng)分子

Ca種類效應(yīng)分子細(xì)胞內(nèi)信使靶分子as腺苷酸環(huán)化酶活性急↑c(diǎn)AMP↑蛋白激酶A活性↑ai腺苷酸環(huán)化酶活性↓cAMP↓蛋白激酶A活性↓aq磷脂酶C活性↑Ca2+IP↑3DAG蛋白激酶C活化↑atcGMP磷脂二酯酶↑活性cGMP↓Na+通道關(guān)閉

cAMP是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞內(nèi)信使，催化它生成的腺苷酸環(huán)化酶為一重要的Gαi和Gαs的效應(yīng)分子。cAMP是很多激素的細(xì)胞內(nèi)信使。另一類重要的細(xì)胞內(nèi)信使是在磷脂酰肌醇特異性磷脂酶C作用下，由PIP2(二磷酸磷脂酰肌醇)水解生成的三磷酸肌醇(IP3)和甘油二酯(DAG)。

需要指出的是，除G蛋白偶聯(lián)型受體在其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中需細(xì)胞內(nèi)信使作為信號(hào)的傳遞者外，細(xì)胞內(nèi)還存在受其它的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)方式調(diào)控的細(xì)胞內(nèi)信使。九十年代以來，越來越多的以小分子物質(zhì)作為細(xì)胞內(nèi)信使參與細(xì)胞功能調(diào)控的過程得以闡明。

G蛋白偶聯(lián)型受體在G蛋白介導(dǎo)下的信號(hào)傳遞過程可見圖21－15和圖21-16。

圖21－15　G蛋白偶聯(lián)型受體－G蛋白－腺苷酸環(huán)化酶信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑示意圖

圖21－16　G蛋白偶聯(lián)型受體－G蛋白－磷脂酶C信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑示意圖

3.細(xì)胞內(nèi)信使作用的主要靶分子

活化的Gα可作用于相應(yīng)的效應(yīng)分子，從而使相應(yīng)的細(xì)胞內(nèi)信使?jié)舛劝l(fā)生迅速的改變。這些細(xì)胞內(nèi)的信使可分別作用于相應(yīng)的靶分子，從而使得細(xì)胞中的各種酶類和蛋白分子的活性發(fā)生改變。這些細(xì)胞內(nèi)信使所作用的靶分子主要為各種蛋白激酶(表21-3)

(1)蛋白激酶A

cAMP作用于cAMP依賴性蛋白激酶(cAMP－dependent Protein Kinase,簡(jiǎn)稱為cAPK),亦稱為蛋白激酶A(Protein Kinase A, PKA)，目前后一種命名較為公認(rèn)。cAMP可以作為該激酶的變構(gòu)激活劑，使無活性的蛋白激酶A轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘牡鞍准っ窤(詳見第十一章，圖11－4)?；罨说牡鞍准っ窤可作用于多種與糖脂代謝相關(guān)的酶類、一些離子通道和某些轉(zhuǎn)導(dǎo)因子，使它們發(fā)生磷酸化并改變其活性狀態(tài)。

(2)蛋白激酶G

細(xì)胞內(nèi)的另一種環(huán)核苷酸信使為環(huán)鳥苷酸－cGMP。cGMP作用于cGMP依賴性蛋白激酶－cGMPdependent Protein Kinase, cGPK)，亦稱為蛋白激酶G(Protein Kinase G、PKG)。與PKA一樣，PKG是目前較為公認(rèn)的命名。蛋白激酶G以cGMP作為變構(gòu)效應(yīng)劑，在腦和平滑肌中含量較豐富。1997年，人們發(fā)現(xiàn)，PKG的基因突變與果蠅的覓食行為有關(guān)。我們可以推測(cè)，PKG很有可能在神經(jīng)系統(tǒng)的信號(hào)傳遞過程中具有重要作用。

(3)蛋白激酶C

另外一些重要的細(xì)胞內(nèi)信使還包括磷脂酰肌醇的衍生物如DAG、PIP3(三磷酸磷脂酰肌醇)、磷脂酰膽堿的衍生物、鞘磷脂的衍生物以及Ca2＋等等。這些小分子信使的一個(gè)重要靶分子是蛋白激酶C(Protein KinaseC、PKC)。

PKC有多種同工酶形式，均以希臘字母排列，有PKCα、PKCβI、PKCβⅡ和PKCγ等等。不同的同功酶在結(jié)構(gòu)和組織分布上各有不同，其對(duì)輔助因子(包括上述細(xì)胞內(nèi)小分子信使)的需求亦有差別，并且對(duì)底物有選擇性。

PKC在細(xì)胞的生長(zhǎng)分化的調(diào)控中及其它多種細(xì)胞功能上具有關(guān)鍵性的調(diào)節(jié)作用，是一類非常重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子。細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的多條途徑都可以導(dǎo)致PKC的活化。已經(jīng)有很多實(shí)驗(yàn)研究證明，PKC的抑制劑可以使細(xì)胞失去對(duì)生長(zhǎng)分化刺激信號(hào)的反應(yīng)，表明這些功能都依賴于PKC的調(diào)控。例如，肥大細(xì)胞的脫顆粒反應(yīng)(釋放出大量組織胺等血管活性物質(zhì))是機(jī)體變態(tài)反應(yīng)的重要形式之一。體外實(shí)驗(yàn)表明，如果用PKC抑制劑預(yù)先處理細(xì)胞，細(xì)胞就不會(huì)對(duì)刺激信號(hào)再發(fā)生脫顆粒反應(yīng)。如果用改變細(xì)胞膜通透性的方式使胞內(nèi)的PKC漏出，細(xì)胞也會(huì)失去發(fā)生脫顆粒反應(yīng)的能力，此時(shí)若再加入PKC使之回到細(xì)胞中，則又可恢復(fù)細(xì)胞的脫顆粒反應(yīng)。其它很多類似的實(shí)驗(yàn)亦表明，細(xì)胞的很多其它功能也受到PKC的調(diào)控。