G蛋白耦联型受体
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简介
组成
受体
受体在结构上均为单体蛋白，由约300～400个氨基酸残基组成，有一个由30-50个氨基酸组成的细胞外N-末端，接着在肽链中出现7个α螺旋的跨膜结构，每个疏水跨膜区段由20～25个氨基酸组成，但各区段之间由数目不等的氨基酸组成的环状结构连接，其中1-2，3-4，5-6环在胞内侧，2-3，4-5，6-7环在胞外侧,第7个跨膜螺旋是能够识别、即能结合某种特定外来化学信号的部位。C端氨基酸残基相差很大，位于胞内侧。比较大的5-6胞内侧环与C端都具有亲水性，它们是与G蛋白相互作用的区域。小分子配体是结合在受体跨膜部的疏水区域，多肽配体结合区既与跨膜部分有关也与胞外亲水环有关。
G蛋白
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）。
种类：
参与细胞信息传递的G蛋白如下表：
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G蛋白类型
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α亚基
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功能
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刺激型G蛋白（Gs）
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Gsα
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激活腺苷酸环化酶
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抑制型G蛋白（Gi）
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Giα
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抑制腺苷酸环化酶
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G蛋白（Gp）
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激活磷脂酰肌醇特异的磷脂酶C
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转运蛋白（Gt）
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Gtα
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激活鸟苷酸环化酶
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ras蛋白（p21）
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与α亚基单位同源
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参与细胞增殖生长因子的激发
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其它类型：
（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。
（3）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）。
功能
G蛋白耦联型受体介导的信号转导可通过不同的通路产生不同的效应，但信号转导的基本模式大致相同，主要过程包括：
（1）配体与受体结合；
（2）受体活化G蛋白；
（3）G蛋白激活或抑制下游效应分子；
（4）效应分子改变细胞内第二信使的含量与分布；
（5）第二信使作用于相应的靶分子，使之构象改变，从而改变细胞的代谢过程及基因表达等功能。
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。
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Mg或Mn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
①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。
②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亚基起协同作用或拮抗作用。
③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，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：
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。
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）。
①IP3与内质网上的IP3配体门钙通道结合，开启钙通道，使胞内Ca浓度升高。 激活各类依赖钙离子的蛋白。用Ca载体离子霉素（ionomycin）处理细胞会产生类似的结果。
②DG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Ca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。
③Ca活化各种Ca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Ca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。
④IP3信号的终止是通过去磷酸化形成IP2，或被磷酸化形成IP4。Ca由质膜上的Ca泵和Na-Ca交换器将抽出细胞，或由内质网膜上的钙泵抽进内质网。
⑤DG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。
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