第四章 G蛋白与跨膜信号转导

三聚体G蛋白的活性循环
质膜上的 效应酶主 要由Gα调 节。
近质膜或 者细胞质 中的效应 酶，似乎 主要由Gβγ 调节。
当某种刺激信号与其膜上的特异受体结合后，激 活的受体将信号传递给G蛋白，G蛋白的α亚基与GTP 结合而被活化。活化的α亚基与β、γ亚基分离而 呈游离状态，活化的α亚基触发效应器(如腺苷酸环 化酶、PLC等)，把胞外信号转换为胞内信号。当α 亚基所具有的GTP酶将与α亚基相结合的GTP水解为 GDP后，α亚基恢复到去活化状态并与β、γ亚基结 合为复合体。 动物中腺苷酸环化酶是Gs型G蛋白的内膜效应器； 植物中已经发现PLC（磷酸脂酶C）是G蛋白信号系 统中的效应器。
G蛋白的发现是生物学界的一大成就，1994年诺贝尔生理 及医学奖授予在G蛋白发现过程中作出重要贡献的A.Gilman 和M.Rodbell。
1．2 G蛋白的基本结构
纯化的三聚体G蛋白在溶液中的分子量为100kDa左右， 有α、β、γ三种亚基组成，通常β和γ亚基结合在 一起。在各种类型的G蛋白中，α亚基的差别最大，因 此，α亚基被用作G蛋白分类的依据。 异源三聚体G蛋白在结构上没有跨膜蛋白的特点，但 是它们能够固定于细胞膜内侧，主要是通过对其亚基上氨 基酸残基的酯化修饰作用（lipid modification），例 如，一些α亚基上的肉豆蔻酰基化（myristoylation） 作用，γ亚基上的某些氨基酸残基的异戊二烯化作用 （prenylation）。
G蛋白下游效应器
在动物中，G蛋白的下游效应器有多种，包括质膜上的 离子通道和各种效应酶类等；
效应酶类如腺苷酸环化酶、磷脂酶、磷酸二酯酶等。
离子通道主要有Ca2＋通道和K＋通道。
植物中用分子手段了解的G蛋白效应器还不多。一些
药理学实验证明，G蛋白的下游效应器包括K＋通道、PLD、 Ca2＋通道和PLC等。
1．1 G蛋白的概念
在细胞信号转导过程中扮演重要角色的G蛋白主要有两类： 存在于不同的细胞部位， 称为“小G蛋白”（small GTP-binding proteins） 特点：分子量小（20～ 30kDa），且都是单体 （monomeric）。
与膜受体耦合的异源三聚 体G蛋白（heterotrimeric GTP binding proteins） 通常所指的G蛋白是异 源三聚体G蛋白，由 αβγ三种亚基构成。
研究发现，植物中也存在与动物同源的G蛋白。
1.G蛋白概述
1．1 G蛋白的概念
G蛋白（G protein）全称为GTP结合调节蛋白（GTP binding regulatory protein），此类蛋白由于其生 理活性有赖于与三磷酸鸟苷（GTP）的结合以及具有 GTP水解酶的活性而得名。它在膜上受体接受胞外信号 与产生胞内信号之间起着膜上信号转换的作用,所以又 称为耦联蛋白或信号转换蛋白。 广义的G蛋白（G－binding proteins）是指所有能与 GTP/GDP结合的蛋白质，它们中有的可能与细胞信号转 导无直接关系，如蛋白质合成中的伸长因子 （elongation factor）。
1．3 异源三聚体G蛋白的种类
在动物中已经至少有20多种不同类型的α亚基，6种β亚 基和12多种γ亚基被分离鉴定，它们大部分是通过分子克隆 的方法获得的。在理论上可以组成上千种异源三聚体G蛋白， 因而增加了转导信号的多样性。 根据对腺苷酸环化酶的作用，动物的异源三聚体G蛋白： 根据功能不同：
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1.刺激性G蛋白（stimulately G protein, Gs）
2.抑制性G蛋白（inhibitory G protein, Gi） 3.视觉细胞中传递光信号的转导素（transducin, Gt） 植物中相关的资料相对较少，拟南芥中Gα有1种， β 有1 种， γ 有2种。
2. G蛋白信号转导途径
G蛋白参与的信号转导途径在生物体内是一种较为保守的跨膜 信号转导机制，该途径中有三种主要成分： （1）质膜上的受体（上游 ） 该受体因与G蛋白偶联，所以称为G蛋白偶联受体 （GPCR）。动物中最重要的是激素受体。 （2）质膜内表面的异源三聚体G蛋白 （3）质膜上或者质膜内表面的效应器（effectors） 包括效应酶和离子通道。如动物中的腺苷酸环化酶 (AC)，植物中的磷酸脂酶C（ PLC ），Ca2+通道/K+通 道等。
3. G蛋白的生物学意义
至少具有两个方面的生物学意义： 第一，起到信号放大作用。首先，一个G蛋白偶联受体可以 激活许多个G蛋白；其次，一般情况下，外界信号与受体的结 合时间很短，不能够产生足够的放大作用，而G蛋白结合GTP 而被激活的时间较长，这样，在信号分子与受体解离以后，G 蛋白仍然可以激活效应器，产生第二信使。如cAMP。霍乱病 的发生就是这方面的典型例子。 第二，G蛋白提供了一个重要的信号途径调节步骤。G蛋白 与GTP结合开通了信号通路；G蛋白与GDP结合则关闭了信号 通路。 另外，G蛋白自身的共价修饰和浓度改变也会影响受体与 酶之间耦合的有效性。
第四章
G蛋白与跨膜信号转导
（1学时）
环境信号被质膜表面的受体接受，然后通过跨 膜信号转导，将细胞外信号转变为胞内信号，再 进一步传递引起生理生化反应和遗传性状的表达。 G蛋白偶联受体进行信号转换需要G蛋白的介导。 GTP结合蛋白（GTP－binding protein, G蛋白） 在动物细胞跨膜信号转导中发挥着重要作用，它将 质膜表面受体与质膜内侧的效应器偶联起来。
Gα调节作用举例：霍乱发病机理
霍乱毒素（cholera toxin,CTX）是霍乱杆菌产生的 肽，它可以穿过细胞表面进入细胞质，催化胞内的NAD ＋的ADP核糖基结合到G蛋白的α亚基的修饰位点上； 这种不可逆的修饰使G蛋白可以与GTP结合，但是丧失 了GTP水解酶活性，GTP不能够水解为GDP。 因此，活化的α亚基始终结合在腺苷酸环化酶上， 使其长久活化，细胞中的cAMP增加100倍以上，导致膜 蛋白让大量水分进入肠腔，造成严重腹泻。