第四章 G蛋白与跨膜信号转导
G蛋白与信号转导的关系及其在细胞生理学中的应用
G蛋白与信号转导的关系及其在细胞生理学中的应用细胞是生命的基本单位，同时也是生物体内重要的信号传递系统。
细胞内外的信息需要经过一系列的转导过程才能发挥作用。
G蛋白是一类参与信号传递的关键分子，在细胞生理学中具有重要的应用。
一、G蛋白的基本概念G蛋白是一类广泛存在于细胞膜内外的蛋白质，参与调控细胞内外的多种生物功能。
研究发现，G蛋白分为Gq、Gi/Go和Gs三大类，在靶细胞内产生不同的生物学效应。
G蛋白作为细胞膜内的受体，可以感知外界的各种刺激，如荷尔蒙、神经递质、细胞因子等，促使蛋白质发生构象变化，从而启动细胞内复杂的生化反应。
二、信号转导的基本过程信号转导是指外界刺激通过生物分子之间的互相作用，在细胞内部产生的一系列生化反应过程。
信号转导的过程一般包括：受体激活、G蛋白与受体结合、G蛋白和酶的相互作用、酶的催化活性发生变化、次级信号分子的释放和反应，最终导致细胞内的生物学效应发生改变。
三、G蛋白与信号转导的关系G蛋白在细胞生理学中的重要作用是通过信号转导作用，调节细胞内多种生化反应。
例如，在神经系统中，G蛋白参与了突触前神经递质的释放和神经元的兴奋过程；在免疫系统中，G蛋白参与了白细胞的趋化和激活反应；在内分泌系统中，G蛋白调节了多种激素和神经递质的分泌。
G蛋白与受体的相互作用是信号转导过程中的重要环节。
当外界化合物（如荷尔蒙）结合到相应的受体上时，受体发生构象变化，促使G蛋白与其结合。
结合后，G蛋白也会发生构象变化，影响其活性，继而影响下游酶的活性，最终导致生物学效应的改变。
四、G蛋白在细胞生理学中的应用G蛋白在医学领域中广泛应用于药物治疗。
例如在心血管疾病中，钙离子通道拮抗剂就是通过抑制G蛋白介导的信号转导路径，降低血管收缩压来达到治疗目的；在神经系统疾病中，抗精神分裂药物就是通过影响G蛋白介导信号转导来减轻症状。
结语总之，G蛋白与信号转导密不可分，它是细胞生理学中不可或缺的重要分子。
未来随着科学技术的不断发展，G蛋白的相关研究将更为深入，为药物治疗等应用提供更多可能性。
跨膜信号转导
1998 年 诺贝尔生理学 或 医学奖。
跨膜信号转导
跨膜信号转导
受体
Receptor
细胞膜上或细胞内能特异识别生物活性 分子并与之结合，进而引起生物学效应 的特殊蛋白质，个别的是糖脂。
The first step in the action of any intercellular chemical messenger on its target cell is the binding of the messenger to specific target cell protein molecules These molecules are known as receptors.
react with only one type or a limited number of structurally related types of molecules.
信号转导：指细胞外信号转换成细胞内 信使的过程。
信号转导涉及：胞外信号分子、受体、 胞内第二信使、胞内效应酶
跨膜信号转导
跨膜信号转导
跨膜信号转导
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
跨膜信号转导
第一信使（first messenger ）
第一信使：所有通过细胞外液作用于细 胞的信号物质均可称为第一信使（如激 素和神经递质） 。
跨膜信号转导
Louis J. Ignarro与Furchgott合作
加州大学洛杉矶分校的Louis J. Ignarro 教授与Furchgott教授合作，针对EDRF 的药理作用以及化学本质进行了一系列 实验，发现EDRF与一氧化氮及许多亚硝 基化合物一样能够激活可溶性鸟苷酸环 化酶(soluble guanylate cyclase, sGC)、增 加组织中的cGMP水平。
g蛋白在跨膜信号转导过程中意义
g蛋白在跨膜信号转导过程中意义G蛋白是一种重要的信号转导分子，可用于将外部信号传递到细胞内部并触发特定的细胞反应。
该分子的发现极大地推动了跨膜信号转导的研究进展，并且在医学、生物化学和分子生物学等领域都有非常广泛的应用。
接下来，我们将探讨G蛋白在跨膜信号转导过程中的重要性。
首先，G蛋白作为一种重要的信号转导分子，扮演着快速且精确触发细胞反应的关键角色。
在多种生物过程中，例如细胞分化、细胞增殖、代谢调节、神经传递和免疫应答等，G蛋白都能接受外界信号并通过其所携带的GTP酶活性激发内部酶反应，从而使目标细胞实现一系列功能。
因此，研究G蛋白在细胞自身的调节机制中的作用，可以促进我们理解细胞信号传导及相应的生物学事件。
其次， G蛋白参与多种疾病的发生和发展过程。
G蛋白的变异与许多常见疾病有关，例如贫血、肥胖症和癌症等。
研究表明，这些变异可以导致G蛋白的功能受到限制，进而影响到细胞的信号传递，从而导致疾病。
例如，某些乳腺癌病患在其细胞膜上表达了过多的G蛋白，这导致细胞周期加速且不受控制，从而使其癌变。
因此，探索G蛋白与疾病之间的关系，可帮助我们深入了解相关生理过程的基础，为患者的诊断和可以发现新的治疗方式提供重要的参考。
最后， G蛋白的多样性也为研究跨膜信号转导带来了挑战。
在不同种类的细胞中，G蛋白的表达和功能都有所不同。
在研究过程中，许多学者进一步把G蛋白分为不同的亚型，这些亚型具有不同的细胞表达模式、功能和动力学特性。
了解G蛋白的这一多样性，可加深我们对其功能的理解，进而更好地揭示它在跨膜信号转导中的作用。
总的来说，G蛋白在跨膜信号转导过程中具有非常重要的意义。
它们是细胞接收外部信号，并通过特定酶反应来触发一系列生物学事件的关键分子。
多年的研究表明，我们对G蛋白的理解将有望为疾病的早期诊断和治疗方案开发带来突破。
尽管研究G蛋白的复杂性和多样性仍然存在一定的挑战，但通过深入研究这一分子并探索其与细胞调节和疾病之间的联系，我们可以更好地了解生物体内的复杂化学反应并帮助患者实现更好地健康水平。
细胞信号转导进展G蛋白
GPCR Art
mAchR—A类GPCRs
• Belongs to subfamily A18 – M1 (CHRM1, ACM1) – M2 (CHRM2, ACM2) – M3 (CHRM3, ACM3) – M4 (CHRM4, ACM4) – M5 (CHRM5, ACM5)
• 代谢型离子通道
Linda B. Buck
其他G-蛋白
2．视觉感受器中的G蛋白
• 视紫红质为7次跨膜蛋白，由视蛋白和视黄醛组成。其信号途径为： 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。
G蛋白介导的信号转导
➢GPCR ➢G蛋白介导的跨膜信号转导 ➢小G蛋白
1. "The Biology of Cancer" , by Robert A. Weinberg, June 2006, (Garland Science Textbooks), 864pp. 2. "One Renegade Cell" (Science Masters) by Robert A. Weinberg, October 01, 1999, 170pp. 3. "Racing to the Beginning of the Road: The Search for the Origin of Cancer" , by: Robert A. Weinberg, May 01, 1996 (Harmony Books) 270pp. 4. "Genes and the Biology of Cancer" (Scientific American Library) by: Harold Varmus, Robert A. Weinberg, October 01, 1992, 215pp. 5. "Oncogenes and the Molecular Origins of Cancer" (Monograph Ser No. 18), March 01, 1990, Cold Spring Harbor (R.A.Weinberg, Editor) 270pp.
细胞膜的跨膜信号转导及其主要方式
细胞膜的跨膜信号转导及其主要方式细胞膜是细胞内外环境之间的重要隔离屏障，同时也是细胞与外界相互作用的关键界面。
细胞膜上存在着许多重要的蛋白质，它们能够感知外界的信号，并将这些信号转导到细胞内部，从而引发一系列细胞内的生理反应，这一过程被称为细胞膜的跨膜信号转导。
细胞膜的跨膜信号转导主要通过以下几种方式进行。
一、离子通道介导的跨膜信号转导细胞膜上存在多种离子通道，如钙离子通道、钠离子通道、钾离子通道等，它们能够感知细胞外环境的信号，例如电位变化、荷电物质浓度变化等，并将这些信号转导到细胞内部。
离子通道的开启或关闭可以导致细胞内离子浓度的变化，从而引发细胞内的生理反应。
比如钙离子通道的开启会导致细胞内钙离子浓度的增加，进而激活一系列钙信号通路，参与细胞的增殖、分化、凋亡等过程。
二、酶-受体介导的跨膜信号转导细胞膜上存在多种酶-受体，如酪氨酸激酶受体、酪氨酸激酶相关受体、酪氨酸激酶受体等，它们能够与细胞外的配体结合，激活其内在的酶活性，从而引发细胞内的生理反应。
这种跨膜信号转导的方式常见于生长因子、激素等信号分子的传递过程。
例如，胰岛素受体是一种酪氨酸激酶受体，当胰岛素结合到胰岛素受体上时，会激活胰岛素受体内在的酪氨酸激酶活性，进而引发细胞内的糖代谢等反应。
三、G蛋白偶联受体介导的跨膜信号转导G蛋白偶联受体是一类跨膜蛋白，它们能够与细胞外的信号分子结合，并通过活性的G蛋白介导信号传递到细胞内部。
当G蛋白偶联受体与配体结合时，G蛋白会从其不活性的GDP结合态转变为活性的GTP结合态，从而激活或抑制下游效应物质的活性。
G蛋白偶联受体介导的跨膜信号转导广泛参与调控细胞的生理过程，如细胞的收缩、分化、增殖等。
举个例子，肌球蛋白收缩过程中，肌纤维收缩由G蛋白偶联受体介导，通过激活蛋白激酶C和磷酸酶等下游效应物质，最终引发肌肉的收缩。
四、穿梭蛋白介导的跨膜信号转导穿梭蛋白是一类能够穿越细胞膜的蛋白质，它们能够感知细胞外的信号，并将这些信号转导到细胞内部。
G蛋白在植物细胞信号转导中的作用
G蛋白在植物细胞信号转导中的作用一、植物G蛋白的种类G蛋白是普遍存在于真核生物细胞中的一个GTP结合蛋白家族，根据其亚基组成及分子量大小，可将参与细胞信号转导的G蛋白分为异三聚体G蛋白，小G蛋白[15]。
异三聚体G蛋白在SDS电泳图上可看到α、β、γ 3 种亚基。
α亚基单体分子量为39 ～52KDa，β和γ亚基分子量为35 ～37KDa和6 ～10KDa，各种G蛋白亚基中，α亚基差别较大，β、γ亚基比较相似[16]。
根据植物G蛋白中α/β界面和β/γ界面的氨基酸残基与动物细胞中的相比是高度保守的，并且高度保守的氨基酸残基也存在于植物G蛋白α亚基的“开关”区和核甘酸结合基序中，所以认为，植物体中的α，β，γ 3 个亚基也可能组成异源异三聚体G蛋白[17-18]，小G蛋白是单体鸟苷酸结合蛋白，由一条多肽链构成，分子量较小，一般为20 ～30kDa。
根据在细胞中功能不同，小G蛋白可分为5个亚家族，包括Ras、Rho、Rad、Arf和RanRas家族在酵母和哺乳动物中调节细胞分化过程，Rho家族调控肌动蛋白重组过程和参与MAP激酶的细胞信号转导，Rad和Arf家族在膜转运过程中起着不同的重要作用，而Ran家族在核孔位置调节着蛋白和RNA分子的运输过程。
到目前为止，利用分子生物学技术已从植物细胞中分离出几十种小G蛋白基因[15]。
此外，植物中还有另外一类G蛋白，超大G蛋白（XLG）[19]，然而目前尚未有关于XLG能和常规G蛋白βγ发生相互作用的证据，因此，对植物XLG的功能研究有待深入。
二、G蛋白在细胞信号转导中的作用细胞信号转导是偶联各种胞外刺激信号(包括各种胞内、外源刺激信号)与其所引起的生理效应之间的一系列分子反应机理，包括三个阶段：(1)胞外刺激信号传递；(2)跨膜信号转换；(3)胞内信号转导。
在信号的跨膜转换过程中细胞表面的受体尤其是G蛋白偶联的受体起着重要的作用，是细胞跨膜转换信号的主要方式。
细胞的基本功能—细胞的跨膜信号转导功能(正常人体机能课件)
2.酪氨酸激酶受体
• 酪氨酸激酶受体（tyrosine kinase receptor,TKP）也称受体酪氨 酸激酶（receptor tyrosine kinase），是指受体分子的膜内侧部 分本身具有酪氨酸激酶活动的受体。
• 酪氨酸激酶受体的膜外侧部分可与胰岛素、各类生长因子等 信号分子结合，进而激活膜内侧部分的酪氨酸激酶，酪氨酸 激酶使细胞产生一系列生物化学反应，从而使细胞产生生理 效应，实现细胞信号转导。此过程不需要G 蛋白参加，没有 第二信使产生及细胞内蛋白激酶的激活。
GTP GDP
GTP
ATP cAMP
GDP GTP
5`AMP PDE
细胞内
生理效应
PKA ATP ADP
蛋白质 P
离子通道介导的跨膜信号转导
01
02
跨膜信号转导 离子通道介导的跨 膜信号转导
03
化学门控通道
1.跨膜信号转导
各种形式的信号物质作用于细胞时，大多数信号物质如神经递质、含氮激素、细胞因 子等本身并不能进入细胞内，而是与细胞膜上相应的受体结合后，通过膜的信号转导 系统，将细胞外物质所携带的信息传递到细胞内，从而引起细胞的相应功能活动的改 变，这一过程称为跨膜信号转导。
G蛋白介导的跨膜信号转导
01
G蛋白耦联受体
02
受体-G蛋白-AC途径
1.G蛋白耦联受体
• G蛋白耦联受体：G 蛋白耦联受 体也称为促代谢型受体，这类受 体与信号分子结合后通过G 蛋白 即激活GTP结合蛋白，发挥生物 学效应。
2.受体-G蛋白-AC途径
• G 蛋白耦联受体与信号分子结合后，通过激活细胞膜上的G蛋白进而激活G 蛋白效应器酶 （如腺苷酸环化酶），G蛋白效应器酶再进一步催化某些物质（如ATP、PIP２）生成具有生 物活性的小分子信号物质即第二信使（如cAMP、IP３、DG等），第二信使再通过结合蛋白 激酶或离子通道而发挥生物学效应，最终完成细胞跨膜信号转导过程。
G蛋白与跨膜信号转导课件
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。
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4
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。
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。
研究发现，植物中也存在与动物同源的G蛋白。
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2
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பைடு நூலகம்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）。
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3
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：
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5
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：
第四章G蛋白
•
内啡肽既能增强又能抑制免疫功能，T 细胞和巨噬细胞膜上内胞的延迟凋亡是组织操作的主 要原因，而该细胞的延迟凋亡与G蛋白表 达改变有关。
重要的炎症介质受体均与G蛋白偶联。 血小板活化因子的大量释放，可活化血 小板，促进多种炎症介质的级联反应。其 受体与Gq偶联。
一、G 蛋白概况
（一）G 蛋白的发现和意义
Rodbell 等在 20 世纪 70 年代发现跨 膜信号转导需要 GTP 存在。 1977年，Gilman发现了G蛋白。
1981年，Gilman纯化了G蛋白。
1994年，Gilman 和 Rodbell 获医学 和生理学诺贝尔奖。
Alfred Goodman Gilman （1941- ） 吉尔曼（Alfred G. Gilman）
第四章
G蛋白与信号转导
【目的要求】
1．掌握G蛋白、小G蛋白的概念；G蛋白基 本结构。 2．熟悉G蛋白的种类；G蛋白通过AC和PLC 的信号转导机制。
3．了解G蛋白的发现和意义；G蛋白通过某 些受体门控离子通道和cGMP-PDE的信号转 导机制；小G蛋白的特点。
G 蛋白：
是鸟苷酸结合蛋白（guanosine nucleotide-binding protein）的简称，是 指能与 GTP 或 GDP 结合，与膜受体偶联 而具有信号转导作用的蛋白质。
二、G 蛋白信号转导机制
（一）G 蛋白通过 AC 的信号转导机制 1. 信号分子结合改变受体构象； 2. 受体与 G 蛋白结合并使其激活； 3. GTP 取代 GDP，G 游离； 4. G 结合并激活 AC，产生 cAMP； 5. GTP 水解， G 与 再结合。
Gs型G蛋白的亚基通过与受体和AC 的结合和解离达到信号跨膜传递的介导和 终止，GDP与GTP的互变起触媒作用。
细胞的跨膜信号转导
细胞的跨膜信号转导1、跨膜信号转导或跨膜信号传递的共性各种外界信号（物理、生物、化学等信号）J膜蛋白构型变化J信号传递到膜内J靶细胞功能变化（如电变化）2、跨膜信号转导的方式有3种：①离子通道介导②G蛋白耦联介导③酶耦联受体介导3、受体定义：能与激素、神经递质、药物或细胞内的信号分子结合并引起其功能的改变的生物大分子分类：部位——胞膜、胞浆、胞核受体配基——胆碱能、肾上腺素能、多巴胺能受体结构——离子通道、G蛋白、酶、转录调控受体特征: ①高度特异性②饱和性③竞争抑制④亲和力⑤可逆性⑥高效性功能：①识别与结合②传递信息一、由离子通道介导的跨膜信号传导（一）、化学门控通道——配体门控通道定义：当膜外特定的化学信号（配体）与膜上的受体结合后通道就开放，因而称为化学门控通道或配体门控通道，也称为通道型受体分布：神经元突触后膜，肌细胞终板膜受体—化学信号结合位点- 促离子型受体转到途径：化学信号膜通道蛋白\ / 通道蛋白变构J 通道开放J离子异化扩散J完成跨膜信号传导J产生效应二）、电压门控通道 分布在除突触后膜和终板膜以外的细胞膜 三）、机械门控通道 定义：感受机械刺激引发细胞功能改变的通道结构 、由G 蛋白耦联受体介导的跨膜信号转导1、 G 蛋白耦联受体是一种与细胞内侧 G 蛋白的激活有关的独立受体蛋白质分子2、 G 蛋白是鸟苷酸结合蛋白： G 蛋白未被激活时，他与一个分子的GDP 吉合，G 蛋白的激活很短暂3、 G 蛋白效应器，：催化生成第二信使的酶和离子通道4、 蛋白激酶：丝氨酸/苏氨酸激酶可是底物蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，包括：蛋白激酶 A 、蛋白激酶 G 蛋白激酶C 5、 几条主要跨膜信号转导途径①受体 -G 蛋白 -AC 信号转导途径Gs ATP TcAMPf+ /\ + + /\配体＋受体ACPKA+ \/--\/GiATPt cAMP f②受体 -G 蛋白 - PLC 信 号转导途径PIL2 rn Gi \ Gp \DG受体IP3+IP3PLC /受体T 内质网或肌浆网释放Ga+。
试述g蛋白偶联受体介导的细胞信号转导基本模式
试述g蛋白偶联受体介导的细胞信号转导基本模式
G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptors, GPCR）是一类
广泛存在于细胞膜上的受体蛋白，它们在细胞信号转导过程中起到重要的作用。
其基本模式可分为以下几个步骤：
1. 受体激活：当外界化学物质（如激素、神经递质等）结合到细胞膜上的GPCR时，受体经历构象变化，从而使其能够与
G蛋白发生相互作用。
2. G蛋白激活：受体的激活使其能够与细胞内的G蛋白相结
合并使其发生构象变化。
一般来说，G蛋白是由α、β和γ三
个亚单位组成的复合物，其构象变化会导致α亚单位上的
GTP结合位（通常为Gα）被活化，从而释放出GTP，将Gα
与Gβγ亚单位分离。
3. 活化的Gα亚单位和Gβγ亚单位的下游效应：活化的Gα亚
单位和Gβγ亚单位分别与细胞内的下游效应蛋白（如酶、离
子通道等）相互作用。
激活的Gα亚单位可以直接调节某些酶
的活性，或者间接参与下游嵌合蛋白参与特定的信号转导通路。
4. Gα亚单位的疏松：Gα亚单位结合GTP后，其活性会逐渐
减弱，而GTP水解成GDP则使其恢复到不活跃状态。
一旦
Gα亚单位失活，它会与Gβγ亚单位重新结合形成复合物。
整个过程中的信号传导与调控主要是通过G蛋白上不同的亚
基以及细胞内的下游效应蛋白共同发挥作用。
通过这个基本模式，GPCR能够参与调节细胞内多种生理功能和病理过程。
g蛋白偶联信号转导的过程
g蛋白偶联信号转导的过程G蛋白偶联信号转导是一种重要的细胞信号传导机制，它在细胞内外信号的感知和传递中发挥着重要作用。
本文将从G蛋白的结构和功能、G蛋白偶联受体的激活、G蛋白偶联受体的信号转导以及G 蛋白偶联信号转导的生理功能等方面进行详细阐述。
一、G蛋白的结构和功能G蛋白是一类膜结合蛋白，它主要由α、β和γ三个亚基组成。
α亚基在信号传导中起到关键作用，它通过GDP和GTP的结合状态来调控其活性。
在未激活状态下，G蛋白的α亚基与GDP结合，处于不活跃状态；当受体受到外界信号的刺激时，G蛋白偶联受体发生构象变化，使得GTP取代GDP结合到α亚基上，激活G蛋白。
二、G蛋白偶联受体的激活G蛋白偶联受体是G蛋白信号转导的起始点，它包括七个跨膜结构的蛋白质，根据其结构和功能的不同可分为Gs、Gi、Gq、G12/13等不同亚型。
当外界信号分子（如激素、神经递质等）与受体结合时，受体发生构象变化，从而使得受体与G蛋白结合，激活G蛋白。
三、G蛋白偶联受体的信号转导激活的G蛋白通过与受体结合，使得α亚基上的GTP取代GDP，从而激活G蛋白。
激活的G蛋白可以进一步调节下游的效应蛋白，如腺苷酸环化酶、离子通道、蛋白激酶等，从而引发一系列的生物效应。
不同亚型的G蛋白偶联受体激活后所引发的信号通路也不尽相同，具体的信号转导通路包括Gs蛋白-腺苷酸环化酶系统、Gi蛋白-离子通道系统、Gq蛋白-磷脂酰肌醇途径等。
四、G蛋白偶联信号转导的生理功能G蛋白偶联信号转导在生理功能中发挥着重要作用。
例如，Gs蛋白的活化可以通过激活腺苷酸环化酶增加细胞内环磷酸腺苷（cAMP）的水平，从而激活蛋白激酶A（PKA）信号通路，参与细胞的代谢调节、离子通道的调控等过程。
Gi蛋白的活化则可以通过抑制腺苷酸环化酶降低cAMP的水平，从而抑制PKA信号通路的活性，参与疼痛传导、神经递质释放等过程。
Gq蛋白的活化可以通过激活磷脂酰肌醇途径增加细胞内二酰甘油（DAG）和肌醇三磷酸（IP3）的水平，从而激活蛋白激酶C（PKC）信号通路，参与细胞增殖、分化、凋亡等过程。
细胞的跨膜信号转导功能
跨膜信号转导主要涉及到：胞外信号的识别与结合、信号转导、胞内效应等三 个环节。
跨膜信号转导方式大体有以下三类： ① 离子通道介导的信号转导 ② G蛋白偶联受体介导的信号转导 ③ 酶偶联受体介导的信号转导
一、离子通道介导的信号转导
离子通道大体有：化学、电压、机械性门控通道 如：
化学性胞外信号(ACh)
ACh + 受体=复合体
终板膜变构=离子通道开放
Na+内流
终板膜电位
骨骼肌收缩
二、G蛋白偶联受体介导的信号转导 (一) cAMP信号通路
神经递质、激素等（第一信使）
结合G蛋白偶联受体
激活G蛋白
兴奋性G蛋白(GS)
激活腺苷酸环化酶(AC的蛋白激酶A
细胞内生物效应
(二) 磷脂酰肌醇信号通路
激素（第一信使）
结合G蛋白偶联受体
激活G蛋白
兴奋性G蛋白(GS)
激活磷脂酶C(PLC)
(第二信使）
PIP2
IP3 和 DG
内质网 释放Ca2+
激活 蛋白激酶
C
细胞内生物效应
三、酶偶联受体介 导的信号转导
受体本身具有酶的活性，又称受 体酪氨酸激酶。
受体与跨膜信号转导
4
受体的功能
激动剂 拮抗剂
识别和结合的功能 传递信息的功能 产生相应的生物学效应
反应
受体是细胞间跨膜信息传递的中转
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5
受体分类
药理学效应分类：AChR、DAR、NAR等 解剖学定位分类
细胞内受体： 类固醇激素和甲状腺 激素受体
膜受体 酶活性受体 配体门控离子通道受体 G蛋白偶联受体
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9
配体门控离子通道受体
N-AChR Na+/K+ NMDAR Na+ K+ Ca2+ AMPAR KAR Na+/K+ GABAAR ClGABACR Cl-
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10
包括：NAChR、GABAA、 5-HT3、甘氨酸受体
特点1：五个亚单位 组成 的复合体；
特点2：N末端有7-24 个氨基酸组成的信 号肽；N、C末端均 位于膜外；
磷酸化位点
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20
G蛋白偶联受体
M-AChR
代谢型谷氨酸 受体
GABABR 5-HT1-7受体 （除5-HT3R）
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21
G protein can open ion channels directly without employing second messengers
M-AChR
αi
Gt：Gt1与视紫质受体偶联，水解cGMP
Gt2与锥细胞视蛋白偶联激活水解cGMP的PDE
可编辑版
26
G蛋白亚型及其调节系统
G-protein subunits
• Three subunits
✓ 4 superfamilies
✓ binds GTP
G蛋白与细胞信号转导
G蛋白与细胞信号转导【摘要】本文主要阐述了G蛋白结构、偶联受体、下游效应器以及蛋白信号转导的有效途径，并且说明了在进行植物细胞信号转导的过程中，植物细胞G蛋白具有非常重要的作用。
【关键词】G蛋白偶联受体；下游效应器；信号转导G蛋白主要存在于真核生物细胞中的一个GTP结合蛋白家族，并且大多数的G蛋白都位于细胞膜上，主要由三个亚基构成，分别为α、β、γ。
其总分子量大约为100kDa。
G蛋白在结构上的特点不是很多，不具有跨膜蛋白的诸多特点，其主要固定在细胞膜的内侧，然后对位于起亚基上的氨基酸残基起到了脂化修饰作用，在这个作用下有效将G蛋白锚定在细胞膜上，与受体相邻。
G蛋白属于一种中介体，在进行生物信息转导时具有非常重要的作用，诸多的受体都能够在多种G蛋白的激烈刺激下来进行激素的传递以及进行另外一些胞外“第一信使”信息的传递，并且G蛋白能与细胞质膜的内表面有效结合并对膜上的偶联受体进行作用。
一般情况下受体主要是某种酶，这种酶也具有重要的作用，能够将已经失活的前体分子进行有效的转变，最终转变成具有有活性的“第二信使”，之后通过细胞质扩散有效将信号传递到膜外，之后就发生了诸多的分子反应【1】。
1、G蛋白偶联受体简介G蛋白偶联受体属于一类最大的细胞表面受体，对于这种受体，其进化地位比较原始，在亲缘关系很远的真核生物中能够看到它生存的身影，像我们所用到的酵母中，并且在细菌中也能够发现和G蛋白偶联受体非常相似的膜蛋白。
在细胞中存在着非常多的具有特异性的G蛋白偶联受体。
像一些识别激素，能够有效将新陈代谢的水平进行相关的改变；还有一些则在神经系统中快速的进行神经信号的传递。
到目前为止，已经发现了许多种G蛋白偶联受体，已达300种以上，这些受体在结构上都具有诸多相同的特征，其分子量在45kDa左右，由多种氨基酸组成，种类达到了400种左右，最终有效形成了7个α螺旋区段，其主要室友疏水氨基酸组成，并且能够穿透细胞膜的脂质双层，并且这种情况会重复7次。
g蛋白耦联受体介导的主要信号转导通路
g蛋白耦联受体介导的主要信号转导通路以g蛋白耦联受体介导的主要信号转导通路为标题一、引言g蛋白耦联受体（G protein-coupled receptor，GPCR）是一类广泛存在于细胞膜上的受体，通过与g蛋白发生相互作用来介导细胞外信号的传导。
g蛋白耦联受体介导的信号转导通路是细胞内外信息传递的重要途径之一，参与调控细胞的生理和病理过程。
本文将重点介绍g蛋白耦联受体介导的主要信号转导通路。
二、g蛋白耦联受体的结构与功能g蛋白耦联受体是七个跨膜结构的蛋白质，在细胞膜上形成一个通道，能够与多种信号分子结合。
当外界信号分子（如激素、神经递质等）结合到受体上时，受体会发生构象变化，从而激活细胞内的g蛋白。
三、g蛋白的类型及功能g蛋白根据其α亚单位的结构和功能被分为Gs、Gi、Gq、G12/13等亚型。
Gs亚型能够激活腺苷酸环化酶（adenylyl cyclase，AC），导致环磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）的产生增加，从而激活蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）等下游信号分子。
Gi亚型则通过抑制AC的活性来抑制cAMP的产生和PKA的活性，起到负向调控的作用。
Gq亚型则能够激活磷脂酰肌醇（phospholipase C，PLC），导致磷脂酰肌醇二磷酸（inositol trisphosphate，IP3）和二酰甘油（diacylglycerol，DAG）的产生，从而激活蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）等下游信号分子。
G12/13亚型则能够激活Rho GTPase，参与细胞的骨架重组和细胞运动等生理过程。
四、g蛋白耦联受体介导的信号转导通路1. Gs/AC/cAMP/PKA信号通路当Gs型g蛋白与g蛋白耦联受体结合后，激活的Gs型g蛋白能够与AC相互作用，激活AC的活性，导致cAMP的产生增加。
cAMP进一步激活PKA，从而调控细胞内的多个信号通路，如糖原合成、离子通道活性等。
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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）。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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）。
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。
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：
1.刺激性G蛋白（stimulately G protein, Gs）