G蛋白偶联受体及其信号转导

结构

由β2肾上腺素所激活的G蛋白偶联受体与G_s蛋白复合体的晶体结构（PDB 3SN6）。红色部分显示的是受体，绿色的是G_α亚基，青色的是G_β亚基，而黄色的是G_γ亚基。可以看到G_α亚基的C端处于一个由第五和第六跨膜螺旋之间的膜内环向外移动所产生的空穴之中。

受体结构

G蛋白偶联受体均是膜内在蛋白（Integral membrane protein），每个受体内包含七个α螺旋组成的跨膜结构域，这些结构域将受体分割为膜外N端（N-terminus），膜内C端（C-terminus），3个膜外环（Loop）和3个膜内环。受体的膜外部分经常带有糖基化修饰。膜外环上包含有两个高度保守的半胱氨酸残基，它们可以通过形成二硫键稳定受体的空间结构。有些光敏感通道蛋白（Channelrhodopsin）和G蛋白偶联受体有着相似的结构，也包含有七个跨膜螺旋，但同时也包含有一个跨膜的通道可供离子通过。

与G蛋白偶联受体相似，PAQR家族蛋白（包括两种脂联素受体ADIPOR1和2）也包含七个跨膜域，但是它们以相反的方向跨于膜上（即N端在膜内而C端在膜外），并且它们也不与G蛋白相互作用。

构象变化

在静息状态下，G蛋白偶联受体在膜上与由G_α、G_β和G_γ三个亚基组成的异三聚体G蛋白结合形成复合物。其中G_α亚基上结合有GDP分子。当有配体结合到受体上时会引起后者的构象发生变化，变成具有鸟苷酸交换因子活性的“激活构象”。激活的受体会催化G_α亚基捕获GTP分子来交换其上结合着的GDP。GTP与G_α亚基的结合会使受体与G蛋白的复合物解离，受体、GTP-G_α和G_β-G_γ二聚体三者相互分开。其中后两者可以进一步与其它蛋白相互作用从而使信号继续传递下去,而自由的受体可以重新结合上一个新的G蛋白来开始下一轮信号转导过程。

类型与效应器

受体-效应器表

Gα类型	效应器	第二信使	受体
Gsα	腺苷酸环化酶	cAMP↑	β肾上腺素受体、胰高血糖素受体
Giα	腺苷酸环化酶	cAMP↓	α2肾上腺素受体
	K+通道（Gβγ激活）	超极化（IK-ACh）	M型乙酰胆碱受体（心房肌等）
Golfα	腺苷酸环化酶	cAMP↑	鼻腔嗅觉受体
Gqα	磷脂酶C	IP3、DAG↑	α1肾上腺素受体
Goα	磷脂酶C	IP3、DAG↑	M型乙酰胆碱受体（内皮细胞）
Gtα	cGMP磷酸二酯酶	cGMA↓	视杆细胞视紫红质

激活离子通道的G蛋白偶联受体

心肌M型Ach受体：通过G_βγ激活

注意，此图片将误将G_iα写成G_sα，但描述较清晰，故使用此图片

在心肌细胞中，M型毒蕈碱乙酰胆碱受体（主要为M₂亚型）是G蛋白偶联受体（GPCR），其激活能通过G_βγ亚基直接调控钾通道，参与调节心率。

信号通路

1. 迷走神经释放乙酰胆碱（ACh）作用于心肌细胞膜上的M₂型乙酰胆碱受体。

2. 受体激活后 G_αi亚基结合GTP并解离，G_βγ亚基游离并作用于效应器。

G_βγ激活钾通道

1. G_βγ亚基直接激活G蛋白调控的内向整流钾通道（GIRK，又称I_K-ACh）。

2. GIRK通道开放，K⁺外流增加，细胞膜超极化。

3. 导致：减缓动作电位的起始；减慢窦房结自律性；降低心率（负性变时作用）。

视杆细胞G_t诱发cGMP-门控阳离子通道关闭

视杆细胞G_t诱发cGMP-门控阳离子通道关闭机制

视杆细胞通过高效的G蛋白信号转导机制，将光信号转化为电信号。其核心过程依赖光激活视紫红质，继而激活G_t（transducin）蛋白，进而降低胞内cGMP浓度，关闭cGMP门控的阳离子通道，导致膜超极化，启动视觉信号传递。

组成

• GPCR-G_t复合体：黑暗状态下，视紫红质与G_tα(GDP) 和 G_tβγ亚基结合，形成静息状态的信号复合物。
• cGMP磷酸二酯酶（PDE）：处于失活态，含γ亚基抑制其活性。
• cGMP门控阳离子通道（CNG通道）：允许Na⁺和Ca²⁺内流，使细胞膜处于轻度去极化状态。
• 鸟苷酸环化酶（GC）：合成cGMP，维持CNG通道开放所需的cGMP水平。

信号转导

1. 光照 → 激活视紫红质（Rhodopsin）；
2. 激活的视紫红质促进G_tα从GDP换为GTP，形成G_tα(GTP)，并与G_tβγ解离；
3. G_tα(GTP)结合并抑制PDE的γ亚基 → 激活PDE；
4. PDE催化cGMP → 5'-GMP，胞内cGMP浓度迅速下降；
5. cGMP门控通道关闭 → Na⁺与Ca²⁺内流停止；
6. K⁺外流持续 → 膜超极化；
7. 超极化抑制谷氨酸释放 → 信号传递至双极细胞。

调控机制

• RGS（G蛋白信号调节蛋白）促进G_tα(GTP)的GTP水解为GDP；
• 终止G_tα活性，促进其与G_βγ重新结合 → 关闭信号；

激活或抑制腺苷酸环化酶的G蛋白偶联受体

信号转导

R_s→G_s→AC↑→cAMP↑→PKA激活；R_i→G_i→AC↓→cAMP↓→PKA抑制

腺苷酸环化酶（AC）

以Mg²⁺为辅基催化 ATP → 3',5'-cAMP + PPi，受G_s激活，上调胞内cAMP水平

蛋白激酶A（PKA）

PKA的激活和失活机制

结构与激活

• PKA脱辅酶在非活性状态下以四聚体的形式存在，由两个调节亚基 (R) 和两个催化亚基 (C) 组成。
  • 催化亚基包含活性位点、结合并水解ATP的典型残基，以及一个与调节亚基结合的结构域，是典型的Ser/Thr激酶。
  • 调节亚基包含与环磷酸腺苷（cAMP）结合的结构域、一个与催化亚基相互作用的结构域和一个自身抑制结构域。调节亚基主要有两种形式：RI和RII。

• 每个 PKA 的调节亚基可结合两个 cAMP 分子（分别位于 CNB-B 和 CNB-A 位点），引发调节亚基构象改变，使其移出活性位点，导致 R₂C₂ 四聚体解离，并释放出两个 活化的催化亚基。
• 这些游离的催化亚基将进一步与靶蛋白结合，在特定氨基酸序列（如 Arg-Arg-X-Ser/Thr）上进行 丝氨酸/苏氨酸磷酸化。
• 此外，催化亚基的活性还受其他机制调节，例如被称为 PKI 的 热稳定伪底物抑制蛋白 抑制。

失活机制

• PKA 的负反馈调控主要通过其底物之一的 磷酸二酯酶 (PDE) 实现。PDE 能将 cAMP 水解为 AMP，快速降低胞内 cAMP 水平，从而降低 PKA 活性。
• 此外，PKA 还可通过自身磷酸化或被其他激酶如 PDK1 磷酸化来进行调节。因此，PKA 的活性由 cAMP 浓度与磷酸化状态共同调控。

cAMP-PKA对肝细胞和肌细胞糖原代谢的调节

通路激活流程

1. 激素（肝细胞受肾上腺素、胰高血糖素调控，肌细胞仅受肾上腺素调控）结合G_s-耦合的GPCR。

2. G_sα亚基激活腺苷酸环化酶（AC），生成cAMP。

3. cAMP激活PKA：cAMP与PKA调节亚基结合，释放出催化亚基。

4. 活化的PKA进入细胞质，开始磷酸化底物蛋白。

PKA在肝细胞的效应

1. 促进糖原分解

• PKA 磷酸化激活 糖原磷酸化酶激酶（GPK），GPK 进一步磷酸化激活 糖原磷酸化酶 (GP)
• 活化的糖原磷酸化酶降解糖原为葡萄糖-1-磷酸，最终通过葡萄糖-6-磷酸酶产生自由葡萄糖释放入血

2. 抑制糖原合成

• PKA 直接磷酸化抑制 糖原合酶（GS），降低糖原合成速率

3. 促进糖异生，抑制糖酵解

• PKA 磷酸化 磷酸果糖激酶-2（PFK-2，PFKFB1 同工酶），激活其磷酸酶活性，降低果糖2,6-双磷酸水平，抑制糖酵解，促进糖异生
• PKA 磷酸化抑制 丙酮酸激酶，减少糖酵解末端反应

PKA在肌细胞的效应

1. 促进糖原分解，抑制糖原合成

• 同肝细胞机制：但不表达 葡萄糖-6-磷酸酶，糖原分解产生的G6P直接进入糖酵解

2. 促进糖酵解（心肌中）

• PKA 磷酸化PFK-2（PFKFB2 同工酶），激活其激酶活性，增加果糖2,6-双磷酸水平，激活糖酵解通路

负调控机制

• cAMP↑→ PKA激活 → 磷酸化激活 磷蛋白磷酸酶抑制蛋白（IP）→ 结合并抑制 蛋白磷酸酶（PP）→ 阻止去磷酸化
• cAMP↓→ PKA失活 → IP去磷酸化，从PP解离 → PP激活 → 去磷酸化失活GPK、GP，激活GS

靶酶	磷酸化后状态	影响
糖原合酶（Glycogen synthase）	抑制	抑制糖原合成
磷酸化酶激酶（Phosphorylase kinase）	激活	激活糖原磷酸化酶 → 启动糖原分解
糖原磷酸化酶（Glycogen phosphorylase）	激活（间接）	糖原分解为葡萄糖-1-磷酸
PFK-2（肝 PFKFB1）	激活FBPase-2（磷酸酶活性）	降低果糖2,6-双磷酸 → 抑制糖酵解，促进糖异生
PFK-2（心肌 PFKFB2）	激活PFK-2（激酶活性）	增加果糖2,6-双磷酸 → 促进糖酵解
丙酮酸激酶（Pyruvate kinase）	抑制	减少糖酵解终产物生成

cAMP-PKA对基因表达的调控

CREB（上）是一种能够结合DNA（下）并调节基因表达的转录因子。

cAMP-PKA信号通路不仅在代谢调节中发挥作用，还能通过转录因子CREB（cAMP response element-binding protein）调控特定基因的表达。这一过程是细胞对外界刺激产生中长期应答的重要机制。

CREB介导的转录激活机制

1. PKA 磷酸化CREB蛋白的Ser133位点，被激活。

2. 被磷酸化的CREB结合DNA上的cAMP反应元件（CRE）。

3. 磷酸化的CREB招募共激活因子CBP（CREB-binding protein）或p300。

4. CBP/p300具有组蛋白乙酰转移酶（HAT）活性，可将组蛋白乙酰化 → 打开染色质结构。

5. 招募RNA聚合酶II及转录复合物，启动靶基因转录。

调控基团及生理意义

• 受 CREB ​​调控的基因包括：c-fos、BDNF、酪氨酸羟化酶、多种神经肽（如生长抑素、脑啡肽、VGF、促皮质素释放激素）以及与哺乳动物昼夜节律有关的基因（PER1、PER2）
• 神经系统：参与学习、记忆、突触可塑性（例如BDNF的表达调节）
• 内分泌系统：调控激素的合成与释放（如促肾上腺皮质激素）
• 代谢适应：长期调节代谢相关酶或转运蛋白的表达，如葡萄糖转运体GLUT4

负调控机制

• 磷酸酶（如PP1）：cAMP↓→ PKA失活 → IP去磷酸化，从PP解离 → PP激活 → 去磷酸化失活CREB
• CREB竞争抑制蛋白（如ICER）可与CRE竞争结合CRE位点，但不激活转录

cAMP-PKA信号通路调控总结

cAMP-PKA信号通路调控总结表

细胞类型	器官/系统	刺激因子 （配体 → Gs-耦合GPCR 或 PDE抑制剂）	抑制因子 （配体 → Gi-耦合GPCR 或 PDE激动剂）	效应
脂肪细胞（adipocyte）		肾上腺素 → β-肾上腺素能受体 胰高血糖素 → 胰高血糖素受体		增强脂解 刺激脂肪酶
骨骼肌细胞（skeletal myocyte）	肌肉系统	肾上腺素 → β-肾上腺素能受体		生成葡萄糖 刺激糖原分解 通过磷酸化酶激酶磷酸化糖原磷酸化酶（激活） 磷酸化乙酰辅酶A羧化酶（抑制其活性） 抑制糖原合成 磷酸化糖原合酶（抑制） 刺激糖酵解 磷酸化磷酸果糖激酶2（仅心肌细胞中激活）
心肌细胞（cardiac myocyte）	心血管系统	肾上腺素 → β-肾上腺素能受体		促进Ca2+在肌浆网中隔离 磷酸化磷酸调节蛋白（phospholamban）
平滑肌细胞（smooth myocyte）	心血管系统	β₂肾上腺素能激动剂 → β₂肾上腺素能受体 组胺 → H₂组胺受体 前列环素 → 前列环素受体 前列腺素D₂ → PGD₂受体 前列腺素E₂ → PGE₂受体 肠促胰液肽（VIP） → VIP受体 L-精氨酸 → 咪唑啉受体及α₂肾上腺素能受体？（Gi-耦合）	毒蕈碱类激动剂，如乙酰胆碱 → M₂型毒蕈碱受体 神经肽Y（NPY） → NPY受体	有助于血管扩张（通过磷酸化并失活肌球蛋白轻链激酶）
肝细胞（hepatocyte）	肝脏	肾上腺素 → β-肾上腺素能受体 胰高血糖素 → 胰高血糖素受体		生成葡萄糖 刺激糖原分解 磷酸化糖原磷酸化酶（激活） 磷酸化乙酰辅酶A羧化酶（抑制） 抑制糖原合成 磷酸化糖原合酶（抑制） 刺激糖异生 磷酸化果糖2,6-双磷酸酶（激活） 抑制糖酵解 磷酸化磷酸果糖激酶2（失活） 磷酸化果糖2,6-双磷酸酶（激活） 磷酸化丙酮酸激酶（抑制）
伏隔核神经元	神经系统	多巴胺 → 多巴胺受体		激活奖赏系统
肾主细胞（principal cell）	肾脏	抗利尿激素 → V₂受体 茶碱（PDE抑制剂）		水通道蛋白2（AQP2）向顶膜的胞吐 AQP2 合成 AQP2 磷酸化（激活）
髓袢粗升支细胞	肾脏	抗利尿激素 → V₂受体		刺激Na-K-2Cl同向转运体（可能作用较小）
皮质集合管细胞	肾脏	抗利尿激素 → V₂受体		刺激上皮钠通道（可能作用较小）
内髓集合管细胞	肾脏	抗利尿激素 → V₂受体		刺激尿素转运体1 尿素转运体1的胞吐
近曲小管细胞	肾脏	甲状旁腺激素（PTH） → PTH受体1		抑制NHE3 → 减少H⁺分泌
球旁细胞（juxtaglomerular cell）	肾脏	肾上腺素能激动剂 → β-受体 激动剂 → α₂受体 多巴胺 → 多巴胺受体 胰高血糖素 → 胰高血糖素受体		分泌肾素

激活磷脂酶C和以IP₃/DAG作为双信使的信号通路

磷脂酶C（PLC）

PLC介导PIP₂裂解为DAG和IP₃

PLC催化的详细反应过程

磷脂酶C（PLC）是一类与膜相关的酶，能够在磷酸基团之前切割磷脂。磷脂酶C在信号转导中的作用，是将磷脂酰肌醇4,5-二磷酸（PIP₂）裂解为甘油二酯（DAG）和肌醇1,4,5-三磷酸（IP₃），它们作为第二信使发挥作用。不同类型的PLC激活因子有所差异，但通常包括异源三聚体G蛋白亚基、蛋白酪氨酸激酶、小G蛋白、Ca²⁺以及磷脂。

PLC有多个同工酶亚型，其中最常见的是：

• PLC-β类：由G_q-耦合受体激活；
• PLC-γ类：由酪氨酸激酶受体（如EGFR）磷酸化激活。

酶的结构

在哺乳动物中，所有PLC共享一个保守的核心结构。该核心酶结构包括一个分裂型的三碳糖异构酶（TIM）桶、一个pleckstrin同源结构域（PH结构域）、四个串联的EF手结构域，以及一个C2结构域。

TIM桶结构中包含了活性位点、所有催化残基以及一个Ca²⁺结合位点。该结构中还含有一个称为X-Y连接子的自抑制性插入序列，会中断其活性。研究表明，X-Y连接子可阻挡活性位点，当其被移除后，PLC即可被激活。

催化机制

在动物中，PLC选择性地催化 磷脂酰肌醇4,5-二磷酸（PIP₂）在磷酸二酯键的甘油侧进行水解。该反应首先形成一个与酶弱结合的中间产物——肌醇1,2-环磷酸二酯，并释放出 甘油二酯（DAG）。随后，该中间产物被进一步水解生成 肌醇1,4,5-三磷酸（IP₃）。因此，该反应的两个最终产物是DAG和IP₃。

该酸碱催化过程依赖于两个保守的组氨酸残基，并且PIP₂的水解需要Ca²⁺离子的参与。研究表明，活性位点中的Ca²⁺会与四个酸性残基配位。如果这些残基中的任何一个发生突变，则催化所需的Ca²⁺浓度会显著升高。

• IP₃（肌醇1,4,5-三磷酸）：水溶性，扩散进入胞质中；
• DAG（甘油二酯）：疏水性，留在质膜中。

信号转导

1. 信号分子（如乙酰胆碱、血管加压素）结合G_q-偶联受体；

2. G_qα结合GTP → 激活PLC-β；

3. PLC-β水解PIP₂ → 生成IP₃和DAG；

4. 二者分别启动后续钙信号和PKC信号通路。

PLC的激活与抑制机制总结表

类别	激活/抑制因子	描述
激活因子（主要通过Gαq）	5-HT2 血清素受体	G蛋白偶联受体，涉及神经调节
	α1 肾上腺素能受体	促进血管收缩和细胞信号转导
	降钙素受体	参与钙离子稳态调节
	H1 组胺受体	与过敏反应相关
	I组代谢型谷氨酸受体	中枢神经系统信号传导
	M1、M3 和 M5 毒蕈碱型受体	参与多种胆碱能信号传递
	促甲状腺激素释放激素（TRH）受体	位于垂体前叶，调控激素释放
	MAP激酶通路	受PDGF和FGF激活，参与细胞增殖
激活因子（次要）	G蛋白βγ复合体	如在生长激素释放激素作用下促进生长激素分泌
	大麻素受体	在神经系统和免疫系统中起调节作用
	PDGF/FGF介导的MAPK通路	与细胞生长和分化相关
抑制因子	U73122	氨基类甾体，推定为PLC抑制剂，但其特异性存疑，亦有激活纯化PLC的报告
	Edelfosine（ET-18-OCH3）	类脂抗癌剂，作用于膜结构
	X-Y连接子自抑制	含大量酸性氨基酸，形成负电荷密集区，被膜排斥后移除自身抑制
	含morpholinobenzoic acid骨架的化合物	一类药物样PLC抑制剂，选择性针对磷脂酰胆碱特异性PLC
	邻菲咯啉（o-phenanthroline）	杂环有机化合物，抑制锌金属酶
	EDTA	金属离子螯合剂，结合Zn2+失活PLC，广泛抑制锌金属酶

IP₃-Ca²⁺-CaM信号通路

IP₃-Ca²⁺信号通路是细胞内重要的钙离子（Ca²⁺）动员机制，广泛参与细胞分泌、收缩、代谢、增殖及基因表达等生理过程。该通路以肌醇1,4,5-三磷酸（IP₃）为第二信使，诱导内质网释放储存的Ca²⁺。

信号激活流程

1. 胞膜受体（如G_q-耦合的GPCR或酪氨酸激酶受体）被配体激活；

2. 激活的受体促使磷脂酶C（PLC）水解PIP₂，生成IP₃和DAG；IP₃为水溶性信使，迅速扩散至细胞质；

3. IP₃与内质网或肌质网膜上的IP₃受体（IP₃R）结合；

4. 受体构象改变，Ca²⁺通道开放；内质网储存的Ca²⁺被动释放入胞质；

5. 胞质游离Ca²⁺浓度升高，激活多种Ca²⁺-依赖蛋白或酶（如钙调素、蛋白激酶、肌动蛋白等）。

Ca²⁺的双向调控：钙火花

Ca²⁺在细胞内不仅作为信号激活因子，也能通过负反馈方式调控自身释放，形成“钙火花（calcium sparks）”现象。

• 钙火花是由单个或少数Ca²⁺释放单位（如IP₃受体簇或雷诺定受体）在短时间内诱发的局部、高浓度Ca²⁺释放事件；
• 在正反馈作用下，小量Ca²⁺可促进更多Ca²⁺通道开放（钙诱导钙释放，CICR）；
• 同时，负反馈机制（如受体钙依赖失活，钙通道失活）可防止Ca²⁺释放过度，迅速降低胞内Ca²⁺浓度，形成火花状释放。

钙调蛋白（CaM）

这张图展示了钙调蛋白的构象变化。左图为不含钙的钙调蛋白，右图为含钙的钙调蛋白。红色星号表示与靶蛋白结合的位点。

钙调蛋白（Calmodulin, CaM）是一种小型、高度保守的Ca²⁺结合蛋白，在真核细胞中广泛表达，是细胞Ca²⁺信号转导的核心中介。CaM由148个氨基酸组成，分子量约16.7 kDa，具有出色的结构柔性与多功能识别能力。

1. 分子结构特征

• CaM由两个对称的球状结构域组成：N端结构域和C端结构域，两者之间由一段柔性的连接肽链连接；
• 每个结构域都包含两个EF-hand结构域，共有四个Ca²⁺结合位点；
• 在Ca²⁺未结合状态下，EF-hand呈紧凑折叠状态，连接区无规则；
• 当Ca²⁺结合时，EF-hand结构张开成近乎垂直构象，连接区在晶体中可呈α螺旋，增强对靶蛋白的识别；
• C端结构域对Ca²⁺的亲和力高于N端。

CaM的结构与肌钙蛋白C（Troponin C）相似，后者也具有4个EF-hand，但含有一个额外的N端α螺旋，且恒定结合其靶蛋白（肌钙蛋白I），识别靶标的多样性较低。

2. 功能与识别机制

• CaM的突出特点是其结构柔性，可适应并识别种类繁多的靶蛋白（已鉴定超300种）；
• Ca²⁺结合引起N端与C端开放，暴露疏水结合面；
• CaM通过这些疏水表面识别靶蛋白中的疏水氨基酸序列，通常这些序列被10–16个极性或碱性残基间隔；
• 中央柔性连接肽允许CaM 包裹其靶蛋白，实现多种结合模式；
• 典型靶蛋白如肌球蛋白轻链激酶（MLCK）和CaM依赖性激酶（CaMKII）仅在Ca²⁺结合CaM后结合；
• 部分靶蛋白（如Na_V钠通道、IQ基序蛋白）则可与未结合Ca²⁺的CaM结合。

CaM与靶蛋白结合过程中常发生协同构象变化（mutually induced fit），改变靶蛋白功能或活性。

3. Ca²⁺结合的协同性与变构调控

• CaM尽管是单链蛋白，但其四个位点展现出高度协同的Ca²⁺结合特性；
• 与靶蛋白结合会反过来影响CaM对Ca²⁺的亲和力，实现Ca²⁺与靶结合的变构互作（allosteric interplay）；
• 这种机制可使CaM常年结合某些靶标（如小电导Ca²⁺激活钾通道SK）而仍具Ca²⁺调控性。

活化的Ca²⁺-CaM复合体可激活多种靶蛋白，包括：

• CaM依赖性蛋白激酶（CaMK）：调控基因表达、代谢与突触功能；
• CaM依赖性磷酸酶（如calcineurin）：调控T细胞活化和NFAT信号；
• 一氧化氮合酶（NOS）：合成NO并参与血管舒张与神经调控；
• 肌球蛋白轻链激酶（MLCK）：参与平滑肌收缩。

生理功能

• 神经元：调控神经递质释放与突触可塑性；
• 肌细胞：调节平滑肌收缩；
• 肝细胞：调节糖异生与分泌活动；
• 胰腺β细胞：促进胰岛素释放；
• 免疫细胞：促进细胞活化和分化。