第3节 G蛋白关联受体与G蛋白
一、G蛋白的结构与活性变化
G蛋白
Gs蛋白(stimulatory G protein) :活化后激活蛋白酶
Gi蛋白(inhibitory G protein ):活化后抑制腺苷酸环化酶
二、G蛋白在信号传递中的功能
1、调节离子通道
G蛋白可调节K+通道的开放,从而参与心率的调节。
被G蛋白激活的最常见的膜结合的酶为腺苷酸环化酶(adenylate cyclase),此酶可催化产生环形AMP(cAMP)和磷脂酶C。cAMP在细胞质中的浓度通常为≤10-7M。当细胞受到细胞外信号刺激时,cAMP的浓度会明显升高或降低,变化的幅度可达5倍之多,这一反应主要是由cAMP的快速合成和降解引起的。质膜上的腺苷酸环化酶催化ATP合成cAMP;而cAMP磷酸二脂酶的作用恰相反,它可将cAMP水解成腺苷5ˊ-磷酸(5ˊ-AMP)(图13-8)。许多细胞外信号分子主要是通过改变腺苷酸环化酶的活性来调控cAMP的含量水平。
三、胞内信号传递与第二信使
G蛋白关联受体激活的级联反应中涉及到一种或几种细胞内信号传递小分子,这些小分子称为细胞内介导物(intracellular mediators)或第二信使(second messengers)。所谓第二信使是与细胞外信号分子相对而言。上面我们介绍的G蛋白激活腺苷酸环化酶,催化产生的cAMP,即是一种细胞内介导物,起第二信使的作用。此外,象Ca2+和肌醇三磷酸(IP3)等也是胞内信号传递的介导物。其中,对cAMP 和Ca2+ 的作用研究得比较多,它们是G蛋白关联受体信号传递途径中两种主要的胞内介导物。
1、cAMP信号传递途径
(一)cAMP信号传递途径
腺苷酸环化酶的激活,引起胞内cAMP浓度的提高。cAMP浓度的提高可起不同的作用(表13-1),例如:①引起糖原降解,应付细胞对能量的急需(图13-10);②激活特定基因的转录,合成所需的新蛋白。
cAMP发挥各种效应主要是通过激活一种称为cAMP依赖蛋白质激酶(cAMP-dependent protein kinase)来实现的。该酶简称为A激酶,通常它无活性,但一旦它与cAMP结合,引起构象发生变化,而被激活。活化的A激酶催化特定的靶蛋白的丝氨酸或苏氨酸磷酸化,使靶蛋白被激活。动物细胞中普遍含有A激酶,但不同细胞中的A激酶底物有所不同,因而产生不同的作用。A激酶的重要作用是使某些基因调节蛋白磷酸化,进而激活特定的基因转录。
cAMP浓度的提高可起不同的作用:
①引起糖原降解,应付细胞对能量的急需
②激活特定基因的转录,合成所需的新蛋白
(二) 细胞内的钙信号
前面曾提到过,细胞外和内质网腔中的Ca2+浓度显著高于细胞质基质。因此,Ca2+在质膜和内质网膜的膜两侧存在着跨膜浓度梯度。膜中的Ca2+离子通道一旦被打开,细胞质基质中的Ca2+浓度会迅即升高,从而引发Ca2+反应蛋白的变化。
卵受精后启动胚胎的发育;
激起肌肉收缩;
激发分泌细胞和神经细胞分泌
细胞内Ca2+浓度的骤然提高产生许多重要的生理功能,例如卵受精后启动胚胎的发育;激起肌肉收缩;激发分泌细胞和神经细胞分泌。Ca2+的这些作用是通过影响一种Ca2+敏感蛋白来实现的,这种蛋白称为钙调蛋白(钙调素)(calmodulin)。钙调蛋白是Ca2+的受体蛋白。钙调蛋白分子是由150个氨基酸残基所组成,分子中有4个Ca2+结合位点 。
一个动物细胞约含有107个钙调蛋白分子,占总蛋白含量的1%。钙调蛋白分子结合Ca2+后,发生构象变化,可参与多种反应的调节过程。
Troponin:肌钙蛋白
Ca2+对钙调蛋白的别构激活类似于cAMP对激酶的别构激活,所不同的是,Ca2+/钙调蛋白无酶活性,它只可与别构的靶蛋白结合,改变靶蛋白的活性。靶蛋白包括酶蛋白和膜运输蛋白。例如质膜上的Ca2+-ATP酶(Ca2+泵)即是一种Ca2+靶蛋白,它与Ca2+被激活,将Ca2+泵出细胞。细胞质基质中的Ca2+浓度升高可激活Ca2+泵,使Ca2+浓度恢复常态。然而,大多数Ca2+/钙调蛋白是间接起作用的,还要通过Ca2+/钙调蛋白依赖蛋白质激酶(Ca2+/calmodulin-dependent protein kinases)才能发挥作用,后者又称为CaM激酶(CaM kinases)。CaM激酶包括有多种,组成了CaM激酶家族,它们都能是蛋白质的丝氨酸或苏氨酸磷酸化。
在神经系统中,CaM-激酶II特别丰富,某些脑部位的含量可达总蛋白量的2%,在突出中更是高度集中。CaM-激酶II是一种分子记忆物质,当被Ca2+/钙调蛋白激活后,即便是移去Ca2+,它仍可继续活动。这是因为这一激酶被Ca2+/钙调蛋白激活后,可发生自身磷酸化(autophosphorylation),也可使其它蛋白质磷酸化。因此,在Ca2+信号起动反应过程之后,只要磷酸酶活性不超过自身磷酸化活性,该激酶的活性可继续存在。由此可见,CaM-激酶II的激活,可对先前的Ca2+脉冲起到记忆踪迹(memory trace)的作用。这一现象在脊椎动物神经系统的某些记忆和学习活动中,具有重要意义。
需要说明的是,信号传递的cAMP途径与Ca2+途径之间尚存在着彼此交互作用。因为:①某些降解cAMP的酶(如cAMP磷酸二酯酶)和合成cAMP的酶(如腺苷环化酶)可受到Ca2+/钙调蛋白复合物的调节。反之,A激酶能使某些Ca2+通道和Ca2+泵磷酸化,改变其活性;②直接受Ca2+和cAMP调节的酶可相互影响,一些CaM-激酶可被A激酶磷酸化;③这些酶对分担的下游靶分子具有相互作用的效能。因此A激酶和CaM-激酶往往可分别使同一种蛋白质的不同位点发生磷酸化。
(三)肌醇磷脂信号传递途径
在质膜脂双层的内层中的肌醇磷脂(inositol phospholipid),有磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol,PI)的2个磷酸化衍生物,即PI-磷酸(PI-phosphate,PIP)和PI-二磷酸(PI-biphosphate,PIP2)(图13-13)。信号分子与质膜上的G蛋白关联受体结合后,PIP2发生降解。大约有25中表面受体利用这一传递途径(表13-2)。激活的受体又激活一种称为Gq的专一三体G蛋白,后者再激活一种称为磷脂酶C-β的磷酸肌醇专一磷脂酶C(phosphoinositide-specific phospholipase C)。在1秒钟以内,激活的磷脂酶C-β将PIP2切成两种产物,即肌醇三磷酸(inositol triphosphate)和二脂酰甘油(diaxylglycerol)(图13-14),自此信号传递途经即分成两支。肌醇三磷酸是PIP2水解后产生的水溶性小分子离开质膜,在细胞质基质中迅速扩散,结合到内质网膜上的IP3门Ca2+释放通道(IP3-gated Ca2+-release channels),引起释放Ca2+(图13-15)。Ca2+又反馈结合到释放通道上,更加强化了Ca2+的释放。有两种机制可使Ca2+终止起始反应:①专一磷酸酶使IP3迅速去磷酸化而失活;②进入细胞质基质中的Ca2+被迅速泵出细胞外。
IP3主要的作用是提高细胞质溶质中的Ca2+浓度,而二脂酰甘油则是激活蛋白质激酶C(protein kinase C)(又称C-激酶或PKC)。C-激酶是Ca2+依赖性的,故名。IP3诱发细胞质溶质的Ca2+浓度升高,引起C-激酶发生改变,C-激酶便由细胞质溶质转移到质膜的细胞质面。在Ca2+、二脂酰甘油和带负电荷的膜磷脂(磷脂酰丝氨酸)的共同作用下,C-激酶被激活。
C-激酶激活时,根据细胞的类型使靶蛋白的专一丝氨酸或苏氨酸磷酸化,从而将靶蛋白激活。C-激酶的激活可通过两条途径促进基因转录:一条是,C-激酶激活一条蛋白质激酶级联反应链,使可与DNA结合的基因调节蛋白磷酸化而被激活;另一条是,C-激酶的激活是一种抑制蛋白(inhibitor protein)磷酸化,使原先在细胞质溶质中与抑制蛋白结合的基因调节蛋白被释放出,随之进入细胞核,刺激专一基因转录。