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 nucl

eotide-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。　

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。　　　

　　

吉尔曼（ Alfred G. Gilman ）1941.7.1~

德克萨斯大学西南医学中心药学系

　

　发现 G 蛋白的意义：

　　　它揭示了细胞外信号如何转换为细胞内信号的真正机制，从而开辟了细胞信号跨膜转导研究的新时代。

　

　 G 蛋白：

　　　与细胞膜受体偶联的 G 蛋白由 3 个不同的亚基组成，又称为异三聚体 G 蛋白。

　小 G 蛋白：

　　　分散在细胞内有类似 G 蛋白作用的单体蛋白，因分子量小而得名。如 ras 表达产物。

　（二） G 蛋白基本结构

　　　位于细胞膜的胞浆侧。

　

　　 G 蛋白由三个亚基组成：

　　 G ： 39~46kD ， 20 多种，有 GTP 或GDP 结合位点、 GTP 酶活性、 ADP 核糖基化位点、毒素修饰位点及受体和效应器结合位点等。

　　 G ： 36kD ， 6 种。

　　 G ： 7~8kD ， 10 多种。 　　　　

　　 G 蛋白有两种构象形式：

　　活化型： G 与 GTP 结合，与 G 分离。

　　非活化型： G 与 GDP 结合，与 G 结合成三聚体。 　　　　

　　

活化型非活化型

　（三） G 蛋白的种类

　 1. 　 Gs 型 G 蛋白

　　　激活 AC ，激活钙通道，抑制钠通道。

　 2. 　 Gi 型 G 蛋白

　　　抑制 AC ，抑制钙通道，活化钾通道、PLC 和 PLA2 。 　

　

　　　　

Gs 型与 Gi 型 G 蛋白的作用

　

　　　　

　　 3. 　 Gt 型 G 蛋白　　　分布在视网膜的感光细胞，与视紫红

质结合，激活 cGMP-PDE ，传递光反应冲动。

　　

　　　　

　　 4. Gg 、 Go 及 Gq 型 G 蛋白

　　　 Gg 是味蕾组织中的一种 G 蛋白，与味觉的信号转导有关。

　　　 Go 存在于脑组织中，能调节磷脂代谢，可能与肌醇磷酸信号转导有关。

　　　 Gq 与磷脂代谢有关，其活性不受细胞毒素的修饰。

　　 5. G 蛋白的 βγ 亚基

　　　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 蛋白偶联受体在乙酰胆碱刺激下，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。

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 A

C 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。

　　　实验一、用非水解 GTP 类似物 GM

P-P(NH2)P 代替 GTP 。

　　　

　　实验二、霍乱毒素（ cholera toxin ）实验　

　　　霍乱毒素能催化 ADP 核糖基共价结合到 Gs 的亚基上，致使亚基丧失 GTP

酶的活性，使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。

　

Gs

NAD+

ADP-ribosylation

Nicotinamide

22-kD subunit of cholera toxin 腺苷

腺苷

　　　百日咳毒素（ Pertussis toxin ）作用　

　　　百日咳毒素能催化 Gi 发生 ADP 核糖基化，致使亚基的 GTP 与 GDP交换抑制，使亚基处于持续非活化状态，因此不能抑制 AC ，使 cAMP浓度升高。导致患儿阵发性痉挛性咳嗽，即百日咳 (wh

ooping cough) 。

　（二） G 蛋白通过某些受体门控离子通道的信号转导机制

　　　

　　　　　　　

G 蛋白

神经递质

受体

AC cAMP PKA

离子通道

　　　　

receptor G protein

Subunit breaks away, binds with ion channel and opens it

Receptor activates G protein

Molecule of transmitter substance binds with receptor

Ions enter cell, produce postsynaptic potential

　　　　

To nucleus or other parts of cell

subunit breaks away, activates enzyme, which produces second messenger

Ion channel opens

Molecule of transmitter substance binds with receptor

Ions enter cell, produce postsynaptic potentialG protein

Receptor activates G protein

　例：

　迷走神经兴奋→ Ach → M 受体→ G

→ K ＋通道开放→ 膜超极化

　 　　　

　（三） G 蛋白通过 PLC 的信号转导机制

　　　 G 蛋白激活 PLC ， PLC 催化膜磷脂 PIP2 产生 IP3 和 DAG 两种第二信使，再分别调节细胞中 Ca2＋ 的浓度和 PKC 的活性。　　　　

　　

钙通道

　（四） G 蛋白通过 cGMP-PDE 的信号转导机制

　　　发生在视网膜上。

　　　　Gt光刺激 视紫红质

PDEcGMP 5-GMP

　　

　　　　通过激活 GTP 酶活性中止 G 蛋白信号的机制：

　　　 1. 　磷脂酶

G 蛋白 磷脂酶 C磷脂酶 A2

第二信使

GTP 酶

　　　 2. 　 G 蛋白信号调节因子（ regulato

r of G-protein signaling ， RGS ）

　　 RGS 能在 Mg2＋的存在下，激活 G 蛋白的 GTP 酶，因此又叫 GTP 酶激活蛋白（ GTPase activating protein ， GAP ）。　　　

　（五）小 G 蛋白

　　小 G 蛋白是一个家族的总称，其成员有 60 多种，与信号转导有关的典型代表有 Ras 、 Rho 等。

　　特点：

　　 1. 　分子量小： 20~30kD

　　 2. 　结构相对简单：一条肽链。

　　　　

　　　 3. 　受体调节的范围有限：主要受控于酪氨酸蛋白激酶受体的调节。

　　 4. 　信号转导时还需要其他蛋白辅助：接头蛋白（ adaptor ）将酪氨酸蛋白激酶受体连于鸟苷酸释放因子（ guanine-nuc

leotide releasing factor ， GRF ）上，然后 GRF 再作用于小 G 蛋白。

　　　　　 GRF ：包括正调控因子 GDS

（ GDP dissociation stimulator ）和负调控因子 GDI （ GDP dissociation inhi

bitor ）。

　　　还需 GTP 酶激活蛋白（ GTPase ac

tivating protein ， GAP ）提高 GTP 酶活性，并将小 G 蛋白转导过来的信号往下游传递。

　　　　　

Ras

　　　　　

　

　

三、 G 蛋白与临床疾病　

（一） G 蛋白与心脏疾病

　　 G 蛋白的信号转导在心脏心肌收缩力、心率、心律和心肌细胞生长的调节方面起着重要作用。

　　

　　　 1. 　心脏 G 蛋白亚单位的种类及功能

　　　 Gs 型 G 蛋白：

　　　心脏中主要表达 42kD 和 52kD 两种亚型。它们主要通过 AC-cAMP-PKA 通路介导肾上腺素能受体的信号转导途径。生理情况下，起到增加心肌收缩力和频率的作用。

　　　　 Gi 型 G 蛋白： Gi1 、 Gi2 、 Gi

3

　　　心脏中主要表达 Gi2 。它与 2肾上腺素能受体偶联，抑制 AC 的活性。它还介导 M2- 胆碱能受体激动剂的钾离子通道激活作用，还能与钙通道蛋白直接偶联，调节心率。

　　　　 Gq 型 G 蛋白：

　　　心脏中表达两种亚型 。均激活磷脂酶 C- ，介导血管紧张素Ⅱ、 1肾上腺素能受体的信号传递。

　　　　 G12 型 G 蛋白：

　　　 G12 主要调节细胞生长和激活 Na＋ -H ＋交换体系。

　　　 G 蛋白和亚单位在心肌细胞中也一定程度地影响 AC 、 PLC- 、 PLA2 、 -肾上腺素能受体激酶（ -adrenergi

c receptor kinase ， -ARK ）、 K ＋

通道以及 Ras-MAPK 信使通路。

　　　 2. 　心脏疾病中 G 蛋白的改变

　　　（ 1 ）心肌肥大：

　　　 Gi 的含量和功能明显增加，是造成肥大心肌脱敏的主要原因。应用血管转化酶抑制剂可以降低 Gi 的含量，缓解脱敏反应。

　　　（ 2 ）心力衰竭：

　　　 Gs 的生物活性降低。

　　　 Gi 亚基的含量增加。

　　　（ 3 ）心肌缺血与心律失常：

　　　 急性心肌缺血初期，交感神经应激性兴奋，血中儿茶酚胺浓度急剧上升， A

C 活性短暂增加。

　　　急性缺血后， Gs 和 Gi 的含量均降低，活性下降。

　（二） G 蛋白与疼痛

　　 G 蛋白偶联受体的部分成员与痛觉递质结合，形成痛觉的信号转导过程。

　　脊髓的 G 蛋白受体如代谢型谷氨酸和神经肽受体在伤害性信号转导过程中发挥重要的作用。如给予抑制剂则能降低痛的感觉程度。　　

　　　　阿片类药物的大多数受体与 G 蛋白

偶联产生信号转导。因此它们的镇痛与成瘾都与 G 蛋白有关。

　　

　（三） G 蛋白与创伤应激状态下的免疫抑

制

　　在创伤、手术等应激状态时，大量应激激素如 ACTH 、皮质酮、儿茶酚胺及内啡肽等被释放，它们均通过其受体与 G 蛋白偶联，导致免疫功能抑制。　　

　　　　 G 蛋白导致免疫功能抑制的机制：

• 　淋巴细胞的发育、分化与 G 蛋白的表达关系密切，巨噬细胞在创伤后的活动程度受 G 蛋白的调节；

• 　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啡肽受体与 G

蛋白偶联。　　

　（四） G 蛋白与炎症

• 　中性粒细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。