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1、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。,GTP结合蛋白（GTPbinding 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。,研究发现，植物中也存在与动物同源的G蛋白。,G蛋白偶联受体进行信号转换需要G蛋白的介导。,1.G蛋白概述,11 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
2、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（Gbinding 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）。,11 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：,与膜受体耦合的异源三聚体G蛋白（heterotrimeric GTP binding proteins）,存在于不同的细胞部位，称为“小G蛋白”（small GTP-bindi
3、ng proteins）,通常所指的G蛋白是异源三聚体G蛋白，由三种亚基构成。,特点：分子量小（2030kDa），且都是单体（monomeric）。,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。,12 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、三种亚基组成，通常和亚基结合在一起。在各种类型的G蛋白中，亚基的差别最大，因此，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
4、（lipid modification），例如，一些亚基上的肉豆蔻酰基化（myristoylation）作用，亚基上的某些氨基酸残基的异戊二烯化作用（prenylation）。,13 异源三聚体G蛋白的种类,在动物中已经至少有20多种不同类型的亚基，6种亚基和12多种亚基被分离鉴定，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：,植物中相关的资料相对较少，拟南芥中G有1种，有1种，有2种。,根据功能不同：1.刺激性G蛋白（stimulately G protein,Gs）2.抑制性G
5、蛋白（inhibitory G protein,Gi）3.视觉细胞中传递光信号的转导素（transducin,Gt）,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。,三聚体G蛋白的活性循环,质膜上的效应酶主要由
6、G调节。,近质膜或者细胞质中的效应酶，似乎主要由G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蛋白的亚基与GTP结合而被活化。活化的亚基与、亚基分离而呈游离状态，活化的亚基触发效应器(如腺苷酸环化酶、PLC等)，把胞外信号转换为胞内信号。当亚基所具有的GTP酶将与亚基相结合的GTP水解为GDP后，亚基恢复到去活化状态并与、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
7、面进入细胞质，催化胞内的NAD的ADP核糖基结合到G蛋白的亚基的修饰位点上；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。,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。,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。,
