一 G蛋白耦联受体的结构与激活
（1）G蛋白耦联受体(GPCR)的结构
所有真核生物的G蛋白耦联受体结构都相似，都含有7 个疏水残基肽段形成跨膜α螺旋区(H1 ~H7，每个螺旋区包含22～24个氨基酸残基)、4个胞外肽段(E1~E4)、4个胞内肽段(C1~C4)，N端位于细胞外侧，C端位于胞质侧。
E4环结合胞外信号，C3环和有些受体的 C2 环是与G蛋白相互作用的位点。
受体接受胞外信号后，通过与G蛋白耦联，在细胞内产生第二信使，把接受的胞外信号传递给胞内的靶蛋白 (酶或离子通道)，影响细胞行为。
（2） G蛋白
即三聚体GTP结合调节蛋白(trimeric GTP-binding regulatoryprotein)，位于质膜内胞浆一侧。
结构：αβγ三亚基，βγ亚基以异二聚体存在，α和βγ分别通过共价结合脂分子锚定于膜上。α亚基本身具有GTPase活性，是分子开关蛋白，α亚基结合GDP处于关闭状态，结合GTP处于开启状态。
二 G蛋白耦联受体介导的细胞信号通路
（1）cAMP信号通路——以cAMP为第二信使
细胞外信号与相应受体结合，调节腺苷酸环化酶活性，通过cAMP水平的变化将细胞外信号转变为细胞内信号，进而影响信号通路的下游事件，是真核细胞应答激素反应的主要机制之一。
cAMP信号通路组分：
①激活型激素受体(Rs)或抑制型激素受体(Ri)
均为7 次跨膜结构，胞外结构域识别胞外信号分子并与之结合，胞内结构域与G蛋白耦联；
胞外信号不同。脂肪细胞的激活型激素如肾上腺素、胰高血糖素、促肾上腺皮质激素，抑制型激素如前列腺素PGE1和腺苷。
作用：Rs是与Gs相互作用的激活型激素受体，激活腺苷酸环化酶活性，提高胞内的cAMP水平；Ri是与Gi相互作用的抑制型激素受体，抑制腺苷酸环化酶活性，降低胞内的cAMP水平。
②活化型调节蛋白(Gs)或抑制型调节蛋白(Gi)
G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用——信号转换蛋白，将受体与腺苷酸环化酶耦联起来，使细胞外信号跨膜转换为细胞内信号，即第二信使cAMP。
Gs耦联Rs和腺苷酸环化酶；Gi耦联Ri和腺苷酸环化酶。
③腺苷酸环化酶(adenylyl cyclase)
相对分子质量为1.5×105的糖蛋白，跨膜12次，在Mg2+或Mn2+的存在下，腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP
④环腺苷酸磷酸二酯酶 (cAMP phosphodiesterase, PDE)
降解cAMP生成5’-AMP，起终止信号的作用
⑤蛋白激酶A (protein kinase A, PKA)
由两个催化亚基和两个调节亚基组成，
cAMP与调节亚基结合，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基；结合以协同方式 (cooperative fashion) 发生，即第一个cAMP的结合会降低第二个cAMP 结合的解离常数(dissociation constant, Kd)，因此胞内cAMP水平的很小变化就能导致PKA快速活化。
活化的催化亚基磷酸化X-Arg-(Arg/Lys)-X-(Ser/Thr)-ф(X为任意氨基酸，ф为疏水氨基酸)中的丝氨酸(Ser) 或苏氨酸(Thr) 残基，在不同细胞中进一步影响不同酶的活性，影响细胞代谢和细胞行为。
2. Gs调节模型
•激素配体与Rs结合，导致Rs构象改变，使激素-受体复合物与Gs结合，Gs的α亚基构象改变，排斥GDP、结合GTP而活化，Gs蛋白解离出α亚基和βγ亚基复合物。
•α亚基活化腺苷酸环化酶，将ATP转化为cAMP。
•βγ亚基复合物也可以直接激活某些胞内靶分子。
3. Gi调节模型
•Giα亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性
•βγ亚基复合物与游离的Gsα亚基结合，阻断Gsα亚基对腺苷酸环化酶的活化
4. PKA
PKA磷酸化下游靶蛋白是细胞通过cAMP信号途径快速应答胞外信号的过程；
肌肉细胞1秒钟之内可以启动糖原降解为葡萄糖-1-磷酸的过程，从而抑制糖原的合成。
细胞缓慢应答过程：PKA的催化亚基入核调节基因调控蛋白，影响基因转录，需时几分钟乃至几小时；
控制多种细胞内的许多过程，从内分泌细胞的激素合成到脑细胞有关长期记忆所需蛋白质的产生。
cAMP信号途径反应链：激素→G蛋白耦联受体→G蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP→cAMP依赖的蛋白激酶A→基因调控蛋白→基因转录
5. 特异性
对某一特定的配体，受体可以几种不同的异构体形式存在，并对该配体和特定G蛋白有不同的亲和性。如肾上腺素受体有9 种异构体，5-羟色胺的受体有15 种异构体。
G蛋白和腺苷酸环化酶的多样性，人类基因组编码27 种不同的Gα、5 种不同的Gβ、13 种不同的Gγ和9 种不同的腺苷酸环化酶。
（2)G蛋白——磷脂酰肌醇信号通路
胞外信号分子与G蛋白耦联受体结合，激活质膜上的磷脂酶 C(PLC)，使质膜上的 4,5-二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2) 水解成 1,4,5-三磷酸肌醇(IP3) 和二酰基甘油 (DAG) 两个第二信使，使胞外信号转换为胞内信号，分别启动IP3-Ca2+和DAG-PKC两个信号传递途径，因此又称为“双信使系统(double messenger system)”.
IP3
IP3 是一种在细胞质中扩散的水溶性分子，作用于内质网膜上的 IP3-门控Ca2+通道(IP3-gated Ca2+ channel)将储存的Ca2+释放到细胞质基质，使胞质中游离Ca2+浓度提高.
此过程发生于几乎所有真核细胞中IP3-门控Ca2+通道由4 个亚基组成，各亚基N端胞质结构域有一个IP3结
合位点，IP3结合通道开放.
胞质中Ca2+会增加通道受体对IP3的亲和性从而促进IP3-门控Ca2+通道开放，但胞质Ca2+升高后作用则相反，因此，这种胞质Ca2+对IP3-门控Ca2+通道的复杂调控会导致胞质中Ca2+水平的快速震荡(oscillations)
IP3介导的胞质中Ca2+水平升高只是瞬时的，因为质膜上的Ca2+泵和Na+-Ca2+交换器(主要存在于可兴奋胞) 将Ca2+泵出细胞，内质网膜上的Ca2+泵将Ca2+泵进内质网钙库。
细胞内绝大多数Ca2+被储存在线粒体、内质网和其他膜泡中或被泵出胞外，胞质中基态Ca2+浓度通常约为
10-7mol/L，少量升高就会诱发各种细胞反应。
Ca2+作为胞内信使，依细胞类型不同可激活或抑制各种靶酶和运输系统，改变膜的离子通透性，诱导膜融合或改变细胞骨架结构与功能，参与广泛的生理过程。
钙调蛋白(calmodulin, CaM)是真核细胞普遍存在的 Ca2+ 应答蛋白，相对分子量16.7×103，多肽链由148 个氨基酸残基组成，含4 个结构域，每个结构域结合一个Ca2+。
CaM本身无活性，与Ca2+结合形成活化态的Ca2+-CaM复合体，再与靶酶结合将其活化，是受Ca2+浓度控制的可逆反应.
2. DAG
DAG结合于质膜上，与Ca2+共同作用活化蛋白激酶C (PKC)
PKC含两个功能区，亲水的催化活性中心和疏水的膜结合区，分布于细胞质中，Ca2+浓度升高导致PKC转位到质膜内表面并被DAG活化，进而磷酸化各种底物蛋白的丝氨酸和苏氨酸残基
PKC作用底物广泛，既涉及细胞许多“短期生理效应”如细胞分泌、肌肉收缩等，又涉及细胞增殖、分化等“长期生理效应”。
DAG会很快被分解，通过两种途径终止其信使作用：被DAG激酶磷酸化形成磷脂酸，进入磷脂酰肌醇代谢途径；被DAG酯酶水解成单脂酰甘油。
DAG代谢周期短，难以长期维持PKC活性，而细胞增殖或分化行为的变化又要求PKC长期所产生的效应。
新发现另一种DAG生成途径，即由磷脂酶催化质膜上的磷脂酰胆碱断裂产生DAG，用来维持PKC的长期效应
PKC活化可增强特殊基因的转录，已知至少两条途径：
－PKC激活一条蛋白激酶的级联反应,磷酸化与DNA特异结合的基因调控蛋白，增强特殊基因的转录；
－PKC磷酸化一种抑制蛋白，使胞质中的基因调控蛋白摆脱抑制并释放,进入细胞核激活特殊基因的转录；
3. 磷脂酰肌醇代谢途径
细胞内存在磷脂酰肌醇循环途径，以保证磷脂酰肌醇信号通路的畅通。
PIP2于真核细胞质膜中普遍存在，在PIP2磷酸二酯酶(PLC) 作用下释放出IP3并生成DAG，是磷脂酰肌醇信号通路的关键反应。
IP3通过依次的去磷酸化形成自由的肌醇而实现信号的中止。
DAG被DAG激酶磷酸化形成磷脂酸, 进入磷脂酰肌醇代谢途径。
（3）G蛋白耦联受体介导离子通道的调控
离子通道耦联受体
多亚基组成的受体/离子通道复合体，既是信号(配体)受体，又是离子通道, 称配体门离子通道(ligand-gated channel)或递质门离子通道(transmitter-gated channel)
可兴奋细胞膜上的一般为4次跨膜蛋白, 内质网或其他细胞器膜上的一般是6 次跨膜蛋白。
配体与受体结合而改变通道蛋白构象，离子通道开启或关闭，膜通透性改变，千分之一秒内将胞外化学信号转换为电信号。乙酰胆碱门控Na+和Ca2+通道：肌细胞质膜上，乙酰胆碱激活，选择性运输Na+和Ca2+。γ-氨基丁酸门控Cl-通道：γ-氨基丁酸(GABA)激活，选择性运输Cl-。
许多神经递质受体是G蛋白耦联受体, 效应器蛋白是Na+或K+通道；
另一些神经递质受体以及嗅觉受体和眼睛的光受体是通过第二信使间接调节离子通道活性的G蛋白耦联受体。
通道活性的G蛋白耦联受体心肌M-型乙酰胆碱受体与Gi蛋白耦联，受体活化导致Gi蛋白联系的K+通道开放，
K+流出引起质膜超极化(hyperpolarization) 而减缓心肌收缩速率。
横纹肌N-型乙酰胆碱受体活化后产生动作电位而引发肌肉收缩。
2. Gt蛋白耦联光受体的活化诱发cGMP-门控离子通道关闭
人的视网膜上有两种光受体(photoreceptor) ——视锥细胞光受体感受色彩，视杆细胞光受体——视紫红质(rhodopsin) 接受弱光刺激,定位在视杆细胞外段上千个扁平膜盘上。
人的视杆细胞约含4×107个视紫红质，组成7 次跨膜的视蛋白(opsin)与光吸收色素共价连接耦联视紫红质的三聚体G蛋白称为传导素(transducin, Gt)。
暗适应状态下的视杆细胞，高水平的cGMP保持cGMP-门控非选择性阳离子通道开放。
光的吸收产生激活的视蛋白O*(步骤1)，与无活性的Gt-GDP三聚体蛋白结合并介导GDP被GTP置换(步骤2)，Gt三聚体解离，游离的Gtα结合cGMP磷酸二酯酶(PDE)的抑制性γ亚基导致PDE活化(步骤3)，催化性α和β亚基解离(步骤4)，使cGMP转换成GMP(步骤5)，cGMP浓度降低导致cGMP-门控阳离子通道关闭(步骤6)，膜瞬间超极化。
