第四节　第二信使及其介导的下游信号途径

一、腺苷酸环化酶与cAM P信号转导通路

激素、神经递质等第一信使与相应的膜受体结合后，可以激活G蛋白，并活化位于细胞膜上的G蛋白效应蛋白——腺苷酸环化酶，使ATP转化生成第二信使cAMP，cAMP可进一步分别引起相应底物的磷酸化级联反应、离子通道活化等效应，参与调节细胞代谢、增殖、分化等不同生理过程。腺苷酸环化酶是cAMP信号传递系统的关键酶。生物化学和分子生物学的研究显示腺苷酸环化酶可能具有多种不同的亚型，迄今为止已至少发现了6种腺苷酸环化酶的亚型，称为腺苷酸环化酶Ⅰ～Ⅵ型。所有的这些酶都是膜结合型的，但不同亚型的酶受到不同的调控，它们在不同组织的分布也不一致。例如，腺苷酸环化酶Ⅰ型主要分布于脑组织中，而Ⅲ型则主要分布于味觉上皮细胞中。腺苷酸环化酶的氨基酸序列显示，组成腺苷酸环化酶的多肽链具有两个大的疏水区，靠近N端的称为M_１，靠近C端的称为M_２。每一个疏水区都含有6个越膜区域，无论是N端还是C端，它们均朝向细胞质一侧。还有两个较大的细胞质区域，一个位于M_１与M_２之间称为C_１，另一个位于C端称为C_２(图5-7)。在不同亚型的腺苷酸环化酶中，C_１、C_２是高度保守的，研究显示它们能结合ATP并表现出酶的活性。

图5-7　腺苷酸环化酶的分子结构

腺苷酸环化酶催化ATP分解形成的cAMP作为第二信使在嗅觉上皮细胞上可调控离子通道的通透性;而在绝大多数细胞，cAMP再进一步特异地活化cAMP依赖性蛋白激酶A(cAMP-dependent protein kinase，PKA)来调节细胞的新陈代谢(图5-8)。一般而言，PKA可使某些特殊的底物蛋白磷酸化，这种底物蛋白通常是cAMP反应元件结合蛋白(cAMP responsive element-binding protein，CREB)等基因表达的调节因子，激活后的CREB可结合相关基因的CRE区(序列为:TGACGTCA)，在其他特异性转录因子的调控下，启动基因的表达，表达的蛋白质产物对细胞产生各种生物学效应。在不同的组织中，依赖cAMP的蛋白激酶A的底物大不相同，cAMP通过活化或抑制不同的酶系统，使细胞对外界不同的信号产生不同的反应。

图5-8　cAMP通过PKA调节细胞代谢

对于不同亚型的腺苷酸环化酶，影响其活性的因素也不一样。对于腺苷酸环化酶Ⅰ型，αS是激活因素，而βγ复合体则是抑制因素。除了G蛋白的调节作用以外，细胞内的因子，如钙调素/Ca²⁺也可激活腺苷酸环化酶;而对于腺苷酸环化酶Ⅱ型，αS和βγ复合体都是腺苷酸环化酶活性的激活因素。从另一方面来看，所生成的cAMP在细胞内的环核苷酸磷酸二酯酶(PDE)的催化下快速降解生成5'-AMP，使cAMP的水平下降，适宜地终止cAMP的作用，也是cAMP信号传递系统的调节形式之一。

二、磷脂酰肌醇信号通路

磷脂酰肌醇信号通路是膜受体与其相应的信号分子结合后，通过膜上的G蛋白活化磷脂酶C(phospholipase C，PLC)，催化细胞膜上的4，5-二磷酸脂酰肌醇(phosphatidylinositol 4，5-biphosphate，PIP_２)分解为两个重要的细胞内第二信使:甘油二脂(diacylglycerol，DAG)和1，4，5-三磷酸肌醇(inositol 1，4，5-triphosphate，IP_３)。IP_３动员细胞内Ca²⁺库中的Ca²⁺到细胞质中。细胞外信号就是通过这样一条路线产生了IP_３、DAG和Ca²⁺等第二信使，进而使细胞产生对外界信号(第一信使)的相应反应，故此称为DAG、三磷酸肌醇和Ca²⁺信号体系(图5-9)。

图5-9　磷脂酰肌醇信号通路示意图

刺激PIP_２分解代谢的第一信使主要有神经递质、多肽激素、生长因子、神经递质，如毒蕈碱型乙酰胆碱、α_１肾上腺素、5-羟色胺等;多肽激素中主要有V_１-后叶加压素、血管紧张素II、P物质和促甲状腺素释放因子等;生长因子中如血小板生长因子(PDGF)、T细胞丝裂原(植物凝集素和刀豆蛋白A等)等。它们与其相应的细胞表面受体结合，可通过激活PLC来实现细胞内外的信号转导。

(一)DAG活化蛋白激酶C

在细胞膜上，PLC水解PIP_２生成的产物之一是脂溶性的DAG。它与细胞膜结合，可活化细胞膜中的蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)。PKC是有广泛分布的具有单一肽链的蛋白质，有一个亲水的催化活性中心和一个膜结合区。在未受外界信号刺激的细胞中，它主要分布在细胞质中，呈非活性结构;当细胞膜受体与相应外界信号结合后PIP_２水解，细胞膜中的DAG瞬间增多。PKC紧密结合在膜的内面，受DAG的作用而活化。此时PKC对Ca²⁺的亲和力增强，从而能实现其对底物蛋白酶的磷酸化功能。有人认为PKC能催化未被其他激酶催化的蛋白，如催化与分泌及增殖有关的蛋白磷酸化。它还可活化Na⁺-H⁺交换系统，使细胞内H⁺减少，提高细胞质中的pH，还可增强Na⁺-K⁺泵的运转等。

DAG只是由PIP²水解而得的暂时性产物，可靠两种方式终止其信号作用:一种是被DAG激酶磷酸化为磷脂酸，后者参加肌醇脂循环重新形成DAG;另一种是被DAG脂酶水解等过程分解为甘油和花生四烯酸，花生四烯酸可合成许多生物活性物质如前列腺素等。

(二)IP³动员细胞内Ca²⁺的释放

IP³为由PIP²水解产生的水溶性物质，它从细胞膜扩散到细胞质，与内质网(ER)膜上的IP³受体结合，动员Ca²⁺库(主要是ER)中的Ca²⁺转移到细胞质中，提高细胞质中游离Ca²⁺的浓度。IP³受体是一个相对分子质量313 000的蛋白质分子，与肌浆膜上的Ca²⁺通道(raynodine受体)有高度同源性，其C端含有7个跨膜区，并形成可调控的Ca²⁺通道。当IP³与受体结合后，Ca²⁺通道即开放，Ca²⁺由ER腔释入细胞质中。

信号Ca²⁺在细胞内的调节机制是通过Ca²⁺活化钙结合蛋白进行的。钙结合蛋白有多种，其中了解最多的是钙调素(calmodulin，CaM)。它由一条多肽链组成，广泛分布于真核细胞质中，有4个可与Ca²⁺结合的区域，每个区域结合1个Ca²⁺。CaM本身无活性，与Ca²⁺结合后，引起构象改变，形成Ca²⁺/CaM复合物而被活化。活化后可激活蛋白激酶或磷酸酶，后两者可磷酸化底物蛋白，调节细胞内代谢活动。此反应方向是可逆的:Ca²⁺浓度高时则与CaM结合，Ca²⁺浓度低时则解离，长时间维持细胞质中Ca²⁺的高浓度会使细胞中毒。细胞膜和ER上的Ca²⁺泵可把细胞质中的Ca²⁺泵到细胞外或ER腔中，使浓度恢复到常态水平(10^-7mol/L)。此时发生CaM-酶复合物解离，酶即失去活性，导致细胞反应终止。

IP³动员细胞内Ca²⁺与DAG活化PKC既是各自独立的又是互相协调的。有人认为它们本身都不能完成信号跨膜传递活动，两者间的协调作用对于跨膜控制细胞内反应十分必要。

三、鸟苷酸环化酶与cGMP

鸟苷酸环化酶(guanylate cyclase，GC)以一种类似于腺苷酸环化酶的方式分解GTP成为cGMP，后者是信号传递系统中另一个较早被确认的第二信使。与腺苷酸环化酶不同的是鸟苷酸环化酶有两种存在形式，一是细胞膜结合性的，另一个是可溶性的，它们都可以调节细胞中的cGMP含量(图5-10)。

图5-10　第一信使刺激鸟苷酸环化酶机制

膜结合性的鸟苷酸环化酶是一种跨膜蛋白，其细胞表面的结构域起着受体的作用，能与以神经肽为主的第一信使起反应。该跨膜蛋白朝向细胞质一侧的结构域具有分解GTP成为cGMP的活性。当神经肽与鸟苷酸环化酶的受体部位结合后触发了该蛋白质的构象改变，使鸟苷酸环化酶的酶活性部位活化。根据鸟苷酸环化酶的分子结构以及与第一信使结合的类型不同，鸟苷酸环化酶至少可包括3个亚型。可溶性的鸟苷酸环化酶存在于细胞质中，为由两个亚单位组成的异二聚体，每一个亚单位均含有一个酶的活性部位。

可溶性鸟苷酸环化酶的活性需要另一种信号分子NO的激活。NO作为细胞内信号传递的信使是近年来生命科学领域的一个重要成就。细胞内NO的产生是由NO合酶(NO synthase)完成的。NO合酶是一种Ca²⁺/钙调素敏感性酶，细胞内Ca²⁺浓度的增加能够提高NO合酶的活性。一般认为，乙酰胆碱、谷氨酸、P物质、组胺等神经递质均可通过产生NO而提高细胞内的cGMP浓度，临床上用硝酸甘油治疗缺血性心脏病的原理也在于此。NO合酶的组织分布有一定的特异性，但由于NO能通过细胞膜弥散于细胞内外，故也可影响周围不具有NO合酶的细胞，通过NO调节细胞的新陈代谢。

由两种不同的鸟苷酸环化酶所催化形成的cGMP可进一步作用于细胞内的蛋白质分子，但在不同的细胞中，它们作用的底物不同。在视网膜光感受器上的cGMP直接作用于离子通道;而在别的细胞中，cGMP则与cAMP一样激活的是蛋白激酶，称为cGMP依赖性蛋白激酶(cGMP-dependent protein kinase，PKG)，后者可进一步使某些底物分子磷酸化而传递信号。在不同的组织中，PKG的底物大不相同，cGMP通过活化或抑制不同的酶系统，使细胞对外界不同的信号产生不同的反应。在NO致血管平滑肌松弛的信号通路中，NO提高细胞内的cGMP浓度，激活PKG，而PKG通路使得肌动蛋白--肌球蛋白复合物受到抑制，因此平滑肌细胞松弛，血管扩张。