结构生物化学/细胞信号通路/G蛋白和G蛋白偶联受体

G蛋白和G蛋白偶联受体

G蛋白偶联受体（GPCRs）是一组七次跨膜蛋白，它们结合细胞外的信号分子，将信号转导到细胞内部，最终引起细胞反应。GPCRs在结合富含能量的GTP的G蛋白的帮助下发挥作用。

也称为七螺旋受体、蛇形受体和G蛋白连接受体。这些蛋白质构成跨膜受体，其目的是在细胞外部寻找分子并启动信号转导通路。信号转导通路是细胞将一种信号形式转变为刺激或另一种信号的过程。这些过程是由酶执行的。随着蛋白质和分子数量的增加，信号级联的大小迅速增加，从而允许对相对较小的起始因子产生较大的反应。

G蛋白偶联受体被激素、蛋白质或其他信号分子形式的配体激活。这反过来又通过与受体的特定相互作用激活细胞内的G蛋白。G蛋白就像传递棒一样，将来自循环激素的信息传递到细胞中，并将信号在整个细胞中传递，其最终目标是放大信号以产生细胞反应。首先，如肾上腺素之类的激素遇到细胞膜上的受体，然后G蛋白在与受体（激素附着在其上）接触时被激活。最后，G蛋白通过开启触发反应的细胞酶来向细胞传递激素的信息（Medicines by Design 46）。

除了信号传导外，它们还有其他生理作用：-嗅觉-嗅上皮受体结合气味剂和信息素-情绪调节-大脑中的受体结合神经递质（多巴胺）-免疫系统调节-处理炎症和对异物的反应-神经系统传递-蛋白质控制血压、心率和消化过程-细胞密度感应

人体中G蛋白偶联受体（GPCRs）的另一个例子与味觉有关。科学界已经认识到五种不同的味道：甜、咸、酸、苦和鲜味。鲜味，即肉类食物的味道，是最近添加到列表中的味道，因为它是由一位日本科学家在1908年发现的。GPCR味觉受体存在于我们的味蕾上，并且有几种不同的类型。

与鲜味相关的受体被称为T1R1和T1R3。这些是C类GPCRs，这意味着它们在细胞外部有一个N端。在这种情况下，这些受体的细胞外结构域非常大，活性位点的形状包含两个部分；由于这种特征形状，此类结构域被称为捕蝇草（VFT）结构域。T1R1和T1R3受体的VFT活性位点结合氨基酸，特别是天冬氨酸和谷氨酸（两种分别在其R链中具有一个和两个CH2基团的氨基酸）。
甜味由与鲜味相同的家族中的受体识别：T1R2和T1R3。这些GPCRs上的VFT结构域具有许多可以结合许多配体的活性位点。这就是为什么这些特定的受体不仅可以识别碳水化合物，如糖，还可以识别某些类型的氨基酸、肽、蛋白质和人工甜味剂的配体的原因。
虽然甜味和鲜味由C类受体识别，但难吃的苦味则由A类GPCRs识别，后者没有C类的大N端。苦味有30多种不同的GPCRs，被称为T2R受体。与T1R3甜/鲜味受体一样，这些T2Rs都可以检测许多具有苦味的有机化学物质。与甜味和鲜味的两种或三种GPCRs相比，三十种不同的种类似乎是不必要的。然而，解释似乎是进化。苦味与植物和昆虫产生的毒素或毒药有关，因此那些识别出恶劣味道并且不再食用毒素的哺乳动物有机会繁殖。

G蛋白偶联受体仅存在于真核细胞中，并且具有各种大小。

G蛋白遵循两种主要途径。第一种是cAMP通路，第二种是磷脂酰肌醇信号通路。

cAMP通路有五个参与信号转导的参与者：刺激受体的激素、调节性G蛋白、腺苷酸环化酶、蛋白激酶A和cAMP。刺激性激素是一种与刺激性信号分子结合的受体。G蛋白与刺激性激素受体相连，其α亚基可以刺激活性。腺苷酸环化酶是一种跨膜糖蛋白，在辅助因子的帮助下（通常是镁或锰离子）催化ATP形成cAMP。蛋白激酶A是一种用于细胞代谢的酶。cAMP传递无法直接穿过细胞膜的激素的作用。它还调节肾上腺素和胰高血糖素的作用，以及调节钙离子通过离子通道的传递。cAMP激活PKA（蛋白激酶A），后者通常是不活跃的四聚体。cAMP结合到激酶的调节亚基上，并导致调节亚基和催化亚基的分离。这种分离激活了催化亚基，并允许它们使底物蛋白磷酸化。

磷脂酰肌醇信号通路使信号分子与G蛋白受体结合。这激活了位于膜中的磷脂酶C。脂肪酶将磷脂酰肌醇水解成两种与膜受体结合的信使。这打开了一个钙离子通道并激活蛋白激酶C，从而导致信号级联。

研究表明，GPCR由转录、转录后和翻译后机制组成，最近观察到，通过剪接前mRNA通过靶向GPCR促胰液素外显子上的14个氨基酸序列来调节GPCR活性。

机制

在细胞内，在质膜上，G蛋白在非活性时结合GDP，在活性时结合GTP。当GPCRs结合到信号分子时，受体被激活并改变形状，从而使其能够结合到非活性G蛋白上。当这种情况发生时，GTP取代GDP，从而激活G蛋白。新激活的G蛋白然后沿着细胞膜迁移，直到它结合到酶上并改变酶的形状和构象。酶结构的这种变化导致通路中的下一步，并产生细胞反应。转导后，G蛋白作为GTP酶发挥作用并水解结合的GTP，导致磷酸基团脱落。这再生GDP并使G蛋白失活，循环重复。

受体特性

受体是位于细胞胞外或胞内的蛋白质。
受体对配体具有高度特异性。
受体与配体形成复合物。
受体对正向和逆向反应都有平衡常数（分别为K1和K2）。
配体和受体的浓度决定了反应的幅度。更多的激素和受体将产生更强的反应。
受体可以二聚化以增强其活性。

膜结合受体（细胞表面受体）

膜结合受体是肽激素受体。膜结合受体是位于质膜上的蛋白质。受体可以是单一的肽链，也可以有多达四个亚基。有些可能有多达七个跨膜结构域。这些受体结合的一些激素包括前列腺素、促肾上腺皮质激素 (ACTH)、胰高血糖素、儿茶酚胺、甲状旁腺激素等。当激素与受体结合时，受体会启动信号转导。许多信号转导涉及第二信使。第二信使是在受体结合配体时被激活或产生的化合物。第二信使通常是环腺苷酸 (cAMP) 分子或环鸟苷酸 (cGMP) 分子、Ca2+ 或蛋白激酶 C (PKC)。在信号转导过程中，许多化合物形成复合物，并激活或失活细胞内的其他分子。这些反应与 G 蛋白偶联。其他使用的受体包括酪氨酸激酶、丝氨酸激酶和鸟苷酸环化酶结构域，被称为酶联受体。

七次跨膜结构域受体具有三个胞质环：环 I、II 和 III。环 III 和羧基末端具有激酶活性，使其能够自身磷酸化。该受体与鸟苷酸结合蛋白 (G 蛋白) 偶联。G 蛋白是异三聚体，这意味着它具有三个不同的亚基（α、β 和 γ 亚基）。α 亚基在失活时与其结合有 GDP，而在激活时与其结合有 GTP。

G 蛋白的形式

α 亚基在失活时与其结合有 GDP，而在激活时与其结合有 GTP。

G 蛋白偶联受体结构

大多数 G 蛋白偶联受体的结构尚不十分清楚。确定蛋白质结构的典型方法是通过蛋白质的 X 射线晶体学，前提是蛋白质已经结晶。然而，由于膜环境、灵活性以及 GPCR 的动态变化，很难形成它们的晶体。一些通过突变某些氨基酸来稳定结构而结晶，但没有通用的方法来研究所有这些结构。

虽然很难找到有关结构的确切信息，但蛋白质有一些已知的特征。G 蛋白是构成跨膜螺旋的整合膜蛋白。受体的部分可以被糖基化。在七个跨膜蛋白中，每个蛋白可能包含或不包含离子通道。这些糖基化环由两个形成二硫键的半胱氨酸残基组成，这有助于稳定受体结构。

构象变化

受体分子存在于活性状态和非活性状态之间的平衡状态。配体结合将平衡推向活性位点。有三种类型的配体与 G 蛋白结合。第一种是激动剂，它们是将平衡推向活性状态的配体。反向激动剂将平衡推向非活性状态，而中性拮抗剂是不改变平衡的配体。

G 蛋白偶联受体的用途

G 蛋白偶联受体在用途上非常广泛。在眼睛中，视蛋白（一种 GPCR）将电磁辐射转换为细胞信号，从而实现视觉感知。在鼻子中，嗅上皮结合气味剂和信息素，从而产生嗅觉。然而，GPCR 也存在一些问题。许多人类疾病，包括细菌感染，都涉及 GPCR，细菌产生的毒素会干扰 G 蛋白的功能。此类疾病的例子包括霍乱、百日咳、肉毒中毒等。

以下是关于改变的 G 蛋白如何影响霍乱和百日咳的更详细的描述。当 β 亚基与 G_αs 神经节苷脂结合以及催化亚基进入细胞时，霍乱产生的毒素霍乱毒素就会形成。催化亚基改变了 G_αs 神经节苷脂，其中蛋白质的 α 部分通过将 ADP 核糖连接到精氨酸而被调整。由于这种改变，G_αs 神经节苷脂变得稳定，这意味着现在 G_αs 神经节苷脂处于其活性形式。活性 G_αs 神经节苷脂然后发挥其作用激活蛋白激酶 A，表示为 PKA。氯离子通道由 PKA 控制，PKA 进入，因此不再吸收 Na⁺。也就是说，人体会大量损失 NaCl 和水，如霍乱的症状所示。在治疗霍乱方面，最有效的方法是使用葡萄糖-电解质溶液给人体补水。

另一方面，百日咳不同于霍乱，其中 ADP 核糖部分是由毒素添加的。在这种情况下，Ca ²⁺ 通道关闭，而 K ⁺ 通道由 G_αs 神经节苷脂打开。结果是 G_αs 神经节苷脂处于非活性形式，最终导致无法控制的咳嗽。

此外，药理学家估计，所有药物中约有 60% 的药物通过作用于 G 蛋白通路发挥作用。由于 G 蛋白是一种传递信息的开关分子（如接力棒），因此只有在需要时才能将其打开，然后关闭。一些疾病，如霍乱，发生在 G 蛋白错误地保持开启状态时。关于 G 蛋白开关及其结构（分为 3 个亚基（α、β、γ））的发现将有助于我们理解如何抑制或增加某些其他配体的传递。G 蛋白偶联受体是跨膜受体蛋白，当被配体（激素、蛋白质或其他信号分子）激活时，它们通过与受体的特定相互作用导致细胞内 G 蛋白的激活。G 蛋白反过来将信号传递到细胞内的其他蛋白质，最终放大信号并产生细胞反应。了解受体的结构和动力学可以阐明受体与外部配体和细胞内 G 蛋白进行的特定相互作用，从而导致对受体工作原理的理解。因此，可以设计药物（激动剂或拮抗剂）来结合受体并控制其反应，无论是将信号传递给 G 蛋白还是抑制转导。此外，监测此类信号的影响有助于了解诱导的细胞反应类型，并可能发现以这种方式增殖的疾病。

参考文献

Berg，Jeremy "Biochemistry"，第 14 章信号转导通路。第 421-422 页。第七版。Freeman 和公司，2010 年。