1、G 蛋白是一类含鸟苷酸的蛋白质，存在于细胞外膜内表面，为生物信息转导过程中关键的中介体，可以决定信号传输通路何时打开和关闭。介绍 G 蛋白的基本结构和作用模式。 关键词 G 蛋白 受体 效应器 1994 年度生理学或医学诺贝尔奖被授予两位美国科学家艾尔弗雷德吉尔默(AlfredGGilman)和马丁罗德贝尔(Martin Rodbell)，因为他们率先分离并确定了生物细胞内发挥着内部 “选择开关”作用的 G 蛋白。 在生命过程中，生物细胞几乎每时每刻都不得不靠传递激素或神经递质等化学信使来相互通讯以适应环境的变化，而大多数信使都是通过介体来传递信息的。信使先和靶细胞外表面上的特异受体结合而发出
2、指令，受体再把信息转发给一系列细胞间中介体，然后由它把指令传递给最后的执行者。 G 蛋白，又称 GTP 结合蛋白，就是生物信息转导过程中关键的中介体。许多不同的受体都是经过各种 G蛋白的刺激作用传递激素或其他胞外“第一信使” 的信息，这些 G 蛋白又和细胞质膜的内表面结合而作用于膜上的介体(效应器)。通常，效应器是某种酶。这种酶把失活的前体分子转变成有活性的 “第二信使”，再通过细胞质扩散把信号带出膜外，并引发一连串的分子反应。G 蛋白有 GTP 酶的活性，在传递信息的过程中发生所结合的 GTP(鸟苷三磷酸)水解转化成 GDP(鸟苷二磷酸)的反应。 l 结构 G 蛋白广泛分布于原核生物和真核生
3、物中，自 80 年代初以来，已发现 100 多种受体是通过 G 蛋白传输信号的；至少已分离到其中约 20 种 G 蛋白并鉴定出几种不同的依赖 G 蛋白的效应器。已知的 G 蛋白有Gs(stimulatory Gproteins)、Gi(inhibitory G proteins)、Gt(transducin)和 Go(other G Proteins)等。参与蛋白质生物合成的一些起始因子和延长因子也是 G 蛋白。它们在蛋白质生物合成的过程中传递遗传信息，同时也消耗 GTP。 G 蛋白是一族复合蛋白质。一般含有 、 和 3 个亚基( 或亚单元 )；其中 a 亚基最大，分子量为3952KD ， 和
4、 亚基往往成对存在。 不同的 G 蛋白所含的亚基都是不一样的，不同的 亚基也许连接到同一个或不同的 - 对上，迄今已发现 5 种不同的 亚基结构和 10 种以上的 亚基结构。这意味着可能出现 、 和 的 1000 余种组合。 对已知 G 蛋白的氨基酸序列已进行了广泛的研究，但所得到的有规律的一级结构信息不多。关于 G 蛋白的立体结构所知甚少，目前只了解个别 G 蛋白的三维结构。 2 作用模式 一般认为，G 蛋白的 亚基结合 GTP 并有 GTP 酶活性，- 对则充当了 亚基在膜上的抛锚点。当 亚基被激活时，就从这个抛锚点上解离下来。 推测 G 蛋白执行信息传导过程是通过构象变化来完成的。结合
5、GDP 的构象是“信号关闭”状态而与 GTP结合的构象则能与效应器作用传递第二信使，虽然目前有关 G 蛋白构象的信息尚少，不可能了解其作用机制的细节，但仍可勾勒出其作用模式的轮廓。 从图可见 G 蛋白决定着信号传输通路何时打开和关闭以及打开和关闭多长时间，当和 GTP 结合的 亚基结合到某个效应器上时，这个开关就打开，而当 GTP 被水解成 GDP 时开关就闭上。水解的速度决定着打开和关闭这两种状态的时限。 在这些例子中，可对 Gs 和 Gt 作进一步的说明。肝细胞富含贮存糖原( 动物淀粉)和催化糖原分解的磷酸化酶。当肝细胞膜内表面的 Gs 通过质膜接收到肾上腺素(第一信使) 传来的信号时，促
6、使能催化腺苷三磷酸(ATP)转化成环腺苷酸(cAMP)的腺苷酸环化酶( 效应器)起作用。所产生的 cAMP(第二信使) 激活蛋白激酶，此蛋白激酶又激活磷酸化酶，从而起动糖原的一系列分解反应，最终使肝细胞释放葡萄糖。又如当光线到达视网膜的外段时，视紫红质(光受体 )受到光子的冲击就激活 Gt，后者引导对视网膜环鸟苷酸(cGMP)专一的磷酸二酯酶(效应器)把视网膜的 cGMP 水解成 GMP。视杆细胞的 cGMP 浓度对光信号的传递有非常重要的意义。 3 实用价值 对 G 蛋白的研究也提供了有关几种疾病的知识。如霍乱的致病细菌分泌一种毒素，这种毒素进入肠细胞后能阻止 Gs 的 亚基把 GTP 转化
7、成 GDP，结果使细胞积累了过多的 cAMP，造成大量的电解质和水分分泌到肠腔里，严重的腹泻导致潜在的致死性失水。又如百日咳毒素能阻止受体去激活 Gi。在没有抑制剂的情况下，刺激性通路仍将长时间地发挥其功能。这种毒素能影响许多细胞，导致伴有典型性咳嗽的免疫缺失。小 G 蛋白小 G 蛋 白 （ Small G Protein） 因 分 子 量 只 有 2030KD 而 得 名 ， 同 样 具 有 GTP酶 活 性 ， 在 多 种 细 胞 反 应 中 具 有 开 关 作 用 。 第 一 个 被 发 现 的 小 G 蛋 白 是 Ras， 它 是ras 基 因 5的 产 物 。 其 它 的 还 有 R
8、ho， SEC4， YPT1 等 ， 微 管 蛋 白 亚 基 也 是 一 种小 G 蛋 白 。 小 G 蛋 白 的 共 同 特 点 是 ， 当 结 合 了 GTP 时 即 成 为 活 化 形 式 ， 这 时 可 作 用 于 下 游分 子 使 之 活 化 ， 而 当 GTP 水 解 成 为 GDP 时 （ 自 身 为 GTP 酶 ） 则 回 复 到 非 活 化 状 态 。这 一 点 与 G 类 似 ， 但 是 小 G 蛋 白 的 分 子 量 明 显 低 于 G。 在 细 胞 中 存 在 着 一 些 专 门 控 制 小 G 蛋 白 活 性 的 小 G 蛋 白 调 节 因 子 ， 有 的 可 以 增
9、强 小 G 蛋 白 的 活 性 ， 如 鸟 苷 酸 交 换 因 子 （ guanine nucleotide exchange factor, GEF） 和 鸟 苷 酸 解 离 抑 制 因 子 （ Guanine nucleotide dissociation Inhibitor, GDI） ，有 的 可 以 降 低 小 G 蛋 白 活 性 ， 如 GTP 酶 活 化 蛋 白 （ GTPase activating protein, GAP） 。 小 G 蛋 白 ： 近 年 来 研 究 发 现 小 G 蛋 白 ， 特 别 是 一 些 原 癌 基 因 表 达 产 物 有 着 广 泛 的调 节 功
10、 能 。 Ras 蛋 白 主 要 参 与 细 胞 增 殖 和 信 号 转 导 ； Rho 蛋 白 对 细 胞 骨 架 网 络 的 构 成发 挥 调 节 作 用 ； Rab 蛋 白 则 参 与 调 控 细 胞 内 膜 交 通 （ membrane traffic） 。 小 G 蛋 白 ： 近 年 来 研 究 发 现 小 G 蛋 白 ， 特 别 是 一 些 原 癌 基 因 表 达 产 物 有 着 广 泛 的调 节 功 能 。 Ras 蛋 白 主 要 参 与 细 胞 增 殖 和 信 号 转 导 ； Rho 蛋 白 对 细 胞 骨 架 网 络 的 构 成发 挥 调 节 作 用 ； Rab 蛋 白 则
11、参 与 调 控 细 胞 内 膜 交 通 （ membrane traffic） 。 此 外 ，Rho 和 Rab 亚 家 庭 可 能 分 别 参 与 淋 巴 细 胞 极 化 （ polarization） 和 抗 原 的 提 呈 。 某 些信 号 蛋 白 通 过 SH-3 功 能 区 将 酪 氨 酸 激 酶 途 径 同 一 些 由 小 G 蛋 白 所 控 制 的 途 径 连 接 起来 ， 如 Rho（ 与 Ras 有 30%同 源 性 ） 调 节 胞 浆 中 微 丝 上 肌 动 蛋 白 的 聚 合 或 解 离 ， 从 而影 响 细 胞 形 态 。 这 一 事 实 解 释 了 某 些 含 有 S
12、H-3 的 蛋 白 同 细 胞 骨 架 某 些 成 份 相 关 联 或调 节 它 们 的 功 能 。（一）g 蛋白的分类g 蛋白的种类已多达 40 余种，大多数存在于细胞膜上，由 、 三个不贩亚单位构成，总分子量为 100kda 左右。其中 亚单位在多数 g 蛋白中都非常类似，分子量 36kda左右。 亚单位分子量在 8-11kda 之间，除 gt 外，大多数 g 蛋白的 亚单位都是相同的。 两个亚单位的不同可以将 g 蛋白分为 gs、gi、go、gq、g?及 gt 等六类。这些不同类型的 g 蛋白在信号传递过程各种发挥不同的作用。除此之外，在细胞内还存在另一类 g 蛋白，这类 g 蛋白具有鸟
13、核苷酸的结合位点，有 gtp 酶活性，其功能也受鸟核苷酸调节，但与跨膜信息传递似科无直接相关。在结构上不同于前述的 g 蛋白，分子量较小，在 20-30kda 之间，不是以 、 三聚体方式存在，而是单体分子，因此被称为小 g 蛋白（small g proteins）。如 ras 表达产物为一种小 g 蛋白。小 g 蛋白同 ras 蛋白具有同源性，同属于 ras 超家族（ras superfamily）。哺乳动物 g 蛋白中属 ras 超家族约有 50 多个成员，根据它们序列同源性相近程度又可以分为 ras、rho 和 rab 三个主要的亚家族。（二）g 蛋白与信号传递细胞表面的受体通过与其相应
14、配体作用后，可经不同种类的 g 蛋白偶联，分别发挥不同的生物学效应。与 g 蛋白偶联的多种受体具有共同的结构功能特点：分子量 40-50kda 左右，由 350-500 氨基酸组组成，形成 7 个由疏水氨基酸组成的 螺旋区段，反复 7 次穿越细胞膜的脂质双层。肽链的 n 末端在胞膜外，c 末端在细胞内。n 末端上常有许多糖基修饰。从功能上看，受体的识别区域并不象一般想象的那样在胞膜的外部，实际上是由 7 个跨膜区段间通过特定氨基酸残基之间的相互作用形成复杂的空间构象。配体结合于识别区域之后，即导致整个受体构象的变化。受体肽链的 c 末端和连接第 5 和第 6 个跨膜区段的第三个胞内环是 g 蛋
15、白结合部位。目前研究发现，趋化因子受体家族（chemokine receptor family）以及一些神经递质受体都属于 g 蛋白偶联的 7 次跨膜受体的超家族。例如 il-8ra胞膜外 n 端 asp11、llu275、arg280 以及可形成二硫键的 cys30 和 cys277 在与配体结合中起重要作用；紧接第三个空膜区第二个胞浆环中 dry 序列对于与 g 蛋白的结合是必要的。（1）gs：细胞表面受体与 gs（stimulating adenylate cyclase g protein,gs）偶联激活腺苷酸环化酶，产生 camp 第二信使，继而激活 camp 依赖的蛋白激酶。（2）
16、gi：细胞表面受体同 gi（inhibitory adenylate cyclase g protein,gi）偶联则产生与 gs 相反的生物学效应。（3）gt：可以激活 cgmp 磷酸二酯酶，同视觉有关。（4）go：可以产生百日咳杆菌毒不导致的一系列效应。（5）gq：同 plc 偶联，在磷脂酰肌醇代谢途径信号传递过程中发挥重要作用。（6）小 g 蛋白：近年来研究发现小 g 蛋白，特别是一些原癌基因表达产物有着广泛的调节功能。ras 蛋白主要参与细胞增殖和信号转导；rho 蛋白对细胞骨架网络的构成发挥调节作用；rab 蛋白则参与调控细胞内膜交通（membrane traffic）。此外，rho 和 rab 亚家庭可能分别参与淋巴细胞极化（polarization）和抗原的提呈。某些信号蛋白通过 sh-3 功能区将酪氨酸激酶途径同一些由小 g 蛋白所控制的途径连接起来，如 rho（与 ras 有 30%同源性）调节胞浆中微丝上肌动蛋白的聚合或解离，从而影响细胞形态。这一事实解释了某些含有sh-3 的蛋白同细胞骨架某些成份相关联或调节它们的功能（见第二节有关 sh-3 的功能）。
