細胞生物學：PKA系統的信號轉導機理
發布時間：2014-12-29 共1頁
該系統的信號分子作用于膜受體后，激活G蛋白偶聯系統，產生cAMP后，激活蛋白激酶A進行信號的放大， 故將此途徑稱為PKA信號轉導系統。
■ 系統組成
G蛋白偶聯系統由三部分組成：表面受體、G蛋白和效應物（圖5-25），由于這三種復合物都是結合在膜上，故此將它們稱為膜結合機器（membrane-bound machinery）。
圖5-25 G蛋白偶聯系統的組成：膜結合機器
● 受體 G蛋白偶聯受體都是7次跨膜的膜整合蛋白，包括腎上腺素（β型）受體、胰高血糖素受體、促甲狀腺素受體、后葉加壓素受體、促黃體生長素受體、促卵泡激素受體等。
● G蛋白
● 效應物（effector） 所謂效應物是指直接產生效應的物質，通常是酶，如腺苷酸環化酶、磷酸脂酶等，它們是信號轉導途徑中的催化單位（表5-3）。
表5-3 異質G蛋白介導的生理效應
| 配體 | 受體 | 效應物 | 生理效應 |
| 腎上腺素 | β-腎上腺受體 | 腺苷酸環化酶 | 糖原水解 |
| 血清緊張素 | 血清緊張素受體 | 腺苷酸環化酶 | 行為敏感好學 |
| 光 | 視紫紅質 | cGMP磷酸二酯酶 | 視覺興奮 |
| IgE抗原復合物 | 肥大細胞Ig-受體 | 磷脂酶C | 分泌 |
| f-Met肽 | 趨化受體 | 磷脂酶C | 趨化性 |
| 乙酰膽堿 | 毒蠅堿受體 | K+通道 | 降低起搏活性 |
第二信使：cAMP
● 腺苷酸環化酶（adenylate cyclase， AC）
腺苷酸環化酶是膜整合蛋白，能夠將ATP轉變成cAMP（圖5-26），引起細胞的信號應答，故此，AC是G蛋白偶聯系統中的效應物。
圖5-26 腺苷酸環化酶催化ATP生成cAMP
很多不同類型的細胞都是通過cAMP濃度的變化引起細胞的應答（表5-4），在無脊椎動物中cAMP也可作為第二信使起作用。
表5-4 某些通過cAMP介導的激素應答實例
| 組織 | 激素 | 應答 |
| 肝 | 腎上腺素和胰高血糖素 | 糖原水解，葡萄糖合成（糖異生）， 糖原合成的抑制 |
| 骨骼肌 | 腎上腺素 | 糖原分解，糖原合成的抑制 |
| 心肌 | 腎上腺素 | 加快收縮 |
| 脂肪 | 腎上腺素，ACTH， 胰高血糖素 | 三酰甘油降解 |
| 腎 | 加壓素（ADH） | 提高表皮細胞對水的通透性 |
| 甲狀腺 | TSH | 甲狀腺激素分泌 |
| 腎上腺 | ACTH | 增強糖皮質激素的分泌 |
| 骨 | 甲狀旁腺素 | 甲狀旁腺素 |
| 卵巢 | LH | 增強膽固醇激素的分泌 |
■ G蛋白偶聯受體跨膜信號轉導機理
在G蛋白偶聯系統中，G蛋白的作用主要是將信號從受體傳遞給效應物，它包括了三個主要的激發過程（圖5-27）：
● G蛋白被受體激活
● G蛋白將信號向效應物轉移
● 應答的終結 當與Gα結合的GTP被水解成GDP時，信號轉導就會終止。因此， GTP水解的速率在某種程度上決定著信號轉導的強度和時間的長短。Gα亞基具有較弱的GTPase的活性，能夠緩慢地水解GTP，進行自我失活。失活可通過與GAP的作用而加速。一旦GTP水解成GDP， Gα-GDP能夠重新與Gβγ復合物恢復結合，形成非活性的三體復合物。
■ 激活型和抑制型cAMP信號途徑
● 組成和作用效果
在某些細胞中，G蛋白不僅可激活酶活性（又稱向上調節，up regulation），也可抑制其作用的酶活性（向下調節，down regulation），因此有激活型和抑制型兩種不同的系統（圖5-28）。
圖5-28 激活型和抑制型G蛋白偶聯系統
比較激活型與抑制型G蛋白偶聯系統的異同
● 毒素對G蛋白的核糖化作用［醫學教 育網 搜集整理］
霍亂弧菌（Vibrio cholerae）感染人體后，產生一種毒素：霍亂毒素（cholera toxin，一種毒蛋白），具有催化作用，可將NAD+上的ADP-核糖基團轉移到Gsα亞基上（圖5-29）， 使G蛋白核糖化（ADP-ribosylation），這樣抑制了α亞基的GTPase活性，從而抑制了GTP的水解，使Gs一直處于激活狀態。其結果使腺苷酸環化酶處于永久活性狀態，cAMP的形成失去控制，引起Na+和水分泌到腸腔導致嚴重腹泄。
百日咳則是由百日咳桿菌（Bordetella pertussis）所引起， 該菌產生的百日咳毒素（pertussis toxin）同樣使G蛋白的α亞基ADP核糖化。與霍亂毒素作用機理不同的是，百日咳毒素使Gi蛋白α亞基進行ADP核糖化，阻止了Gi蛋白α亞基上的GDP被GTP取代， 使其失去對腺苷酸環化酶的抑制作用， 其結果也是使cAMP的濃度增加。由于百日咳是經呼吸道感染的，被感染的細胞與呼吸系統相關，這些細胞中cAMP濃度的提高，促使大量的體液分泌進入肺，引起嚴重的咳嗽。
圖5-29 G蛋白的核糖化
■ 蛋白激酶A與底物磷酸化
● 蛋白激酶 A （protein kinase A，PKA）
又稱為依賴于cAMP的蛋白激酶A （cyclic-AMP dependent protein kinase A），是由四個亞基組成的四聚體（圖5-30）。一般認為， 真核細胞內幾乎所有的cAMP的作用都是通過活化PKA，從而使其底物蛋白發生磷酸化而實現的。
圖5-30 cAMP激活蛋白激酶A
cAMP與PKA的調節亞基結合，使PKA的調節亞基與催化亞基分開，被激活的催化亞基可使底物磷酸化。
● 磷酸化與去磷酸化
磷酸化和去磷酸化是信號轉導中最簡便而又十分快捷的反應方式，一般是通過磷酸化而激活，去磷酸化而失活，磷酸成為蛋白（酶）的活性標記。例如，磷酸酶-1的激活是受一種稱為抑制劑-1（inhibitor-1）的蛋白控制，而這種抑制蛋白又是通過磷酸化和去磷酸化進行活性與非活性狀態的轉換（圖5-31）。
圖5-31 抑制劑-1的磷酸化和去磷酸化在激素應答中的作用
■ 蛋白激酶A的細胞質功能與細胞核功能
● 蛋白激酶A被cAMP激活后能夠使多種底物磷酸化，引起多種反應（表5-5）。
表5-5 可被PKA磷酸化的某些底物
■ 蛋白激酶A的細胞質功能與細胞核功能
● 蛋白激酶A被cAMP激活后能夠使多種底物磷酸化，引起多種反應（表5-5）。
表5-5 可被PKA磷酸化的某些底物
| 肌鈣蛋白Ⅰ | 磷酸化酶激酶 | 肌糖原合成酶 |
| 激素敏感性脂酶 | 丙酮酸激酶 | 乙酰膽堿受體δ |
| 肝酪氨酸羥化酶 | S6核糖體蛋白 | 磷酸化酶激酶α |
| 蛋白磷酸酶抑制劑-1 | 磷酸化酶激酶β | 肌球蛋白輕鏈激酶 |
| 乙酰CoA羧化酶 | 果糖-1，6-二磷酸酶 | 磷酸果糖激酶 |
| CREB（cAMP效應元件結合因子 | 磷酸酶-1蛋白 |
● PKA既可直接修飾細胞質中的底物蛋白，使之磷酸化后立即起作用，也可以進入細胞核作用于基因表達的調控蛋白（如CREB），啟動基因的表達（圖5-32）。
圖5-32 cAMP與蛋白激酶對細胞活性的影響
● 蛋白激酶A的細胞質功能：糖原分解
在脊椎動物中，糖原的分解受一些激素的控制，如腎上腺素和胰高血糖素中的任何一種激素同細胞膜受體結合，都會激活磷酸化酶，使糖原分解成1-磷酸葡萄糖，然后進一步分解為6-磷酸葡萄糖、葡萄糖后進入血液 （圖5-33）。
哺乳動物細胞中糖原的分解是第二信使cAMP通過PKA激活細胞質中的靶酶引起信號轉導的典型例子， 請說明其機理。
圖5-33 肝細胞對胰高血糖素和腎上腺素的應答
● 蛋白激酶A的細胞核功能：調節基因表達
被cAMP激活的PKA，大多數在胞質溶膠中激活一些細胞質靶蛋白，也有少數被激活的PKA可以轉移到細胞核中磷酸化某些重要的核蛋白，其中多數是被稱為CREB（cAMP response element binding，cAMP效應元件結合因子）的轉錄因子（圖5-33）。
為什么說腎上腺素和胰高血糖素不僅激活了催化糖原裂解的酶，而且還促進細胞利用小分子前體合成葡萄糖？
■ cAMP信號的終止
該途徑的信號解除有兩種方式：
● 通過cAMP磷酸二酯酶（cAMP phosphodiesterase，PDE）將cAMP的環破壞，形成5＇-AMP（圖5-34）。
圖5-34 cAMP磷酸二酯酶催化cAMP生成5‘-AMP
● 通過抑制型的信號作用于Ri，然后通過Gi起作用。Gi蛋白被激活后，GTP同Gi蛋白的α亞基結合，Gi的α亞基與Giβγ復合物分離，并在細胞膜的胞質面進行擴散；當Gi的α亞基與腺苷酸環化酶結合后則抑制其活性；而Giβγ復合物則可同激活型的Gsα作用，阻止它去激活腺苷酸環化酶。
