【细胞生物学】G蛋白的结构与功能

1. 异源三体G蛋白的结构组成

G蛋白偶联系统中的G蛋白是由3不同亚基组成的异源三体G蛋白，3个亚基分别是α、β、γ，总分子质量在100KDa左右，β亚基为36KDa左右，γ亚基为8-11kDa。Β、γ亚基通常紧密结合在一起，只有在蛋白变性时才分开，鸟苷结合位点位于α亚基上。此外，α亚基还具有GTPase的活性结构域和ADP核糖化位点。G电白属于外周蛋白，他们在膜的细胞质面通过脂肪酸链锚定在质膜上。G蛋白是一个大家族，研究较多是转导激素对想氨酸环化酶的活化过程（G_s）、转导激素对腺苷酸环化酶的抑制作用（G_i），另外还有其他的一些三体G蛋白。G蛋白有多种调节功能，包括G_s和G_i对腺苷酸环化酶的激活和抑制，对cGMP磷酸二酯酶的活性调节、对磷脂酶C的调节、对细胞内Ca2+浓度的调节等。此外还参与闸门离子通道的调节。

2. G蛋白循环

G蛋白在G蛋白偶联信号转导系统中所起的作用相当于一个功能开关，因为G蛋白能够以两种不同的状态结合在细胞质上。一种是静息状态，即三体状态，此时的α亚基上结合的是GDP。另一种是活性状态，此时的α亚基上结合的是GTP，并且α亚基已与β、γ亚基分开，而同某一特异蛋白结合在一起，引起信号转导。如果GTP被水解成GDP，则G蛋白又恢复成三体的静息状态，因为此时在α亚基上结合的是GDP而非GTP。G蛋白由非活性状态转变成活性状态，而后又恢复到非活性状态的过程称为G蛋白循环。

G蛋白的这种活性与以下3种蛋白相关联：

GTPase激活蛋白（GAP）大多数G蛋白具有催化所结合的GTP水解的能力，但是这种能力在与GAP相互作用时会大大提高。由于GAP的作用加速了GTP的水解，因而GAP能够缩短G蛋白介导应答的时间。

鸟苷交换因子（GEF） 与失活G蛋白结合的GDP被GTP替换后，G蛋白就会转变成活性状态。GEF是促进GDP从G蛋白上解离的蛋白因子，一旦GDP被释放，G蛋白很快就会与GTP结合，因为细胞中的GTP的浓度 很高，所以GEF能够激活G蛋白。

鸟苷解离抑制蛋白（GDI）的作用是一支结合的GDP从G蛋白释放出来，所以GDI可保持G蛋白处于非活性状态。

3. G蛋白在信号转导中的作用

某些G蛋白可直接控制离子通道的通透性，一个典型的例子是通过神经递质乙酰胆碱调节心肌收缩。心肌细胞含有很多毒蝇碱性乙酰胆碱受体，乙酰胆碱与毒蝇碱性乙酰胆碱受体结合，通过引起K⁺通道的开放来降低心跳。由于细胞内K⁺浓度比细胞外高，K⁺从细胞内扩散出来，使得质膜超级化。这一发现是通过膜片钳技术研究出来的。在控制的条件下，第二信使（如cAMP）形成极少。将纯化的G蛋白加入到膜片中会激发K⁺离子通道打开，K⁺离子通道也可被纯化的G蛋白的α亚基打开，但是不能被β和γ亚基打开。这些发现说明乙酰胆碱与毒蝇碱性乙酰胆碱受体结合激活了G蛋白，而激活的G蛋白α亚基可将K+离子通道打开。后来研究发现：G蛋白的βγ亚基复合物也能打开K⁺离子通道。