【7.2.8】信号的终止(Termination of the signal)

任何一条信号转导系统在靶细胞中不能始终处于活化状态。细胞必须存在一套有效的灭活机制,能使靶细胞重新恢复到最初的静息状态,以便接受下一轮刺激。

一、有以下几种机制与G蛋白系统的灭活有关:

(1)HR解离

激素停止分泌,其浓度的下降可导致HR的解离,而一旦HR解离,受体就恢复到非活性构象状态。解离下来的配体可能被代谢分解掉也或者被重吸收。例如,乙酰胆碱被乙酰胆碱酯酶水解成胆碱和乙酸,肾上腺素被单胺氧化酶氧化成无活性的醛类化合物或者被分泌它的细胞重新吸收。

(2)受体脱敏

这种过程会因激素的不同而不同。某些受体经G蛋白受体激酶(G-protein receptor kinase,GPRK)的作用发生磷酸化修饰。磷酸化的受体能与胞内的β-拘留蛋白(arrestin)结合。这种蛋白质一方面抑制了受体激活G蛋白的活性,另一方面充当网格蛋白的适配体,使受体更容易发生由网格蛋白介导的内吞,从而使质膜上的受体数目下降。

(3)第二信使的降解或去除(Second messengers are broken down or removed)

G蛋白系统的运转与第二信使的作用是分不开的,但是无论哪一种第二信使在细胞内都有一定的半衰期,比如cAMP可被A-PDE(一种专门水解cAMP的磷酸二酯酶)催化水解为5′-AMP。巧妙的是,A-PDE本身就是PKA的一个底物,在PKA激活以后不久,A-PDE也很快被磷酸化而激活去水解cAMP。当cAMP被水解后,PKA将回到四聚体状态,PKA的活性由此丧失。又如磷酸肌醇系统中产生的IP3可被磷酸酶依次水解成IP2、IP、I,I可作为重新合PI的原料,PI在激酶的催化下形成PIP2,DG则可通过脂循环重新转变为磷脂,或者被水解酶进一步水解成甘油和脂肪酸,其中从DG 的2号位羟基水解下来的脂肪酸一般是花生四烯酸,花生四烯酸可转变为前列腺素等许多生理活性物质,作用于临近的细胞,引起其他的生物学效应。

躁狂症是一种常见的精神疾患,患者脑细胞上的磷酸肌醇系统过于活跃。Li+可被用来治疗躁狂症,原因是它能在体内阻止IP→I,这也就阻止了PIP2的再生,从某种程度上也就抑制了IP3和DG的形成。

钙离子可被钙泵重新泵回内质网腔,这使那些依赖于钙离子激活的蛋白质和酶恢复到原来的无活性状态。

第二信使的代谢若受到抑制,这无疑会延长激素的作用时间。例如,茶碱和咖啡因能够抑制A-PDE的活性,因此,这两种物质在体内能够延长肾上腺素的作用时间,即有兴奋机体的功能。佛波脂(phorbol ester)是一种天然的肿瘤促进剂,原因是其分子结构的一部分和DG非常相似,在体内能够直接激活PKC。但由于佛波脂自身很难被代谢掉,PKC将受到它的持续激活,最终可导致细胞的癌变。

(4)G蛋白的自我灭活

这是由G蛋白本身具有的GTP酶活性来完成的。已知G蛋白的α亚基具有GTP酶活性,虽然活性不高,但是仍然可使G蛋白从有活性的状态变成无活性的状态。G蛋白所具有的GTP酶活性不可以很高,否则G蛋白还没有来得及起作用就把自己灭活掉了。

许多G蛋白的GTP酶活性还需要GAP激活。GAP能提高GTP酶活性,从而加快G蛋白灭活的速度。

如果G蛋白的GTP酶活性受到抑制,将会导致靶细胞持续处于活化状态,而影响细胞的正常功能。McCune Albright综合征是一种骨骼异常和骨囊肿疾患,其病因是Gsα亚基的Arg201突变为His201或Cys201,从而导致GTP酶失活,引起AC持续的激活。

此外,霍乱的发病机理也与此相关。霍乱是一种肠道传染病,由霍乱弧菌引起。霍乱弧菌可产生一种外毒素即霍乱毒素(cholera toxin,CT),CT由1个A1亚基、1个A2亚基和4个B亚基组成,A1亚基和A2亚基之间通过二硫键相联,在小肠上皮细胞的细胞膜上有它的受体。CT作用小肠上皮细胞的第一步是B亚基与受体结合,随后A1亚基和A2亚基之间的二硫键被还原,A1亚基随即进入细胞内。在细胞内,A1亚基作为一种特殊的转移酶,催化NAD+分子上的ADP-核糖基转移到Gsα亚基的Arg201残基上,反应式为:Gs-Arg + NAD+ → Gs-Arg-核糖-ADP + 烟酰胺

Gs蛋白被修饰以后,其GTP酶的活性由此丧失。由于小肠对水分的排泄依赖于Gs蛋白对AC的激活,因此Gs蛋白的GTP酶活性的丧失必然会导致AC的持续活化。这使得cAMP大量被合成,小肠便在短时间内丢失大量水分和电解质。患者因此出现持续的腹泻和呕吐症状,严重可致死。

GTP的类似物GTPNH和GTPCH2(分别由N和C取代GTP分子上β和γ磷酸根之间的O),能够代替GTP与G蛋白的α亚基结合,但却不能被GTP酶水解,因此,在细胞中加入这几种GTP的类似物也可导致G蛋白系统的持续活化。

百日咳(Pertussis,whooping cough)是由百日咳杆菌所致的急性呼吸道传染病。这种细菌能产生一种外毒素——百日咳毒素(pertussis toxin,PT)。PT由1个A亚基和5个B亚基组成。A亚基能进入呼吸道上皮细胞,作为一种转移酶来催化NAD+上的ADP-核糖基转移到Giα亚基的一个Cys残基上,这种修饰可阻止结合在Giα上的GDP与细胞液中的GTP进行交换,也就阻止了Gi蛋白抑制AC。

(5)蛋白质的去磷酸化

除了嗅觉、味觉和视觉以外,G蛋白系统最终一般都会涉及到一些蛋白质激酶(如PKA、PKC和依赖于CaM的蛋白质激酶)对靶蛋白进行磷酸化修饰。然而,细胞内还存在另一类催化磷酸根水解的磷蛋白磷酸酶(phosphorylated protein phosphatase,PPP)。PPP所起的作用是让被激酶修饰的蛋白质恢复到原来的脱磷酸化状态。

二、如果一条信号通路不能及时关闭将如何

例子:

  1. 咖啡和绿茶让你兴奋和减肥(Coffee and green tea can perk you up and help lose your weight)
  2. 万艾可可治疗男性阳痿(Viagra can cure erectile dysfunction or ED)
  3. 锂离子可以治疗躁狂症(Li+ can cure maniac)
  4. 甘油二酯的类似物-佛波酯是一种肿瘤促进剂(DAG analogue-Phorbol ester is a highly carcinogenic agent)
  5. GTP类似物能延长需要G蛋白的激素作用时间(GTP analogues can prolong the action of hormones requiring G proteins)
  6. 霍乱毒素因灭活Gs蛋白的GTP酶活性而导致霍乱(Cholera toxin causes cholera by inactivating GTPase activity of Gs protein)
  7. Ras突变可导致癌变(Ras mutation can lead to cancer)

绿茶和咖啡如何让你兴奋(How do green tea and coffee perk you up)?

  • 茶碱和咖啡因抑制cAMP的水解,从而维持高水平的 cAMP(Theobromine and Caffeine inhibits phosphodiesterase, so cAMP levels remain high)

万艾可治疗男性阳痿(Viagra can cure ED)

万艾可可抑制cGMP的水解,从而维持高水平的cGMP在平滑肌细胞内,松弛平滑肌,增加血流进入阴茎海绵体

参考资料

  • 南京大学 杨荣武老师 《结构生物学》课件
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