第二节 G蛋白偶联受体及其介导的信号转导
G蛋白偶联受体(GPCR)是细胞表面受体中最大的家族。统计表明，在人类基因组中有总数大约900个成员，其中有一半的基因被认为主要是编码嗅觉受体，尽管许多天然相关配体尚未被鉴定。现有超过30%的临床处方药物是针对GPCR所介导信号通路为靶点研制和开发的，可见它与人类的健康密切相关。
一、G蛋白偶联受体的结构与作用机制
G蛋白是三聚体GTP结合调节蛋白( (trimeric GTP
binding regulatory protein)的简称，位于质膜内胞浆侧，由a、β、γ三个亚基组成，β和γ亚基以异二聚体形式存在，a和βy亚基分别通过共价结合的脂分子锚定在质膜上。
GPCR所介导的信号转导通路均具有如下共同元件
(1)所有GPCR均具有7次跨膜的α螺旋结构，即都含有7个疏水肽段形成的跨膜α螺旋区和相似的三维结构，N端在细胞外侧，C端在细胞胞质侧。每个跨膜α螺旋由22~24个氨基酸残基组成疏水核心区，其中螺旋5和6之间的胞内环状结构域C3和C4(C末端)，对于受体与G蛋白之间的相互作用具有重要作用(图11-10)。推测配体与受体的结合会引起H5和H6螺旋的彼此相对移动，结果导致C3环构象改变使之容许结合并激活G蛋白a亚基。
GPCR介导很多胞外信号的细胞应答，GPCR家族包括多种对蛋白或肽类激素、局部介质、神经递质和氨基酸或脂肪酸衍生物等配体识别与结合的受体，以及哺乳类嗅觉、味觉受体和视觉的光激活受体(视紫红质)。在线虫基因组19000个基因中大约编码100种不同的GPCR。尽管与这类受体相互作用的信号分子多种多样，受体的氨基酸序列也千差万别，但从已分析过的GPCR的结果表明，所有真核生物从单细胞酵母到人类都具有相似的七次跨膜结构。许多GPCR的亚族的这种结构特征，在演化上是高度保守的；同时，不同的GPCR亚型也可以结合相同的激素，产生不同的的细胞效应。
(2)均偶联一个三聚体G蛋白，其功能是作为分子开关，以促成该蛋白在“活化”与“失活”两种状态之间转换。三聚体G蛋白α亚基本身具有GTP酶活性，是分子开关蛋白。当配体与受体结合，三聚体G蛋白解离，并发生GDP与GTP交换，游离的G-GTP处于活化的开启状态，导致结合并激活效应器蛋白，从而传递信号；当Gα-GTP水解形成G-GDP时，则处于失活的关闭状态，终止信号传递并导致三聚体G蛋白的重新装配，恢复系统进入静息状态(图11-11)。有些信号途径，效应器蛋白是离子通道，其活性受游离的Gβy亚基调节并激活。由于阐明了胞外信号如何转换为胞内信号的机制，对G蛋白发现作出重要贡献的A.G. Gilman和m. Rodbell，因此荣获1994年诺贝尔生理学或医学奖。
表11-3列出了哺乳类三聚体G蛋白的主要种类及其效应器。
(3)均具有与质膜结合的效应器蛋白( effector protein)，细胞表面通过G蛋白偶联的受体有多种效应器蛋白，包括离子通道蛋白、腺苷酸环化酶( adenylyl cyclase)和磷脂酶C( phospholipase C，PC)等。不同的G蛋白被不同的GPCR激活，继而调控不同的效应器蛋白，分别产生不同的细胞效应。包括Gy激活K通道效应器，改变膜电位；激活或抑制腺苷酸环化酶，改变cAMP第二信使的浓度；激活磷脂酶C，产生由膜脂(磷脂酰肌醇)衍生而来的1，4，5-三磷酸肌 As (inositol 1， 4， 5-trisphosphate， IP. )和二酰甘油（1，2- diacylglycerol，dag)两种关键第二信使。
(4)在信号通路中均具有参与反馈调节或导致受体脱敏的蛋白。细胞对外界信号作出适度的反应既涉及信号的有效刺激和信号转导的启动，也依赖于信号的解除与细胞反应的终止，特别值得注意的是信号的解除与终止和信号的刺激与启动对于确保靶细胞对信号的适度反应来说同等重要。解除与终止信号的重要方式是在信号浓度过高或细胞长时间暴露某一种信号刺激的情况下，细胞会以不同的机制使受体脱敏，这种现象又称之为适应( adaptation)，这是一种负反馈调控机制
二、G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路
由GPCR所介导的细胞信号通路按其效应器蛋白的不同，可区分为三类：①激活离子通道的GPCR；②激活或抑制腺苷酸环化酶，以cAMP为第二信使的GPCR；③激活磷脂酶C，以1，4，5-三磷酸肌醇和二酰基甘油作为双信使的GPCR。该类信号通路由于配体的多样性，效应蛋白及其第二信使的不同，所介导细胞反应也是多方面的，既包括调控离子通道开启而影响膜电位的变化，又包括改变酶类或其他蛋白质活性而调控细胞代谢，还参与对某些基因表达的调控。
()激活离子通道的G蛋白偶联受体所介导的信号通路
当受体与配体结合被激活后，通过偶联G蛋白的分子开关作用，调控跨膜离子通道的开启与关闭，进而调节靶细胞的活性，这是最简单的细胞对信号做出的应答反应，也是神经冲动传导最基本的反应。如心肌细胞的M型乙酰胆碱受体和视杆细胞的光敏感受体，都属于这类调节离子通道的GPCR。
1.心肌细胞上M型乙酰胆碱受体激活G蛋白开启K通道
M型乙酰胆碱受体( muscarinic acetylcholine receptor在心肌细胞膜上与G蛋白偶联，乙酰胆碱配体与受体结合使受体活化，导致G结合的GDP被GTP取代，引发三聚体G蛋白解离，使βy亚基得以释放，进而直接诱发心肌细胞质膜上相关的效应器K通道开启，随即引发细胞内K外流，从而导致细胞膜超极化( hyperpolarization)，减缓心肌细胞的收缩频率(图1112)。该结果已被体外膜片钳( (patch- clamping)实验所证实。许多神经递质受体是GPCR，有些效应器蛋白是Na或K通道。神经递质与受体结合引发G蛋白偶联的离子通道的开放或关闭，进而导致膜电位的改变。
2.激活G蛋白偶联的光敏感受体诱发CGMP门控阳离子通道的关闭
人类视网膜含有两类光受体( photoreceptor)，负责视觉刺激的初级感受。视锥细胞的光受体与色彩感受相关，视杆细胞的光受体接受弱光刺激。视紫红质( rhodopsin)是视杆细胞G蛋白偶联的光受体，定位在视杆细胞外段上千个扁平膜盘上，三聚体G蛋白与视紫红质偶联，通常称之为传导素( (transducin，简称G)。人类视杆细胞含有大约4×107个视紫红质分子。
视紫红质分子即光敏感的GPCR，具有7次跨膜的典型结构，视紫红质组成视蛋白( opsIn)，并与光吸收色素(11-顺式视黄醛)共价连接。吸收光子后，转换为全反式视黄醛，从而引发视蛋白构象改变。
如图11-13所示，在暗适应状态下的视杆细胞，高水平的第二信使cGMP保持CGMP门控非选择性阳离子通道的开放，光的吸收产生激活的视蛋白O(步骤1)；活化的视蛋白与无活性的GDP-G三聚体蛋白结合并引发GDP被GTP置换(步骤2)；G三聚体蛋白解离形成游离的G，通过与cGMP磷酸二酯酶(PDE)抑制性γ亚基结合导致PDE活化(步骤3)；同时引起γ亚基与催化性α和β亚基解离，由于抑制的解除，催化性α和β亚基使cGMP转换成GMP(步骤4)；由于胞质中cGMP水平降低导致cGMP从质膜cGMP门控阳离子通道上解离下来并致使阳离子通道关闭(步骤5)，然后，膜瞬间超极化。
(二)激活或抑制腺苷酸环化酶的G蛋白偶联受体
在绝大多数哺乳类细胞，GPCR介导的信号通路遵循如图11-12所示的普遍机制。在该信号通路中，Ga的首要效应酶是腺苷酸环化酶，通过腺苷酸环化酶活性的变化调节靶细胞内第二信使cAMP的水平，进而影响信号通路的下游事件。这是真核细胞应答激素反应的主要机制之一。
不同的受体配体复合物或者刺激或者抑制腺苷酸环化酶活性，这类调控系统主要涉及5种蛋白质组分(图11-14)：①刺激型激素的受体( (receptor for stimulatory hormone. R )，②抑制型激素的受体( receptor for inhibitory hormone，r)，③刺激型G蛋白( (stimulatory G-protein，，g，④抑制型G蛋白( inhibitory C- -proteIn，G；)，⑤腺苷酸环化酶。
R和R均为7次跨膜的GPCR，但与之结合的胞外配体不同。已知R有几十种，包括肾上腺素β型受体、胰高血糖素受体、后叶加压素受体、促黄体生成素受体、促卵泡激素受体、促甲状腺素受体、促肾上腺皮质激素受体和肠促胰酶激素受体等；R有肾上腺素a2型受体、阿片肽受体、乙酰胆碱M型受体和生长素释放抑制因子受体等。
刺激型激素与相应受体R结合，偶联G(具刺激型亚基，即Ga)，刺激腺苷酸环化酶活性，提高靶细胞cAMP水平；抑制型激素与相应受体R结合，偶联G(具抑制型α亚基，即G；，但和G含相同的βy亚基)，结果抑制腺苷酸环化酶活性，降低靶细胞cAMP水平。
腺苷酸环化酶是分子质量为150kDa的12次跨膜蛋白，胞质侧具有两个大而相似的催化结构域，跨膜区有两个整合结构域，每个含6个跨膜α螺旋；人工制备包含G、腺苷酸环化酶催化结构域的两个蛋白质片段的X射线晶体学分析，已获得三维结构证明(图11-15)。腺苷酸环化酶在Mg2或Mn2存在条件下，催化ATP生成cAMP。在正常情况下细胞内cAMP的浓度小于10-mol/L，当腺苷酸环化酶被激活后，cAMP水平急剧增加，使靶细胞产生快速应答；在细胞内还有另一种酶即cAMP磷酸二酯酶，可降解cAMP生成5-AMP，导致细胞内cAMP水平下降，而终止信号反应。AMP浓度在细胞内的迅速调节是细胞快速应答胞外信号的重要基础。
在多细胞动物各种以cAMP为第二信使的信号通路，主要是通过cAMP激活的蛋白激酶A( ( protein kinase A，PKA)所介导的。无活性的PKA是2个调节亚基( regulatory subunit，r)和2个催化亚基( catalytic subunit，C)组成的四聚体，在每个R亚基上有2个cAMP的结合位点，cAMP与R亚基结合是以协同方式( cooperative fashion)发生的，即第一个cAMP的结合会降低第二个cAMP结合的解离常数K，因此胞内cAMP水平的很小变化就能导致PKA释放C亚基并快速使激酶活化(图11-16)。通过激素引发的某些抑制物的解离导致酶的迅速活化是各种信号通路的普遍特征。绝大多数哺乳类细胞表达GPCR。虽然许多激素刺激这些受体导致PKA的激活，但是细胞应答反应可能只依赖于细胞表达的特殊PKA异构体和PKA底物。例如，肾上腺素对糖原代谢的细胞效应是通过cAMP和PKA所介导的，但主要限于肝细胞和肌细胞，它们表达与糖原合成和降解有关的酶。在脂肪细胞，肾上腺素诱导的PKA的激活促进磷脂酶的磷酸化和活性。磷酶的作用是催化三酰甘油水解生成脂肪酸和甘油。释放的脂肪酸进入血液并被其他组织(如肾、心和肌肉)细胞用作能源。然而，卵巢细胞( ovarian ce)Pcr在某些垂体激素刺激下导致PKA活化，转而促进两种类固醇激素(雌激素和孕酮)的合成，这对雌性性征发育至关重要。虽然PKA在不同类型的细胞作用于不同底物，但PKA总是磷酸化相同序列的基序X-Ag(Arg/ys)-x-(er/hr)-中(X代表任意氨基酸，代表疏水氨基酸)的丝氨酸(Ser)和苏氨酸(Thr)残基，其他的Ser/Thr激酶磷酸化不同序列基序中的靶残基。
1.cAMP-PKa信号通路对肝细胞和肌细胞糖原代谢的调节
糖原代谢是由激素诱导的PKA的活化所调节的。
正常人体维持血糖水平的稳态，需要神经系统、激素及组织器官的协同调节。肝和肌肉是调节血糖浓度的主要组织。脑组织活动对葡萄糖是高度依赖的，因而在应答胞外信号的反应中，cAMP水平会发生快速变化，几乎在20s内cAMP水平会从5×10-molL上升到106molL水平。细胞表面GPCR应答多种激素信号对血糖浓度进行调节。以肝细胞和骨骼肌细胞为例，cAMP-PKA信号对细胞内糖原代谢起关键调控作用，这是一种短期的快速应答反应。当细胞内cAMP水平增加时，cAMP依赖的PKA被活化，活化的PKA首先磷酸化糖原磷酸化酶激酶(GPK)，使其激活，继而使糖原磷酸化酶(GP)被磷酸化而激活，活化的GP刺激糖原的降解，生成1-磷酸葡糖；另一方面活化的PKA使糖原合酶(GS)磷酸化，抑制糖原的合成。此外，活化的PKA还可以使磷蛋白磷酸酶抑制蛋白(IP)磷酸化而被激活，活化的IP与磷蛋白磷酸酶(PP)结合并使其磷酸化而失活(图11-17A)；当细胞内cAMP水平降低时，cAMP依赖的PKA活性下降，致使IP磷酸化过程逆转，导致PP被活化。活化PP使糖原代谢中GPK和GP去磷酸化，从而降低其活性，导致糖原降解的抑制，活化PP还促使GS去磷酸化，结果GS活性增高，从而促进糖原的合成(图11-17B)。
在激活GPCR—腺苷酸环化酶CAMP-PKA的信号通路中，信号依赖第二信使和激酶级联反应被逐级放大。在GPCR介导的信号转导系统中，又有多种机制使受体功能被下调：一是当Gα伴随释放GTP而结合GDP时，受体对相应配体的亲和性下降；二是当G与腺苷酸环化酶结合时，G潜在的GTP酶活性被激活，使GTP水解为GDP；三是cAMP在磷酸二酯酶作用下使cAMP水解形成5-AMP，终止细胞反应。
2.AMP-PKA信号通路对真核细胞基因表达的调控
AMP-PKA信号通路对细胞基因表达的调节是类细胞应答胞外信号缓慢的反应过程，因为这一过程涉及细胞核机制，所以需要几分钟乃至几小时。这一信号通路控制多种细胞内的许多过程，从内分泌细胞的激素合成到脑细胞有关长期记忆所需蛋白质的产生。该信号途径涉及的反应链可表示为：激素→GPCR→G蛋白→腺苷酸环化酶→AMP→CAMP依赖的PKA→基因调控蛋白(CREB)→基因转录。
信号分子与受体结合通过Ga激活腺苷酸环化酶，导致细胞内cAMP浓度增高，cAMP与PKA调节亚基结合，导致催化亚基释放，被活化的PKA的催化亚基转位进入细胞核，使基因调控蛋白(cAMP应答元件结合蛋白，CREB)磷酸化，磷酸化的CREB与核内CREB结合蛋白(CBP)特异结合形成复合物，复合物与靶基因调控序列( cAMP-response element，re)结合，激活靶基因的转录(图11-18)。
在讨论GPCR介导的信号通路时，我们不禁要问为什么不同的信号(配体)通过类似的机制会引发多种不同的细胞反应?这主要取决于GPCR的特异性。首先，对某一特定的配体其受体可以几种不同的异构体形式存在，并对该配体和特定G蛋白有不同的亲和性。现已知肾上腺素受体有9种不同的异构体，5-羟色胺的受体有15种不同的异构体；其次，现已知人类基因组由16个基因至少编码21种不同的G，6种不同的Gβ和12种不同的Gy。还有9种不同的腺苷酸环化酶。不同的受体，G蛋白不同的亚基组合的多样性以及不同的效应酶，决定了众多不同的细胞反应。
有些细菌毒素( toxin)含有一个跨细胞质膜的亚基，能催化G-GTP的化学修饰，从而防止结合的GTP水解成GDP，结果Gα持续维持在活化状态，在缺乏激素刺激的情况下也会不断地激活酰苷酸环化酶，产生第二信使，向下游传递信号。霍乱毒素( cholera toxIn)具有ADP-核糖转移酶活性，进入细胞催化胞内的NAD的ADP核糖基共价结合G上，致使Gα丧失GTP酶活性，与G结合的GTP不能水解成GDP，结果GTP永久结合在G上，处于持续活化状态并不断地激活腺苷酸环化酶，使腺苷酸环化酶被“锁定”在活化状态。霍乱病患者的症状是严重腹泻，其主要原因就是霍乱毒素催化GADP-核糖基化，致使小肠上皮细胞中cAMP水平增加100倍以上，导致细胞大量Na和水分子持续外流，产生严重腹泻而脱水。百日咳博德特菌( Bordetella pertussis)产生百日咳毒素( (pertussisoxin)催化GADP-核糖基化，阻止了G上GDP的释放，使G被“锁定”在非活化状态，Ga的失活导致气管上皮细胞内cAMP水平增高，促使液体、电解质和黏液分泌减少。
(三)激活磷脂酶C和以IP3和DAG作为双信使的GPCR介导的信号通路
通过GPCR介导的另一条信号通路是磷脂酰肌醇信号通路，其信号转导是通过效应酶磷脂酶C完成的。
细胞肌醇磷脂代谢途径如图11-19所示，双信使P3和DAG的合成来自膜结合的磷脂酰肌醇(PI)。细胞膜结合的PI激酶将肌醇环上特定的羟基磷酸化，形成4-磷酸磷脂酰肌醇(PIP)和4，5-二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)，胞外信号分子与G或G蛋白偶联的受体结合，通过如前所述的G蛋白开关机制引起质膜上磷脂酶C的β异构体(PLC)的活化，致使质膜上PIP2被水解生成IP3和DAG两个第二信使。IP3在细胞质中扩散，DAG是亲脂性分子联系在膜上。
IP3刺激细胞内质网释放Ca2进入细胞质基质，使胞内Ca2浓度升高，DAG激活蛋白激酶C(PKC)，活化的PKC进一步使底物蛋白磷酸化，并可活化Na/H交换引起细胞内pH升高。以磷脂酰肌醇代谢为基础的信号通路的最大特点是胞外信号被膜受体接受后，同时产生两个胞内信使，分别激活两种不同的信号通路，即PCa2和DAG/PKC途径(图11-20)，实现细胞对外界信号的应答，因此把这种信号系统又称之为“双信使系统”( (double messenger system)。
1.P3-Ca2信号通路
胞外信号分子与GPCR结合，活化G蛋白(G或Gα)，进而激活磷脂酶C，催化PIP2水解生成IP3和DAG两个第二信使。IP3通过细胞内扩散，结合并开启内质网膜上IP3敏感的Ca2通道，引起Ca2顺电化学梯度从内质网钙库释放进入细胞质基质。所以，IP3的主要功能是引发贮存在内质网中的Ca2转移到细胞质基质中，使胞质中游离Ca2浓度提高。依靠内质网膜上的I3门控Ca2通道(IP3- gated Ca2 channel)，将储存的Ca2释放到细胞质基质中是几乎所有真核细胞内Ca2动员的主要途径。IP3门控Ca2通道由4个亚基组成，每个亚基在N端胞质结构域有一个IP3结合位点，IP3的结合导致通道开放，Ca2从内质网腔释放到细胞质基质中(图11-21)。
在细胞中发现的各种磷酸肌醇加到内质网膜泡的制备物中，只有IP3能引起Ca2的释放，表明IP3具有效应特异性。IP3介导的Ca2水平升高只是瞬时的，不仅是因为质膜和内质网膜上Ca2泵的启动会分别将Ca2泵出细胞和泵进内质网腔，而且是由于细胞质基质中的Ca2对I3门控Ca2通道进行双向调控。一方面，Ca2+会增加通道的开启，结果引发储存Ca2的更多释放。另方面，细胞质基质中Ca2浓度的进一步升高，又会导致通道失活，中止IP3诱导的胞内储存Ca2+的释放。当细胞中IP3通路受到刺激时，这种由细胞质基质中Ca2对内质网膜上IP3门控Ca2通道的复杂调控会导致细胞质基质中Ca2水平的快速振荡( oscillation))。例如垂体中激素分泌细胞受到黄体生成素释放激素(LHRH)的刺激，引发细胞质基质中Ca2水平产生快速而重复的脉冲，每个脉冲又都与LH分泌的高潮相吻合。
在细胞信号转导过程的研究中，人们对信号分子与受体的相互作用及其最终的生物学效应已经有了比较多的了解。但是信息是如何在细胞中传递的细节却知之甚少。借助于能与Ca2特异结合的荧光试剂如Fura-2和Fluo-3的发明和激光共聚焦显微镜的使用，人们得以在活细胞中实时观察和记录细胞中Ca2浓度的微弱变化(图1122A)，从而揭示了作为第二信使的钙信号在细胞中传递的机制。
1993年以来，钙火花(Ca2 spark)等一系列微区钙信号传导单元的发现，显示出钙信号转导过程中，在时间、空间和幅度上形成多尺度、多层次的精细结构。钙火花的直径约2μm，体积8f。在短短的10ms内，细胞中某一微区Ca2探针Flu-3的荧光强度骤升一倍，随后又在20ms内消失，故称钙火花(图11-22B)。钙火花的发生是一个“扩散一反应”的过程，即Ca2从簇雷诺丁受体( ryanodine receptor)构成的发放源放出向周围扩散，并通过不同的分子机制回收或清除，以恢复细胞质中正常的静息Ca2浓度。在单个心肌细胞中，每次收缩可形成大约104个钙火花，它们在时间和空间上的叠加形成了细胞水平的钙振荡，驱动心肌细胞收缩。此外，细胞微区钙信号的存在，也大大丰富了Ca2编码生物信息的能力。在平滑肌细胞膜周的钙火花，却可选择性地影响膜上离子通道，导致细胞膜超极化和细胞外钙内流下降，最终引发平滑肌舒张。
钙信号基本单元钙火花的研究，将钙信号作用原理的单一性与其调控和功能的复杂性统一起来。快速变化的钙信号与肌肉收缩、神经递质传递、激素分泌等生理过程直接相关，而不同的钙信号的组合在长时程的生物学过程，如基因表达、细胞凋亡以及受精作用中都发挥重要的作用。因此，对钙火花等微区钙信号激活机制协同机制和终止机制等方面的研究具有非常重要的生理与病理意义。
般情况Ca2不直接作用于靶蛋白，而是通过Ca2应答蛋白间接发挥作用。钙调蛋白( calmodulin，CaM)是真核细胞中普遍存在的Ca2应答蛋白，分子质量为16.7kDa，由148个氨基酸残基组成，含4个结构域，每个结构域可结合一个Ca2。首先Ca2与CaM结形成活化态的Ca2-CaM复合体，然后再与靶酶结合将其活化(表11-4)，这是一个受Ca2浓度控制的可逆反应。钙调蛋白本身无活性，但由于Ca2+与CaM结合的协调作用，细胞质中微小的Ca2浓度变化即可导致活化Ca水平的很大变化。钙调蛋白激酶( CaM kinase)是特别重要的一类靶酶，在动物细胞许多功能活动中是由钙调蛋白激酶所介导的。如细胞内Ca2+-CaM复合物水平的升高有利于启动受精后胚胎发育，兴奋肌肉细胞的收缩，刺激内分泌细胞和神经细胞的分泌。在哺乳类脑神经元突触处一种特殊的钙调蛋白激酶十分丰富，是构成记忆通路的组分，失去这种钙调蛋白激酶的突变小鼠表现出明显的记忆无能。依细胞类型不同，Ca2可激活或抑制各种靶酶和运输系统，改变膜的离子通透性，诱导膜的融合或者改变细胞骨架的结构与功能。
2.Ca2-O-CGMP-活化的蛋白激酶G信号途径
血管平滑肌细胞的舒张是由该信号通路所诱导的。
早在认识NO作为气体信号分子之前，科学家有两个重要发现：20世纪80年代发现在培养条件下巨噬细胞的杀菌活性依赖于培养基中精氨酸的存在，而精氨酸是NO合酶( nitric oxide synthase，Os)的底物，提示NO是一种重要的生物功能分子；此外，多年前人们就知道乙酰胆碱( acetylcholine)通过引起平滑肌松弛而舒张血管。1980年R. Furchgott提出血管舒张是因为血管内皮细胞产生一种信号分子引起血管平滑肌松弛所致。随后在1986年 Furchgott和. Ignarro的研究证实，NO作为气体信号分子引起血管平滑肌舒张。正是这些研究贡献使 Furchgott等三位美国科学家获得1998年诺贝尔生理学或医学奖。NO是一种具有自由基性质的脂溶性气体分子，可透过细胞膜快速扩散，作用邻近靶细胞发挥作用。由于体内存在氧及其他与NO发生反应的化合物(如超氧离子、血红蛋白等)，因而NO在细胞外极不稳定，其半衰期只有2~30s，只能在组织中局部扩散，被氧化后以硝酸根(NO3)或亚硝酸根(NO2)的形式存在于细胞内外液中。血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞，NO的生成需要NOS的催化，以L-精氨酸为底物，以还原型辅酶Ⅱ( NADPH)作为电子供体，等当量地生成NO和L-瓜氨酸。NO没有专门的储存及释放调节机制，作用于靶细胞的NO的多少直接与NO的合成有关。NO这种可溶性气体，作为局部介质在许多组织中发挥作用，NO发挥作用的主要机制是激活靶细胞内具有鸟苷酸环化酶( guanylate cyclase，gC)活性的NO受体。内源性NO由NOS催化合成后，扩散到邻近细胞，与鸟苷酸环化酶活性中心的Fe2结合，改变酶的构象，导致酶活性增强和cGMP水平增高。cGMP的作用是通过cGMP依赖的蛋白激酶G(PKG)活化，抑制肌动-肌球蛋白复合物信号通路，导致血管平滑肌舒张(图11-23)。此外，心房钠尿肽 (atrial natriuretic peptide，ANP)和某些多肽类激素与血管平滑肌细胞表面受体的结合，也会引发血管平滑肌舒张，这些细胞表面受体的胞质结构域也具有内源性鸟苷酸环化酶活性，通过类似的机制调节心肌的活动。NO对血管的影响可以解释为什么硝酸甘油( nitroglycerin)能用于治疗心绞痛病人，硝酸甘油在体内转化为NO，可舒张血管，从而减轻心脏负荷和心肌的需氧量。
3.Dg-PK信号途径
作为双信使之一的二酰甘油(DAG)结合在质膜上，可活化与质膜结合的蛋白激酶C(PKC)。PKC有两个功能区，一个是亲水的催化活性中心，另一个是疏水的膜结合区。在静息的细胞中，PKC以非活性形式分布于细胞质中，当细胞接受外界信号刺激时，PIP2水解，质膜上DAG瞬间积累，由于细胞质中Ca2浓度升高，导致细胞质基质中PKC与Ca2结合并转位到质膜内表面，被DAG活化，进而使不同类型细胞中不同底物蛋白的丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化。PKC是Ca2+和磷脂酰丝氨酸依赖性的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，具有广泛的作用底物，参与众多生理过程，既涉及许多细胞“短期生理效应”如细胞分泌、肌肉收缩等，又涉及细胞增殖、分化等“长期生理效应”。DAG只是PIP2水解形成的暂时性产物，DAG通过两种途径终止其信使作用 是被DAG激酶磷酸化形成磷脂酸，进入肌醇磷
脂代谢途径(图11-19)；二是被DAG脂酶水解成单脂酰甘油。由于DAG代谢周期很短，不可能长期维持PKC活性，而细胞增殖或分化行为的变化又要求PKC长期所产生的效应。现发现另一种DAG生成途径，即由磷脂酶催化质膜上的磷脂酰胆碱断裂产生的DAG，用来维持PKC的长期效应。在许多细胞中，PKC的活化可增强特殊基因的转录。已知至少有两条途径：是PKC激活一条蛋白激酶的级联反应，导致与DNA特异序列结合的基因调控蛋白的磷酸化和激活，进而增强特殊基因的转录；二是PKC的活化，导致一种抑制蛋白的磷酸化，从而使细胞质中基因调控蛋白摆脱抑制状态释放出来，进入细胞核，刺激特殊基因的转录(图11-24)。
