第六章

cAMP 、 cGMP

信号转导通路

1 ．掌握 cAMP 的产生及灭活机制； PK

A 的结构、活化机制及其作用； cAMP-

PKA 信号转导通路； cAMP 对糖原代谢过程的调节。

2 ．熟悉 cAMP 作用的靶分子； cAMP 对基因表达的调节； cGMP 的产生与灭活；cGMP 作用的靶分子； cGMP 调节的生理功能。

【目的要求】

　　第一信使

第二信使

一、 cAMP 的发现及第二信使学说　

　　 cAMP 是第一个被发现的第二信使。　　　

NO

CH2O

OHO

N

NN

NH2

PO

OH

　　

萨瑟兰（ Earl W. Sutherland, Jr ） 1915.11.9 ~ 1974.3.9

1971 年获诺贝尔生理学和医学奖

　激素作用的第二信使学说：

　　　胞外化学物质（第一信使）不能进入细胞内部，它作用于细胞表面专一受体，而导致产生胞内第二信使，从而激发一系列的生化反应，产生一定的细胞生理效应，最后第二信使降解，其信号作用终止。

　

二、 cAMP 信号转导通路　　

　（一） cAMP 的产生－腺苷酸环化酶系统

　　　

　

　　腺苷酸环化酶系统：　

　　　受体

　　　 G 蛋白

　　　 AC 催化亚基

　　　活化 AC 的协同因子

　　 1. 　 AC 　

　　　 AC 有Ⅰ ~Ⅸ 9 种亚型，都是膜结合型的。且都可被异三聚体 Gs 蛋白的亚基所活化，但被 Ca2+ 、磷酸化、 Gs 蛋白亚基及 Gi 蛋白亚基调节的情况却各不相同。

　　　

AC 亚型及调节因素　

　AC 亚型 抑制因素 激活因素

Ⅰ Gs 亚基＋亚基

Ca2+

Ⅱ 亚基、 PKC

Ⅲ Gs+Ca2+ 和 CaM

Ⅳ 亚基、 RTK

Ⅴ Ca2+ 、 Gi 亚基Ⅵ Ca2+ 、 PKC

Ⅶ PKC

Ⅷ Ca2+

Ⅸ Cn

　

AC 结构

　　 2. 　活化 AC 的协同因子　

　　　 GTP ：是维持 G 蛋白活化所必需的成分。

　　　 Mg2 ＋：在 G 蛋白亚基的解离、 G 蛋白上 GTP 与 GDP 的置换以及 AC 的催化活性中都起重要的作用。

　　　

　（二） cAMP 作用的靶分子

　 1. 　 PKA

　　　是 cAMP 最主要的效应分子。

　cAMP PKA 靶蛋白磷酸化

　　　　　

　PKA 结构

• PKA 全酶： R2C2 ，Ⅰ型和Ⅱ型

• C 亚基： C 、 C 、 C 、 PKX

　　　含 ATP 结合位点、催化位点、底物结合部位及自主磷酸化位点。

• R 亚基： RⅠ 、 RⅠ 、 RⅡ 、 RⅡ

　　　含二聚化结合域、假底物功能域和 cA

MP 结合位点。

　　　

dimerisation / docking domain --> R monomers --> A-kinase anchoring proteins (AKAPs)

(pseudo-) substrate binding site--> C subunit

cAMP binding domains A and B --> second messenger cAMP

PKA 的 R 亚基

　　 PKA 活化机制

　　　 PKA 的作用：

　　 PKA 为丝氨酸 / 苏氨酸蛋白激酶。其底物包括多种酶、离子通道、结构与调节蛋白、转录因子等。

　　 PKA 底物的磷酸化共有序列是 RRXSY 。

　　 cAMP 引起细胞效应的特异性：

（ 1 ） cAMP 底物 PKA 可组合成多种不同的亚型，不同亚型 PKA 对 cAMP 的亲和力不同，作用的底物时序先后也不同；不同类型的 PKA 底物不同，因此产生的效应不同。

　

　（ 2 ） cAMP 信号的区域化：

　 1 ） AC 及 G 蛋白都位于细胞膜，形成细胞内梯度 cAMP 的起始点；

　 2 ）使 cAMP 灭活的Ⅳ型 PDE 在细胞内特定区域，使弥散的 cAMP 浓度梯度具可调控性；

　 3 ） PKA 锚定蛋白可使 PKA 定位于特定的亚细胞结构。

　　 2. 　环化核苷酸门控阳离子通道

　　嗅觉信号传递过程的离子通道以及心脏窦房结起搏细胞的离子通道有环核苷酸结合位点，能直接与 cAMP 结合并受其调控，称为环化核苷酸门控阳离子通道（ cyclic n

ucleotide-gated cation channel ， CN

G ）。 　　　　

　　

　　 3. 　鸟苷酸交换因子

　　　鸟苷酸交换因子（ guanine nucleo-ti

de exchange factors ， GEF ）也是 cAM

P 结合蛋白，它们含 cAMP 结合位点，受cAMP 调控，称为 cAMP 直接激活的交换蛋白（ exchange protein directly activat

ed by cAMP ， Epac ）或 cAMP-GEF 。 　　　　

　（三） cAMP 信号的灭活－ cAMP 特异性 PDE

　 cAMP 信号的灭活机制：

　　　受体下调

　　　 AC 失活

　　　被Ⅳ型 PDE 水解　

PDE 超家族　

　　　　

PDE 亚型

底物 调控模式 结合结构域

PDE1 cAMP/cGMP Ca2+/CaM 、 PKA/PKG CaM

PDE2 cAMP/cGMP 被 cGMP 激活 GAF

PDE3 cAMP 被 cGMP 抑制；被 PKB 磷酸化

PDE4 cAMP 被 ERK 及 PKA 磷酸化 UCR

PDE5 cGMP 被 PKA 及 PKG 磷酸化 GAF

PDE6 cGMP 被转导素激活 GAF

PDE7 cAMP

PDE8 cAMP

PDE9 cGMP

PDE10 cAMP/cGMP GAF

PDE11 cAMP/cGMP GAF

PDE12 cAMP/cGMP

　　　　　　　　

PDE 各亚型结构模式图

　

PDE2A subunit contains a GAF A and a GAF B domain. The GAF A domain form a dimer interface. The two GAF B domains are far apart and contain the cGMP-binding sites.

　（四） cAMP-PKA 信号转导通路

　 1. 细胞膜上存在受体、 G 蛋白、 AC ；

　 2. 胞外的信号被受体接受，通过 Gs 或 Gi 传递给 AC ，使其活化或抑制；

　 3. AC 被激活后，产生 cAMP ， cAMP 激活PKA ，使蛋白质磷酸化，产生细胞反应；

　 4. cAMP 被 PDE 水解而信号终止。　　　　　　

胞外信号

受体

G 蛋白 AC cAMP

PKA

5’-AMPPDE

蛋白质磷酸化

生物学效应

　　

影响 cAMP 水平的胞外信号分子　　　　cAMP

变化　 激素 神经递质

cAMP升高

胰高血糖素、血管紧张素、甲状旁腺素、前列腺素、下丘脑多种释放因子、降钙素、黑色素细胞促激素、血管升压素、肾上腺素、促甲状腺激素、促肾上腺皮质激素、促黄体激素、促卵泡激素　

M2 、 M4胆碱受体激动剂、多巴胺 D1 受体激动剂、 5-HT 、组胺、神经肽Y 、血管活性肠肽

cAMP降低

胰岛素、生长抑素 阿片肽、 GABAB 、多巴胺 D2

受体激动剂、

　　　　 cAMP 的其他作用：• cAMP 与其受体蛋白结合，调节基因表达；• cAMP到细胞外，转变成腺苷酸，再通过

激活腺苷酸受体起作用；• cAMP 作为胞外第一信使起作用。

　　　

三、 cAMP 信号调节的生理过程　

　　　 cAMP 的绝大多数生理功能是通过 P

KA实现的，调节方式：

　　　直接调节代谢反应

　　　通过基因表达间接调节代谢反应

　　

　　

　　　

（一） cAMP 对糖原代谢过程的调节

　

　　　　 磷酸化酶激酶

磷酸化酶激酶-P

PP-1

磷酸化酶-P

糖原合成酶-P

糖原合成酶糖原

G

cAMP

肾上腺素、胰高血糖素

PKA

磷酸化酶

抑制剂-1-PPKA

PP-1

AC

G蛋白

PP-1

受体

　

　　

促进脂肪动员

Triacylglycerols

FFAs and glycerol

　（二） cAMP 对膜蛋白活性的调节

　　 cAMP 通过激活 PKA 使细胞膜上某些蛋白质磷酸化，使膜蛋白构象发生改变，从而调节细胞膜对某些物质的通透性。

　　如肾上腺素通过 cAMP-PKA途径，抑制脂肪细胞膜上的 GLUT4 ，阻止糖的转运、降低糖的氧化利用。　　

　　　　cAMP PKA

心肌细胞膜钙通道磷酸化

钙通透性增加

钙内流

心肌收缩力增加、心率加快

　（三） cAMP 对神经突触传递的调节

　　　当某些神经细胞兴奋时，突触前神经末梢释放递质，作用于突触后膜上相应受体，通过 cAMP–PKA途径使膜蛋白磷酸化，改变膜对离子的通透性，从而影响神经细胞的兴奋性。　　　

　 　　cAMP 调节突触前末梢的递质释放

　　　cAMP 在嗅觉信号转导中的作用

                                                       

                    

 

CNG 通道开启

细胞除极

传导性 AP 的产生

　（四） cAMP 对激素合成与分泌的调节

• 促肾上腺皮质激素促进糖皮质激素的合成；

• 促甲状腺素促进甲状腺素分泌；

• 促黄体生成激素促进性激素的合成。

　（五） cAMP 对基因表达的调节

　　　在原核生物，通过 σ 因子的磷酸化，促进转录。

　　在真核生物：

• 　 PKA 进入核内，磷酸化组蛋白，使基因开放。

• 　 PKA 磷酸化转录因子，调节基因表达。如 CREB 、 CREM 、 ATF 等。

　　　

　　

　　　

转录调节

　（六） cAMP 对细胞增殖与分化的调节

　 　　 cAMP 通过 PKA 可调节细胞生长与增殖，但其作用因细胞类型而异。

　　　对增殖调节的细胞特异性与 cAMP

和 MAPK 信号通路之间的相互作用有关。

　

　　

四、 cGMP 信号转导通路　（一） cGMP 信号通路研究的历史回顾

1963 年 Goldberg 在大鼠尿中发现 cGMP ，几年后发现 GC ；

1970 年发现 PKG 。

1977 年发现 NO 可激活 GC 而使 cGMP 升高。

近年发现尿钠肽可激活 cGMP 信号通路。

　（二） cGMP 的产生与灭活

　 1. 　 cGMP 的产生－ GC

　 GC 有两类：

　　可溶性 GC （ soluble GC ， sGC ）

　　膜结合 GC （ membrane GC ， mGC

或 Particulate GC ， pGC ） 　　　

　　　　

　　　

　　　

　　　

mGC 种类及功能　

　　受体 组织分布 配体 功能

GC-A 血管平滑肌 , 内皮细胞 , 神经系统 , 肾上

腺 , 肾 , 脾 , 心脏

ANP, BNP 降低动脉压， 降低血容量， 抑制心肌

细胞生长GC-B 成纤维细胞 , 其他组

织CNP 软骨骨化，血管再

生GC-C 小肠上皮细胞 , 再生

肝肠毒素 , 鸟苷素 ,

uroguanylin增加小肠和肾对水和离子的运输，上皮细胞生长和分化

GC-D 嗅觉神经上皮 Orphan 气味识别 ?

GC-E 视网膜 , 松果体 Orphan 视觉 , 椎细胞生存GC-F 视网膜 Orphan 视觉 ?

GC-G 骨髓肌 , 肺 , 小肠 Orphan ?

　　

　　　mGC

　　 sGC 　　　

　　 2. 　 cGMP 的灭活－ PDE 　

　　　分解 cGMP 的 PDE 有 1 、 2 、 5 、6 亚型，特别是 PDE-6 。

　　　

　　 　　（三） cGMP 作用的靶分子

　　 　　

　　 1. 　 PDE

　　　 cGMP 可通过激活 PDE-2 或抑制 P

DE-3来调节 cAMP 的浓度及 cAMP /PK

A 信号通路。　　　

　　

　　 2. 　 环化核苷酸门控阳离子通道　

　　　在视网膜及嗅觉系统中， cGMP 可通过变构作用，开放环化核苷酸阳离子门控通道（ CNG ），后者对于上述感觉信号的产生是至关重要的。

　　　心脏及肾脏也存在 CNG ，并与 cGM

P 介导的尿钠增多有关。　　　

　　 3. 　 PKG 　

　　　在多数细胞中， cGMP 作用的主要靶分子是 PKG 。

　　　哺乳动物中有三种 PKG ：

　　　 PKGⅠ 、 PKGⅠ 为可溶性蛋白；　

　　　 PKGⅡ 为膜结合蛋白。

　　　　 PKG属丝氨酸 / 苏氨酸激酶家族，

有三个结构域：

　　 N端结构域，含二聚化的亮氨酸拉链、自身抑制区和靶向结合域。

　　调节结构域，含两个 cGMP 结合位点；

　　催化结构域。

　　 PKG 作用的底物

　　底物磷酸化位点的共有序列为 RKXS/T

或 KRKKS/T 。

　　底物种类：

　　环化核苷酸信号、细胞骨架相关肽、钙信号调节蛋白、离子通道及 GTP 结合蛋白等。　　

　　　　

　（四） cGMP 调节的生理功能

　 1. 　 cGMP 在视觉信号转导中的作用 　　

　　视觉信号转导途径：

　　　光信号→ Rh 激活→ Gt 活化→ cGM

P-PDE 激活→胞内 cGMP减少→ Na+/Ca2+ 离子通道关闭→ Na+/Ca2+ 离子浓度下降→膜超极化→神经递质释放减少→视觉反应。 　　　

　　 2. 　 NO/ cGMP /PKG 信号通路调节平滑肌舒张　

　　　

　　　

NO

sGC

cGMP

血管舒张 血小板凝集 神经传导

　

　 NOS

Arg

血管内皮细胞

Ach受体

NO

　　 3. 　 cGMP 对神经系统功能的调节　

　　　 PKG参与了复杂的中枢神经系统调节过程。

　　　 GABAA 受体是由、亚基构成的四聚体，在控制神经元兴奋性与高级神经功能中具有重要作用。其亚基受 PKG 磷酸化，使 GABAA 受体功能降低。　　　

　　 4. 　 cGMP /PKGⅡ 信号调节的生理过程－－肠分泌、肾素释放与骨生长　

　　　肠分泌： Sta 或 guanylin → 肠黏膜上的 GC → cGMP升高→ PKG → CFTⅡR 磷酸化→ 水、 Na+ 、 Cl －、 HCO3

－等离子分泌增加。

　　　 NO 可调节肾素释放。

　　　 BNP 可调节骨生长。