细胞生物学：PKC系统

PKC系统（protein kinase C system）

　　在这一信号转导途径中，膜受体与其相应的第一信使分子结合后，激活膜上的Gq蛋白（一种G蛋白），然后由Gq蛋白激活磷酸酯酶Cβ （phospholipase Cβ， PLC）， 将膜上的脂酰肌醇4，5-二磷酸（phosphatidylinositol biphosphate， PIP2）分解为两个细胞内的第二信使： DAG和IP3，最后通过激活蛋白激酶C（protein kinase C，PKC），引起级联反应，进行细胞的应答。该通路也称IP3、DAG、Ca2+信号通路．

　　静息状态时，G蛋白的α亚基上结合的是GDP，所以没有活性，磷脂酶C也是处于非活性状态。第二信使IP3/DAG还是以前体PIP2存在。内质网上的Ca2+离子配体闸门通道是关闭的，蛋白激酶C也是以可溶的非活性状态存在于细胞质中。

　　■ 系统组成与信号分子

　　● 系统组成

　　由三个成员组成：受体、G蛋白和效应物。Gq蛋白也是异源三体，其α亚基上具有GTP/GDP结合位点，作用方式与cAMP系统中的G蛋白完全相同。该系统的效应物是磷酸肌醇特异的磷脂酶C-β（phosphatidylinositol-specific phospholipase C-β， PI-PLCβ），此处的β表示一种异构体。

　　● 信号分子

　　与该系统受体结合的信号分子有各种激素、神经递质和一些局部介质（表5-6）。

表5-6 某些激活磷脂酶C的信号分子

信号分子	靶细胞	反应
肾上腺素	肝细胞（α1受体）	糖原裂解
加压素	肝细胞	糖原裂解
PDGF	成纤维细胞	细胞增殖
乙酰胆碱	平滑肌（毒蝇碱性受体）	收缩
凝血酶	血小板	凝结

　　■ 第二信使的产生

　　该途径有有三个第二信使：IP3、DAG、Ca2+.产生过程包括磷脂酶C的激活、IP3/DAG的生成、Ca2+的释放。

　　● 磷脂酶C-β的激活 磷脂酶C-β相当于cAMP系统中的腺苷酸环化酶，也是膜整合蛋白，它的活性受Gq蛋白调节。当信号分子识别并同受体结合后，激活Gq蛋白的亚基。激活的Gq-α亚基通过扩散与磷脂酶C-β接触，并将磷脂酶C-β激活。

　　● 第二信使IP3/DAG的生成 被激活的磷脂酶C-β水解质膜上的4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）， 产生三磷酸肌醇（inositol 1，4，5-triphosphate，IP3）和二酰甘油（diacylglycerol， DAG）。

　　● IP3 启动第二信使Ca2+的释放 由PIP2水解后产生的IP3是水溶性的小分子， 它可以离开质膜并迅速在胞质溶胶中扩散。IP3同内质网膜上专一的IP3受体（IP3 receptor）结合， 使IP3-门控Ca2+ 通道打开， 使Ca2+ 从内质网中释放出来。

　　■ 蛋白激酶C的激活

　　蛋白激酶C的激活涉及一系列复杂的反应过程，是三种第二信使共同作用的结果。

　　■ 蛋白激酶C的作用

　　蛋白激酶C是一种细胞质酶，在未受刺激的细胞中，PKC主要分布在细胞质中， 呈非活性构象。一旦有第二信使的存在，PKC将成为膜结合的酶，它能激活细胞质中的酶，参与生化反应的调控， 同时也能作用于细胞核中的转录因子， 参与基因表达的调控， 是一种多功能的酶。

　　● 对糖代谢的控制

　　在肝细胞中， 蛋白激酶C与蛋白激酶A协作磷酸化糖原合成酶，抑制葡萄糖聚合酶（glucose-polymerizing enzyme）的活性，促进糖原代谢。

 cAMP介导的促进糖原分解、抑制糖原合成作用是由胰高血糖素受体和β肾上腺素受体结合了相应激素所引起；而IP3、DAG和Ca2+介导的促进糖原分解和抑制糖原合成的是由α肾上腺受体结合肾上腺素所引起。cAMP激活蛋白激酶A，而IP3、DAG和Ca2+ 激活蛋白激酶C.
● 对细胞分化的控制

　　肌细胞生成素是一种转录因子，在肌细胞分化中起关键作用。在成肌细胞（myoblast）中， 蛋白激酶C可使肌细胞生成素磷酸化，抑制了肌细胞生成素与DNA结合的能力，因而阻止了细胞分化为肌纤维。

　　● 参与基因表达调控

　　蛋白激酶C至少可通过两种途径参与基因表达的控制。

　　一种途径是蛋白激酶激活一个磷酸化的级联系统，使MAP蛋白激酶磷酸化，磷酸化的MAP蛋白激酶将基因调节蛋白Elk-1磷酸化，使之激活。激活了Elk-1与一个短的DNA序列（称为血清反应元件，SRE）结合，然后与另一个因子（血清反应因子，SRF）共同调节基因表达。另一种途径是蛋白激酶磷酸化并激活抑制蛋白Iκ-B，释放基因调节蛋白NF-κ-B，使之进入细胞核激活特定基因的转录。　

　　● 此外，有人认为PKC能够催化未被其他激酶催化的蛋白，如催化与分泌和增殖有关的蛋白磷酸化。还可以活化Na+-K+交换系统、使细胞内H+减少、提高细胞质中的pH，还可以提高Na+/K+泵的运转等。

　　蛋白激酶C在细胞的生长、分化、细胞代谢以及转录激活等方面具有非常重要的作用（表5-7）。

表5-7 由蛋白激酶C介导的某些反应

组织	反应	组织	反应
血小板	分泌血清紧张素	肥大细胞	释放组胺
肾上腺髓质	分泌肾上腺素	胰腺	分泌胰岛素
肝	糖原水解	脂肪组织	合成脂肪
垂体细胞	分泌GH和LH	甲状腺	分泌降钙素
睾丸	睾丸酮的合成	神经元	释放多巴胺

　　组织 反应 组织 反应血小板 分泌血清紧张素 肥大细胞 释放组胺肾上腺髓质 分泌肾上腺素 胰腺 分泌胰岛素肝 糖原水解 脂肪组织 合成脂肪垂体细胞 分泌GH和LH 甲状腺 分泌降钙素睾丸 睾丸酮的合成 神经元 释放多巴胺

　　■ 第二信使Ca2+（calcium ions）的作用

　　由IP3动员释放到细胞内的Ca2+ 除了参与蛋白激酶C的激活以外，在细胞的生命活动中还有许多重要作用，包括细胞分裂、分泌活动、内吞作用、受精、突触传递、代谢以及细胞运动。

　　● 细胞中Ca2+浓度及其控制

　　在静息状态的细胞中，Ca2+浓度维持在非常低的水平，通常只有10-7M.但在细胞外和某些膜结合细胞器，如ER和植物液泡的腔中 Ca2+ 浓度比胞质溶胶中要高10，000倍。

　　细胞质中的低Ca2+浓度是通过各种通道和运输泵控制的。

　　细胞质膜中的Ca2+通道和内质网膜中的IP3及ryanodine受体Ca2+通道的打开可使胞质溶胶中的Ca2+浓度升高；细胞质膜中Ca2+泵、内质网膜中的Ca2+泵、细胞质膜中的Na+-Ca2+交换泵，以及线粒体中的Ca2+泵降低胞质溶胶中的Ca2+浓度。　　

　　● 钙调蛋白（calmodulin）

　　一个钙调蛋白可以结合4个Ca2+.Ca2+同钙调蛋白结合形成钙-钙调蛋白复合物（calcium-calmodulin complex），就会引起钙调蛋白构型的变化，增强了钙调蛋白与许多效应物结合的亲和力。

　　● Ca2+-钙调蛋白复合物的信号放大作用

　　在不同的细胞中，Ca2+-钙调蛋白复合物可以同CaM-蛋白激酶、cAMP磷酸二酯酶、以及质膜中的Ca2+运输蛋白结合， 将它们激活，进行信号的放大。

　　举例说明Ca2+-钙调蛋白依赖性的蛋白激酶（Ca2+ /calmodulin-dependent protein kinase， CaM-Kinase）的激活与作用。

　　■ 植物细胞中Ca2+的调节作用

　　在植物细胞中Ca2+也是重要的第二信使。在光、压力、引力以及各种植物激素的刺激下，植物细胞中的Ca2+浓度发生急剧变化。在静息状态下，植物细胞主要是通过质膜和液泡膜中的Ca2+运输泵维持胞质溶胶中的低Ca2+浓度。

　　植物叶片中气孔直径大小的调节主要是通过Ca2+的第二信使作用调控的。

　　Ca2+在植物叶保卫细胞关闭中起什么作用？

　　■ IP3/DAG/Ca2+信号的终止

　　如同cAMP引起的信号转导，磷脂肌醇和Ca2+离子的第二信使作用也必须迅速解除，使细胞重新回到静息状态。

　　● DAG信号的解除