G蛋白偶联受体及其信号转导在临床疼痛中的意义

指导 曾帮雄

黄石市中心医院 孙 磊

一、前言 浅感觉传导径路

深感觉和精细传导径路

突触解剖

临床疼痛诊疗的思路

二、G蛋白 概述

G蛋白循环 G蛋白的循环三大特征

G蛋白的亚单位及功能

三、G蛋白偶联受体及信号转导

受体、配体、受体分类、膜受体分类、G蛋白偶联受体

G蛋白偶联受体具有共同结构

G蛋白偶联受体激活蛋白级联反应 级联反应

G蛋白偶联受体配体结合域和G蛋白作用胞内结合域

G蛋白参与调节离子通路的功能

cGMP水平的调节

四、疼痛与G蛋白

疼痛

可能神经介质的生化物

直接致痛的内源性生化物

疼痛与G蛋白偶联受体结合有关

通过G蛋白偶联受体调节的镇痛作用

五、结论

G蛋白的调节作用

结尾：疼痛治疗的研究与机理推测

G蛋白偶联受体及其信号转导在临床疼痛中的意义

G蛋白是细胞信息传递的基本中间物质。许多研究表明，在很多细胞突触后细胞缓慢的电位改变或根本观察不到电位改变，这与刺激突触前细胞形成了鲜明对比。这些突触后细胞通过第二信使和酶的活化来调节其胞内生化过程，这些突触后细胞上的慢反应受体因其对细胞内代谢的作用被命名为代谢型受体。代谢型受体有许多家族，其中G蛋白相关受体家族最大，本文介绍蛋白偶联受体及其信号转导在临床疼痛中意义。

G蛋白 概述 1977年，吉尔曼发现了G蛋白及其在细胞信号传导方面的作用，1981年成功提出纯第一个G蛋白，以后一直从事G蛋白研究，获得诺贝尔奖后，创办“细胞信息传导同盟”2G蛋白的研究更加深入几乎覆盖生物界的各个领域。

G蛋白是一组结构类似鸟苷酸结构，锚在细胞膜内表面，在静息状态，α、β、γ三个亚单位组成的三聚体。它在信息转导中起重要作用，根据其作用不同。G蛋白可分为激动型G蛋白（stimulatory G protein, Gs, 与AC活化相关G蛋白）抑制型G蛋白（inhibitory G protein,Gi与AC活化抑制相关G蛋白）和磷酸脂酶C活化相关G蛋白（asscciated with actiration of phephdripas Gp）其Gsa 和cia具有与GTP和GDP结合有GTP酶活性。

G蛋白循环 G蛋白因能通过三磷酸鸟苷GTP结合与水解以限制其作用时间而得名，在受体未激活时。G蛋白的α亚基与GDP结合，当激动型信号作用于激动型受体时，诱导受体分子构象变化，被活化的受体便与Gsa结合。此时G蛋白的构象改变：对GDP的亲和力减弱，而对GTP的亲和力增强，从而使GTP取代GDP而结合于G蛋白的α亚基上，并触发α 亚基与βγ来基解离，分离后的α亚基一GTP复合物激动腺苷酸环化酶（AC）催化cAMP生成。同时，α亚基显示出酶活性使GTP水成α亚基一GDP复合物，回到无活性构象与β、γ亚基结合受体的作用也终止。

G蛋白循环的三大特征 1、放大作用：激活靶细胞上的一个受体可激活500个G蛋白，使得由一个G蛋白调节效应蛋白在基失活前可产生大量的第二信使。2、作用时间延长：G蛋白由于减慢GTP水解速率而产生“作用时间延长”。3、自我调控：G蛋白被激活后必须自关闭，否则将持续产生放大作用。G蛋白每个亚单位都由多基因编码，从而构成多种多样的可能复合方式。

G蛋白的亚单位及功能 1、α亚单位：α亚单位是最大的亚单位，至少由17种不同的基因编码，这此基因不同的拼接使其种类多样化，α亚单位有Gs,Gi,Gq,Go四大家族，Gs家族可激活腺苷酸环化酶，Gi家族抑制腺苷酸环化酶，Gq家族则对磷酸脂C有作用。

2、β、γ亚单位：通常情况下，β亚单位和γ亚单位作为一个作共价紧密结合的复合体被纯化，至今已克隆了五种不同的β亚单位（35~39kD）和7种不同的γ亚单位（7KD）。已有证据提示不同的复合体的功能有一定的差别，βγ的主要作用就是提高和膜结合α亚单位浓度，从而促进α亚单位和受体偶联，也有研究显示βγ本身能直接和效应器结合，从而介导信息转导。

G蛋白α亚基的效应分子；α亚基呈亲水性，主要部分分布在细胞膜上，自βγ亚单位解离后，沿膜脂双层的内表表面扩散，作用于效应器，其效应分子主要有：（1）腺苷酸环化酶；（2）磷酸二脂酶；（3）磷酸脂酶C，磷酸脂酶A。（表1-2-1）

βγ亚基的功能，G蛋白βγ亚基有两个主要作用：（1）将α亚单位锚在细胞膜上；（2）调节α亚单位活性，βγ基能够稳定GDP和α亚基的结合，同时抑制GTP的结合。因而阻止了Gα激活，目前认为βγ介导的常见于抑制腺苷酸环化酶活性。

现有的研究表明：βγ亚基能够直接激活一些PLC-β异构体，但PLC-β₄不能被βγ亚基激活，对腺苷酸环化酶而言，Gs亚基均可激活所有亚型，Gi则抑制ACI、ACV和ACVI的活性，βγ亚基作用则有选择性，βγ能够抑制ACI激活ACⅡ刺激Gs，Go通路可大大加强A CⅡ的活性，cAMP水平升高能反映两条不同通路被同时激活。

G蛋白偶受体

受体（receptor）是能够与信息分子特异结合的一类特殊蛋白质。

配体 能够与受体结合的信息分子，如：神递质、激素、局部化学介质、药物等。受体分为：膜受体，细胞表面受体，细胞内受体。

膜受又分为（1）蛋白偶联受体；（2）离子通道关联受体；（3）酶关联受体。

G蛋白偶联受体是细胞膜受体的一大类；目前已发现与G蛋白偶联的受体有70余种，常见的G蛋白偶联受体（Tab I some exambes of a protein-forbed ）

G蛋白偶联受体具有共同结构特点：

G蛋白偶联受体间高度的同源性反映在它们的有共同的预测结构，它们均有7个跨膜段又称7次跨膜受体（7TM）它们由一条肽链形成都有一个大小变化很大的细胞外N末端和一个胞浆内C末端，而且肽链形成7个跨膜螺旋结构和相应的3个细胞外环和3个细胞内环，它们在作用机理上均需通过第二甚至第三信使才能引起蛋白质级联反应，以产生最终的生物效应。（Fig₂ 图1-3-6）

G蛋白偶联受体激活蛋白质级联反应

级联式蛋白质体系的主要特点：第一 体系的一些酶在一般情况下，都是以无活性的酶原形式存在；第二前一个活性酶激活后一个酶原；第三 每经过一次酶原的激活就产生一次放大作用，细胞内的信号转导的依赖着不同系列的级联反应。

突触后细胞上的受体多属于G蛋白偶联受体家族，这些受体的活动需要一系G蛋白的分子有序地参加，（Fig 1）受体和递质结合后构象改变从而结合G蛋白复合物，该复合物内α、β、γ蛋白和GDP构成，自由分布于细胞膜内表面，当α亚单位结合GDP时复合物处于无活性状态（Fig 1a）蛋白质复合物和受体结合时，α亚单位由结合GDP改为结合GTP（Fig 1a）然后G蛋复合物分解为α-GTP和βγ亚单位，不再和受体结合。α亚单位和其效应器相互作用（Fig 1c）效应器常为膜结合酶如腺苷酸环化酶（AC）效应器的激活进而使第二信使（如cAMP）水平升高或降低。当α亚单位内的GTP酶活性将GTP水解为GDP效应器的激活作用结束（Fig 1a）。α亚单位自效应器释放和βγ亚单位重新结合，G蛋白复合物回到失活状态，在有些情况下也可观察到βγ亚单位做为信号分子转导信号。由于每一步有放大效应，一个分子受体激动剂可产生成成百上千的第二信使分子。

G蛋白偶联受体的配体结合域

从微小光子到大分子的多肽激素，激活G蛋白偶联受体的配体在大小和结构上甚远，配体结合G蛋白偶联受体的机制也有很大差别，一些小分子配体（如去甲肾上腺素）其结合点在胞膜深部，并需要TM关键性残基参与，另一些配体则和TM段作表面及N末端区形成不同程度的结合。G蛋白偶联受体与G蛋白作用的胞内结构域系 S₅和S₆间的第三个胞内环状结构和C末端端被认为特别重要（Fg 2）。

G蛋白参与调节离子通道功能

G蛋白通过第二信使调节离子通道 许多离子通道的活性受特异的G蛋白的偶联受体激活的影响，在许多情况下通过第二信使起作用，一些离子通道的磷酸化和G蛋白介导的腺苷酸环化酶激活有关，例如Gq激活PLC产生IP₃随后释放Ca²⁺从而影响钙依赖性钾离子通道的活性，在嗅上皮细胞纤毛的离子通透道的门控也受cAMP水平的影响。

G蛋白的α亚基直接调节离子通道 大量事实表明，有些离子通道的调节不是通过第二信使途径，而是α亚基和离子通道在细胞膜上直接相互作用的结果，研究表明Ca ²⁺本身可以直接调节L型钙通道和钾通道的活性，特定的βγ亚基也参与信号转导过程，但单独敲除α亚基可干扰受体介导的抑制作用这说明α亚基对钙电流有抑制作用。

G蛋白βγ能够直接调节离子通道 GIRK分子被克隆后。陆续报道G蛋白β_r亚基可直接与GIRK分子或其片段结合，最近通过结合运用分子生物学和电生理技术发现GIRK分子中存在多个功能不同的G蛋白的β_r亚基调节位点，GRK₄339位处和GIRK₁333位处是G蛋白的β_r重要调节位点之一，M₂受体激活后释放的G蛋白β_r亚基通过这一位点介导Ach引起的钾电流作用。

研究表明：一些神经递质激活其G蛋白的偶联受体，还能够抑制电压依赖N和P/Q型钙通道的开放。在交感神经元或细胞株中表达G蛋白β_r亚基而不是αo或αi可以模拟递质β_r亚基的细胞，钙通道不再进一步抑制，有实验证据提示G蛋白的β_r亚金基能够抑制电压依赖N和P/Q型钙通道的开放。分子生物实验表明：钙通道αIB的Ⅰ~Ⅱ连接区存在G蛋白β_r亚基的调节点。β或r可以和钙αIB的Ⅰ~Ⅱ连接区融合蛋白结合，定点突变这一区域可以阻断Gβ和钙通道αIB的Ⅰ~Ⅱ连接区结合。可以阻断GTPrs引起的钙电流抑制，αIB的Ⅰ~Ⅱ连接区合成肽能够减弱G蛋白β_r对钙电流的抑制。

cGMP水平的调节

尽管cAMP和cGMP结构很相似，但鸟氨酸环化酶（GC）和腺苷酸环酶（AC）的结构的调节有很大不同，鸟氨酸环化酶有两种形式：一种像AC般结合在膜上，另一种在胞浆内，结合在膜上的GC为跨膜蛋白，细胞外N末端和多肽结合，一个TM段及含催化区的细胞内C末端，它催化GTP生成为cGMP，内皮细胞上的G蛋白偶联受体激活后，引起PLC的激活，最终引起细胞内钙离子释放，从而激活了钙/钙调素依赖性的一氧化氮合酶（NOS），NOS可催化精氮酸生成一氧化氮（NO），通过细胞膜弥散，内皮细胞产生的NO弥散到邻近的平滑肌细胞作用于可溶性的GC，从而激活鸟苷酸环化酶（可溶性GC催化区域和膜结合性GC的催化区相似，有一个亚铁血红素结构作为NO的受体），cGMP水平升高激活依赖cGMP的蛋白激酶，随后肌蛋白磷酸化使血管松弛，钙也参与调节GC活性，G蛋白激活的cGMP磷酸二脂酶可降低cGMP水平，cGMP减少将使cGMP激活的离子通道暗电流减少，这些钙通道是钠离子通透性的，但对钙离子也有通透性。

疼痛与G蛋白

疼痛是机体健康受到威胁的信号，疼痛过程中机体内部许多生化物参与活动，其活动机制十分复杂，可能为神经介质的生化物。

（1）乙酰胆碱（Ach）

（2）氨基酸类：r^-氨基丁酸、甘氨酸、谷氨酸、门冬氨酸

（3）单胺类：5-HT、组织胺、DA、AE、NE等

（4）肽类：内啡肽、脑啡肽、P物质、前列腺素等

直接致痛的内源生化物质

（1）无机盐类：钾离子、氢离子、钙离子

（2）胺类：5-HT、NE、组织胺、Ach

（3）肽类：缓激肽、+肽、P物质、前列腺素和加压素

（4）腺苷类：ATP、ADP、AMP

疼痛一与G蛋白偶联受体结合有关 研究发现组织损伤后，中枢神经系统对正常的无害性刺激的反应增加强，不仅是损伤区的机械和热刺反应过强而且未损伤区的机械刺激发生过强反应，这提示在疼痛产生时，中枢神经系统并不是固定不变的，而是可塑的，有研究机体的疼痛发生发展与细胞第二信使存在密切联系，痛觉递质与G蛋白偶联受体结合有关。

大量研究表明脊髓G蛋白偶联受体如代谢型谷氨酸和神经肽受体在伤害信息的传导过程中发挥着重要作用，Melley等在大鼠的研究发现复合给予代谢谷氨酸受体激动剂转ACDD和非NMDA受体激动剂AMPA能诱发机械性痛觉过敏，而Nellgebauer等研究发现给予代谢型谷氨酸受体拮抗剂L-AP₃后能够递转脊髓背角神经元的敏感化，NK₁受体激动剂P物质（SP）作为一种痛觉递质在伤害性刺激时在脊髓大量释放，动物行为研究表明在鞘内注入微量SP后能引起疼痛样反应，并诱因导Fos蛋白在脊髓背角的表达，Neugeboyer等的研究显示鞘内或全身给NK₁或NK₂受体拮抗剂降低因炎症所诱发的脊髓背角神经元的敏感化，上述实验结果间接地证实了脊髓的G蛋白偶联受体在伤害性信息传递中的重要性。Sluka等在大鼠的研究经微透析纤维脊髓给予非选择性G蛋白抑制剂GDP-β-s，发现以剂量依赖性方式递转皮下注射，辣椒素所诱导的机械性异常疼痛，进而有作者认为，作用于兴奋性G蛋白的抑制将使作用细胞内第二信使的活性降低，从而减轻脊髓背角的敏感化，也可能减轻外围伤害性刺激所导致的中枢敏感化，Yan等在大鼠的研究表明肌注prosaptide D₅缓解大鼠神经病理性疼痛模型的热痛觉过敏的作用是通过调节百日咳毒素敏感G蛋白机制调节的电压依赖性钙通道所介导的。Spnlos等在小鼠的研究也发现没食子酸乙醚所产生的剂量依赖性全身，骨髓和脊髓上的抗伤害作用出可能是通过激活K⁺通道和Gi/o百日咳毒素机制所介导的。

通过G蛋白偶联受体调节镇痛作用

机体（特别是脑内）的蕈毒碱性、胆碱性、阿片能、肾上腺能、多巴胺能嘌呤能及五羟色胺能受体均可与G蛋白及偶受体结合而参与神经调节。图表1-1-1（图经典型神经递质受体的药理学效应分型）

阿片类药和其内源性配体在中枢神经系统内的结合部发现是临床疼痛和神经生物学的里程碑，Zadine等发现从牛脑中分离出两种高度选择性作用μ受体的内源性阿片肽，译名为内吗啡肽-1和内吗啡肽-2。内吗啡肽1、2通选择性作用体内μ阿片受体引起镇痛作用，内吗啡肽激活μ受体通过Gi蛋白介导，可降低毛喉素，引起细胞内环腺苷酸（cAMP）水平的增加，并开放钾通道引起钾外流，呈剂量依赖性，这些效应可被纳络酮阻滞，随着分子生物学技术的发展，人们已在区分这些受体的各种亚型并使之克隆方面取得了显著的成就，κ受体的部分顺序δ受体的克隆的功能表达越来越多的阿片受体与细胞内作用偶联被确认。这些研究证明了G蛋白的介入并提出了细胞学为基础的药物耐受与戒断模型，利用NG_108-15神经母细胞和神经胶质细胞的杂交系研究阿片类药成瘾性的细胞机理发现，这些细胞也可以表达与百日咳毒素敏感G蛋白相互作用的阿片受体（δ亚型）对腺苷酸环化酶的抑制作用相对细胞膜上离子通道的调节作用，NG₁₀₈细胞也可表达前列腺素受体被其配体——前列腺素E₁（PGE₁）激活腺苷酸环化酶从而增高细胞内cAMP含量，同时使用阿片类药物和PGE于NG₁₀₈细胞上可阻止细胞内cAMP的增高，若NG₁₀₈细胞长时间暴露于阿片类24-28小时后，则PGE₁作用引起cAMP升高又可恢复至原来水平，当去除NG₁₀₈细胞上的阿片类后再以PGE₁刺激，则产生高于正常的cAMP。我国细胞生物学家裴钢（在美国uker大学获博士后学位）主要从事细胞信号转导及其调控机理的研究，利用G蛋白偶联受体变异验证了受体激活平衡态的假说，发现阿片受体（G蛋白偶联）c末端的激动剂作用下发生的磷酸化与β-arrestin结合引起G蛋白解偶联和受体内化，而导致阿片受体脱敏，PKC在阿片受体的异源脱敏中起关键作用。

结 论

G蛋白及相关的受体和效应蛋白对维持正常的中枢神经系统功能有显著作用，G蛋白的偶联受体通道对神经电活动起作用，配体依赖性离子通道和某些G蛋白偶联受体有联系，乙酰胆碱、r-氨基丁酸、五羟色胺及兴奋性氨基酸——谷氨酸、天冬氨酸等均可激活两种受体。有很多神经递质，如肾上腺素、多巴胺、腺苷和内啡肽、脑啡肽等神经肽只与G蛋白偶联受体而无配体依赖性结合，由此可见，神经递质通过G蛋白及其G蛋的偶联受体产生的疼痛和镇痛等作用十分广泛。

G蛋白偶联受体一般不参与突触快反应和轴突的传导，而对神经元的放电活动起主要调节作用，只有通过G蛋白的转导，才能将信息传递至效应器系统，这种有7个跨膜螺旋结构与G蛋白的偶联受体也有表示为R7G的受体，该受体传导信息缓慢而复杂，用于在临床上选择性作用兴奋性G蛋白的抑制将使细胞内第二信使的活性降低而在临床疼痛治疗上表现出镇疼痛的意义。

结 束

自1977年吉尔曼发现G蛋白及其在细胞信号传导方面的作用至今，G蛋白偶联受体及其信号的转导机理、作用、意义的研究进展很快，正成为一个新热门课题，inter网上有G蛋白的介绍很多，G蛋白与神经介绍也有不少，但G蛋白与疼痛的文章却很少，这就是给我们一个提示要我们抓住这个机遇攻克一下，据我个人推测，我们常做的疼痛治疗的神经阻滞疗法，实质上是以治疗药物为配体介导，通过G蛋白偶联受体及其信号转导使疼痛反射的神经元传导之放电压降低活动起调节作用。同时产生大量热能消除与部组织水肿达到疼痛的治疗的目的，这有待一步证实。

参 考 文 献

1. Rovest P, longstaff A, Molecular Nevroscence[M].Tron bridge, uk:Bios Scientifie publishers, 1998.103-126.

2. 伍欣星等主编 医学分子生物学原理与方法 科学出版出版社 2000第一版 267-276；

3.龙振洲 医学免疫学 人民卫生出版社出版 2001第一版 150-152；

4.湖医病毒所 医学细胞生物学 武大出版社 1988年第一版 34-36；

5.卢建等 受体信号转导系统与疾病 [M] 山东科学技术出版社出版 1999年第一版 164-189；

6.易华文等，疼痛的中枢敏感化与G蛋白和蛋白激活 《国外医学》麻醉学与复苏分册 2001，22：2：110-112；

7.王英伟 于布为 G蛋白的基本和特性及其在临床麻碎中的意义 《国外医学》 麻碎学与复苏分册，1994； 15：5：334-338；

8. Soutei AJ et al, Ancsth analg, 1994:79;1178

9.Gillis JC et al Drugs, 1997;53:139

10.Guidelines for the use of non-steridal anti-inflammatory elrugs in the perioperative period, London: The Royal college of Anesthetrsts, 1998, 27

11. Fu YY et al, J biol chem, 1990:265:16737.

12.Meller ST et al, Neuroreport, 1993;4:879

13. Neugebauer V et al Eur J neurosci 1994;6:1179

14. Neugebauer V et al, J Neurophysiol, 1995;73:1574

15. Sorntos AR et al, Eur J Phamacol, 1999;379:7

16.Yan L et al, Neurosci lett, 2000;278:120

17. Langman MJ et al. JAMA, 1999:282:1929

18.王惠琴，厉永建 细胞趋化运动与信号传递

国外医学免疫学分册，2001 24；2：90-91

19.吴树亚 细胞因子作用于中枢神经系的途径和机制

国外医学免疫分册，2001：24：3：116-117

20 Deker LV, segal An, (I) Science, 2000, 287, 98-985

21.To tan:Y, san to Y, Ishisak: T, al [3] Euv Respir 2000;15:75-79

22. Simon Ls et al, Arthstis R heum, 1998:41:1591

23. Mehlisch DR et al chin pharmacol Ther, 1997:61:195

24.Geiss Gs et al, Rheumatol Eur, 1998;27:118

25. LangaF FL et al, Gastooenlerology, 1997;112 A 194

26.Ehrixh E et al Arthritis Rheum, 1996:39 S81

27. Lang aF et al. Gastroenlerology, 1997;112: A 194

28. Gryer B t al. Am J Grastroenterol. 1998:93:A 104

29. Humt R et al. Am J Gastroenlerol, 1998: 93: A246

30. I ASP 9^th vosld congress on Pain, Vienna, Austnia: August 22-27,1999.

31. Stankov B, Rentev k3, Melatomn rexeptors: current stalus, facts and hypotheses [3], life sit 1990, 46: 971-982

32. 李仲廉《临床疼痛治疗学》 天津科技出版社 1999年第二版11-26