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（图5-35）。

图5-35 处于静息状态的磷脂肌醇信号转导系统

　　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

　　■ 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） （图5-36）。

图5-36 磷脂酶C-β催化PIP2水解生成DAG和IP3

　　● 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。

　　PKC信号转导过程总结于图5-37.

图5-37 蛋白激酶C的激活过程及将要引起的应答

　　■ 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（图5-38）。

图5-38 肝细胞中两个第二信使的协同作用，促进糖原分解并抑制糖原合成

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（图5-39）。

图5-39 蛋白激酶C激活特定基因转录的两种途径

　　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

　　■ 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（图5-40）。

图5-40 细胞中Ca2+浓度的调节

　　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（图5-41）。

图5-41 钙调蛋白的结构

　　● 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（图5-42）。

图5-42 CaM-蛋白激酶Ⅱ的激活

　　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（图5-43）。

图5-43 Ca2+在植物叶保卫细胞关闭中的第二信使作用

　　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

　　DAG只是由PIP2水解得到的暂时性产物， 寿命只有几秒钟， 靠两种方式进行降解：①被DAG磷酸激酶磷酸化，生成磷脂酸（PA），随后PA被CTP磷酸化为CMP-磷脂酸，再与肌醇作用合成磷脂肌醇（PI）。②DAG被DAG酯酶水解生成单脂酰甘油，再进一步水解成游离的多不饱和脂肪酸和花生四烯酸甘油，花生四烯酸甘油再被氧化成许多生物活性代谢物，如前列腺素、白三烯等。从细胞中释放出来的这些生物活性代谢物可作用于自身或邻近细胞上的受体，引起细胞应答。

　　● IP3信号的解除 有两种途径终止IP3的信号作用（图5-44）。

图5-44 胞质溶胶中IP3的命运　　

　　● Ca2+信号的解除

　　Ca2+信号的解除主要是通过降低胞质溶胶中的Ca2+浓度。由IP3磷酸化生成的四磷酸肌醇参与打开细胞质膜上的Ca2+ 通道，让胞外的Ca2+ （10-3M）进入细胞内，使细胞质中的Ca2+ 浓度较为持久地升高。胞内Ca2+浓度持久升高，会使钙调蛋白活化，活化的钙调蛋白与膜（质膜一内质网膜）上的Ca2+-ATP酶结合，提高它对Ca2+的亲和力，并使酶的活力提高6～7倍， 提高转运钙的能力。通过将胞质溶胶中的Ca2+迅速泵到细胞外以及泵进内质网腔中，从而使胞质中的Ca2+浓度迅速恢复到基态水平（10-7M），并使激活的CaM-蛋白激酶复合物解离，从而失去活性， 最终使细胞恢复到静息状态。