一、G蛋白偶联受体家族
G蛋白偶联受体是一类最大的细胞膜受体家族，在哺乳动物中已发现百余种这类受体。此家族受体能与许多种信号分子结合，包括激素，神经递质和局部介导物质。从化学结构上看，信号分子可以是蛋白质、小肽、氨基酸和脂肪酸的衍生物等。相同的信号分子可以结合和激活此受体家族中的不同成员;例如肾上腺素至少能和9种G蛋白偶联受体结合，并使之激活。从结构上看，此受体家族成员十分相似，都是只有一条多肽链的跨膜蛋白，跨膜部分由肽链7个不连续的肽段组成，如图17-5所示。此受体家族从生物进化角度来说，不仅在蛋白质结构上是保守的，而且在功能上也是保守的。因为无论是在单细胞生物，还是在多细胞生物，它们都能接受细胞外信号，然后再转导给G蛋白。
二、三聚体GTP-结合蛋白(trimeric GTP-binding proteins，G 蛋白)
G蛋白是一类与GTP或GDP结合、具有GTP酶活性的位于细胞膜胞质面的膜蛋白，其活性状态取决于结合的是GTP还是GDP。当与GTP结合时，G蛋白具有活性;与GDP结合时不具活性。具有活性的G蛋白能激发细胞内信号转导系统的其他成分。G蛋白可分为两类，一类是作为细胞外信号转导体的三聚体GTP-结合蛋白，一类是在细胞内信号间起作用的单体GTP-结合蛋白(也称单体GTP酶)。一般将三聚体GTP-结合蛋白简称为G蛋白，由三个不同的亚基组成，分别是α亚基、β亚基、γ亚基。
G蛋白有许多种，常见的有激活腺苷酸环化酶的激动型G蛋白(stimulatory G protein,Gs)、抑制腺苷酸环化酶的抑制型G蛋白(inhibitory G protein,Gi)和激活磷脂酶C-β(phospholipase C-β，一种特异作用于肌醇磷脂的磷脂酶C)的Gq等。G蛋白同时具有GTP酶活性，水解与G蛋白结合的GTP为GDP，从而使G蛋白失活。
三、第二信使(second messengers)
多数G蛋白偶联受体能激活反应链，改变一种或数种细胞内小的信号分子的浓度，通过这些小的信号分子进一步将信号下传，如cAMP、Ca2+、IP3和DG等，通常将这一类在细胞内传递信号的小分子化合物称为第二信使。cAMP和Ca2+是两种了解比较全面的细胞内信使，在大多数动物细胞中，两种不同的反应途径刺激这两种细胞内信使浓度的改变，大多数G蛋白偶联受体是只调节其中一条信号转导途径。
四、通过cAMP的信号转导系统
(一)受体通过调节腺苷酸环化酶来控制cAMP浓度
作为一种细胞内信使，cAMP浓度的变化相当快，在细胞对激素的反应中，几秒钟内cAMP的浓度变化达5倍以上。这种快速反应的机制是通过两种酶实现的，腺苷酸环化酶和cAMP磷酸二酯酶。腺苷酸环化酶的底物是ATP，产物是cAMP，此酶是一种细胞膜结合蛋白。磷酸二酯酶能快速水解cAMP，产生5’-AMP，如图17-7所示。细胞外信号主要通过改变腺苷酸环化酶的活性而不是磷酸二酯酶的活性来控制cAMP的水平。不同的激素和靶细胞膜上的相应受体结合后，有些通过Gs蛋白激活腺苷酸环化酶、升高细胞内cAMP浓度，如促甲状腺素、促肾上腺皮质激素、促黄体生成素、肾上腺素、甲状旁腺素、胰高血糖素、抗利尿激素等;有些通过Gi蛋白抑制腺苷酸环化酶，能降低细胞内cAMP浓度。α2—肾上腺素能受体与Gi蛋白偶联，β肾上腺素能受体与Gs蛋白偶联，因此肾上腺素和受体结合后通过与不同类型的G蛋白，刺激或抑制腺苷酸环化酶，从而控制细胞内cAMP浓度。
(二)G蛋白偶联受体到腺苷酸环化酶激活的机制
在G蛋白介导的信号转导中，一方面G蛋白可以通过GTP酶活性水解GTP为GDP，重新形成不具活性的三聚体G蛋白，使得G蛋白的信号传递及时终止，有利于G蛋白接收下一次信号。另一方面，当信号分子长期存在时，一类特定的G蛋白偶联受体激酶(G-protein coupled receptor kinases, GRK)使得G蛋白偶联受体羧基端的多个丝氨酸残基发生磷酸化，从而受体与G蛋白介偶联;同时捕获蛋白(arrestin)可以识别并结合磷酸化的受体，阻断受体与G蛋白之间的相互作用。
(三)cAMP依赖的蛋白激酶介导cAMP效应
在动物细胞，cAMP主要通过激活cAMP依赖的蛋白激酶(简称蛋白激酶A，protein kinase A, PKA)发挥其生物效应。PKA催化ATP分子上末端磷酸基团转移到选择性靶蛋白上特异的丝氨酸残基或苏氨酸残基上，被共价磷酸化修饰的氨基酸残基进而调控该靶蛋白的活性。无活性状态的PKA具有两个相同的催化亚基和两个相同的调节亚基，调节亚基能结合cAMP。当cAMP和调节亚基结合后，该亚基的构象发生变化，使调节亚基从酶分子上解离下来，释出的催化亚基激活，催化底物蛋白质分子的磷酸化，如图17-9所示。肾上腺素与骨骼肌细胞膜上的β-肾上腺素能受体结合后，通过Gs蛋白使细胞内腺苷酸环化酶激活，cAMP浓度升高，cAMP激活PKA，PKA使两种酶磷酸化，一种是磷酸化酶激酶，此酶因磷酸化而被激活并激活糖原磷酸化酶，最后使糖原分解。另一种被PKA磷酸化的酶是糖原合成酶，该酶因磷酸化而失活。因此通过这两种酶的作用，即促进糖原分解和抑制糖原合成，使得血糖水平升高。在有些动物细胞cAMP浓度的提高能激活一些特异基因的转录。如在能分泌一种叫生长激素释放抑制激素(somatostatin或GHRIH)的细胞中(下丘脑和胰腺δ细胞)，cAMP能使编码该激素的基因开放。这类基因的调控区有一短序列的顺式元件，称为cAMP反应元件(cAMP response element，CRE)，能识别CRE的转录因子称为CRE结合蛋白，简称CREB。CREB被PKA磷酸化并与CRE结合后，就能促进有关基因的转录。
cAMP的生物效应是一过性的，因为细胞内有一种机制能使被PKA磷酸化的蛋白质去磷酸化，丝氨酸/氨酸磷蛋白磷酸酶催化去磷酸化反应。
五、通过Ca2+的信号转导系统
Ca2+作为细胞信号在许多细胞反应中发挥作用，如细胞增殖、分泌、肌肉收缩和细胞骨架的重排等。胞质内Ca2+浓度很低，小于10-7M，远远低于细胞外液的Ca2+浓度。细胞的内质网、线粒体、肌浆网是细胞内Ca2+的储存库。许多信号分子引起细胞外液Ca2+内流或亚细胞器中Ca2+释放，使得胞质内Ca2+迅速升高，调节各种生命活动。Ca2+信号有两条途径：一条途径在神经细胞中存在，当细胞膜去极化(depolarization)时导致Ca2+流入神经末梢，启动神经递质分泌，有关这方面内容将在生理学中详细介绍;另一条途径是细胞外信号与G蛋白偶联受体结合后，信号转导至内质网，使内质网内的Ca2+释放到细胞质，由细胞质Ca2+控制细胞反应。
(一)通过G蛋白偶联受体激活肌醇磷脂信号途径
肌醇磷脂(inositol phospholipid)位于细胞膜磷脂双分子层的内层。与信号转导有关的肌醇磷脂是磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol，PI)的磷酸化衍生物：PI一磷酸 (PIP)和PI二磷酸(PIP2)。PI，PIP2及肌醇三磷酸(inositol trisphosphate，IP3)之间的关系见图17-11。细胞外信号分子结合并激活受体后，使G蛋白激活，Gq蛋白激活与细胞膜附着的磷脂酶C-β，然后磷脂酶C-β使PIP2裂解。产生两种分子：IP3和二脂酰甘油(diacylglycerol，DG)，两者都在信号转导中起重要作用。通过肌醇磷脂信号途径作用的细胞外信号有激素，如血管加压素(vasopressin);有神经递质，如乙酰胆碱(作用于胰腺和平滑肌);有抗原(作用于肥大细胞);有凝血酶(作用于血小板)等。
(二)IP3和DG的作用
由PIP2水解产生的IP3是水溶性的小分子物质，离开细胞膜后能在细胞质内很快地扩散， IP3与内质网膜上的特异Ca2+-通道结合后，就能使内质网腔里的Ca2+释放到细胞质，而且释放的Ca2+具有正反馈效应，即释出的Ca2+结合到Ca2+通道，再促进Ca2+释放。
DG的重要作用是激活蛋白激酶C(protein kinase C, PKC)，PKC是一类Ca2+依赖的蛋白激酶，能使选择性的靶蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化。因IP3作用升高的细胞质内Ca2+能使PKC从细胞质转移到细胞膜胞质面。在Ca2+，DG和细胞膜磷脂成分中的磷脂酰丝氨酸的共同作用下激活PKC。哺乳动物中脑细胞的PKC浓度最高，其作用是使神经细胞的离子通道蛋白磷酸化，从而改变神经细胞膜的兴奋性。在许多细胞中，PKC能通过激活磷酸化级联反应，最后使一些转录因子磷酸化并激活，从而调控相关基因的表达。
(三)钙调蛋白的作用
钙调蛋白(calmodulin)是一种特异的Ca2+结合蛋白，几乎在所有的真核细胞中都存在。作为细胞内Ca2+受体，钙调蛋白介导多种由Ca2+调节的生物过程。钙调蛋白的一级结构高度保守，只有一条多肽链，约含150个氨基酸残基，有4个高亲和力钙结合部位，与Ca2+结合后构象会发生改变。Ca2+通过别构作用激活钙调蛋白。Ca2+-钙调蛋白复合物的作用是能与多种靶蛋白结合并改变靶蛋白的活性。这些靶蛋白有各种酶和细胞膜上的转运蛋白，例如细胞膜上的Ca2+-ATP酶(使胞质内Ca2+泵出细胞)。但是Ca2+-钙调蛋白的效应主要是通过Ca2+-钙调蛋白依赖的蛋白激酶(CaM激酶)的介导来实现的。CaM激酶也是通过使靶蛋白上特异的丝氨酸或苏氨酸的磷酸化激活靶蛋白。CaM激酶具有较广的特异性，这也说明这类酶在动物细胞中介导Ca2+的多种作用。
六、cAMP和Ca2+途径的相互作用
cAMP细胞内信号途径和Ca2+细胞内信号途径虽然是两条独立的途径，但相互之间也有作用。第一，细胞内Ca2+水平和cAMP水平能相互影响，如直接与cAMP水平有关的腺苷酸环化酶和磷酸二酯酶都受到Ca2+-钙调蛋白复合物的调节。PKA能磷酸化一些Ca2+通道和Ca2+泵，使它们改变活性，例如PKA能磷酸化内质网上的IP3受体，启动或抑制IP3引起的Ca2+释放。第二，直接受Ca2+和cAMP调控的酶之间能相互影响，如有些CaM激酶能被PKA磷酸化而改变活性。第三，这些酶能共同对一些靶分子产生相互作用，在这种情况下，是PKA和CaM激酶分别使一些蛋白质的不同部位磷酸化。