G蛋白偶联受体是位于细胞膜上的跨膜蛋白（transmembrane protein），其结构特征是包含七个跨膜α螺旋结构域（transmembrane α-helical domains）。受体的N端（N-terminus）位于细胞外，负责识别和结合特定的胞外信号分子（配体，ligand），如激素、神经递质等；C端（C-terminus）位于细胞内，负责与下游信号分子相互作用。

当配体与GPCR结合后，会引起受体构象变化（conformational change），暴露出与G蛋白（G protein）结合的位点。人类基因组中约有800-1000种GPCR，它们能识别多种多样的配体。

G蛋白是异源三聚体（heterotrimeric）鸟苷酸结合蛋白（guanine nucleotide-binding proteins），由α、β和γ三个亚基组成。在静息状态下，Gα亚基与GDP（guanosine diphosphate）结合，与Gβγ二聚体形成非活性复合物。

当GPCR被激活后，它作为鸟苷酸交换因子（guanine nucleotide exchange factor，GEF），促使Gα亚基释放GDP并结合GTP（guanosine triphosphate）。这一交换导致G蛋白构象改变，使Gα-GTP与Gβγ分离，两者均可激活下游效应器（effector）。

根据Gα亚基的不同，G蛋白可分为四类：Gs（激活型）、Gi（抑制型）、Gq/11和G12/13。在cAMP通路中，Gs蛋白激活腺苷酸环化酶（adenylyl cyclase，AC），而Gi蛋白则抑制其活性。

腺苷酸环化酶是跨膜蛋白，其催化结构域（catalytic domain）位于细胞质侧，在Mg²⁺或Mn²⁺存在下，能催化ATP（adenosine triphosphate）生成环腺苷酸cAMP。cAMP作为第二信使，将信号从细胞膜传递到细胞内部。

哺乳动物中有多种AC亚型，它们在不同组织分布或功能上有所差异，但都催化相同的反应。cAMP的产生与降解之间的平衡精确调控着信号的强度和持续时间。

蛋白激酶A是cAMP的主要效应器（effector），由两个调节亚基（regulatory subunit，R）和两个催化亚基（catalytic subunit，C）组成的四聚体（tetramer）。每个调节亚基上有两个cAMP结合位点。

当cAMP浓度升高时，四个cAMP分子与调节亚基结合，引起构象变化，使催化亚基解离并激活。游离的催化亚基可磷酸化（phosphorylate）多种底物蛋白（substrate proteins）上的丝氨酸/苏氨酸残基（serine/threonine residues）。

GPCR-cAMP-PKA通路的激活是一个精细的级联反应（cascade reaction）：当胞外信号分子（如激素）与GPCR结合后，受体发生构象变化，激活与之偶联的G蛋白。具体表现为Gα亚基释放GDP并结合GTP，随后Gα-GTP与Gβγ分离。

激活的Gαs亚基与AC结合并激活其活性，催化ATP转化为cAMP，使细胞内cAMP水平升高。cAMP与PKA的调节亚基结合，导致调节亚基与催化亚基解离，释放出有活性的催化亚基。

活化的PKA催化亚基磷酸化下游靶蛋白（target proteins），包括代谢酶、离子通道和转录因子（transcription factors）等，从而调控细胞功能。

信号终止是保证信号转导精确性的关键环节：Gα亚基具有内在GTP酶活性（GTPase activity），能将GTP水解为GDP，从而使G蛋白失活并重新组装为三聚体。

磷酸二酯酶（phosphodiesterase，PDE）能降解cAMP为5'-AMP，降低细胞内cAMP水平。某些PDE亚型本身也是PKA的底物，形成负反馈调节（negative feedback regulation）。

被激活的GPCR会被G蛋白偶联受体激酶（G protein-coupled receptor kinase，GRK）磷酸化，进而与β-抑制蛋白（β-arrestin）结合，导致受体脱敏（desensitization）和内化（internalization）。PKA的催化亚基可被热稳定蛋白抑制剂（heat-stable protein inhibitor，PKI）结合并抑制。

在肝细胞和肌细胞中，PKA通过磷酸化糖原合酶（glycogen synthase）和磷酸化酶激酶（phosphorylase kinase），抑制糖原合成并促进糖原分解（glycogenolysis）。同时，PKA还磷酸化乙酰CoA羧化酶（acetyl-CoA carboxylase），抑制脂质合成。这些作用在肾上腺素和胰高血糖素调控的代谢中尤为重要。

活化的PKA催化亚基可进入细胞核，磷酸化cAMP应答元件结合蛋白（cAMP response element-binding protein，CREB）等转录因子。磷酸化的CREB与DNA上的cAMP应答元件（cAMP response element，CRE）结合，并招募共激活因子（coactivators）如CBP/p300，促进靶基因（target genes）转录。这一机制在记忆形成、细胞分化等过程中发挥关键作用。

PKA通过磷酸化多种离子通道（ion channels），调节其活性。例如，在心脏细胞中，PKA磷酸化钙通道（calcium channels），增加钙内流，增强心肌收缩力。相反，在某些神经元中，PKA活性增强可导致钾通道（potassium channels）磷酸化，影响神经元兴奋性。

GPCR-cAMP-PKA通路异常与多种疾病相关：霍乱毒素（cholera toxin）催化Gsα亚基ADP-核糖基化（ADP-ribosylation），使其丧失GTP酶活性，导致AC持续激活，cAMP异常升高，引起严重腹泻。百日咳毒素（pertussis toxin）催化Giα亚基ADP-核糖基化，阻止GDP释放，使Giα持续失活，影响信号平衡。

约30-40%的现代药物以GPCR为靶点，包括β受体阻滞剂（beta-blockers）、抗组胺药（antihistamines）等。这些药物通过调节GPCR-cAMP-PKA通路发挥治疗作用。