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1、高级生物化学,2009年,动物医学院动物生物技术系主任陕西省干细胞工程技术研究中心主任,王华岩,第六章,细胞信号传导,第一节 概述第二节 受体第三节 G 蛋白第四节 cAMP 和 Ca+信号传导第五节 膜磷脂信号传导第六节 细胞因子信号,6.2受体 受体是细胞表面或亚细胞组分中的一类特殊的蛋白质分子，可识别并专一地结合有生物活性的信号分子，从而激活或触发一系列生化反应，最终产生该信号特定的生物学效应。受体接受任何刺激，包括非生物的环境刺激（如光、机械刺激）和病原微生物刺激，并引发一定的细胞反应的生物大分子，例如把植物细胞光敏素称为光信号受体，把脑苷脂GM2称为霍乱毒素受体等。,6.2.1 受体
2、的基本特征 受体分为膜受体和胞内受体。无论定位于何处，受体的两个基本功能缺一不可，即特异地识别并结合特定的信号分子，然后把接受的信号准确无误地放大并传递到细胞内，引发一系列胞内信号级联反应，产生特定的细胞效应。甾类激素、甲状腺素等疏水性胞间信号和气体信号的受体均定位于胞内或核内，其它亲水性胞间信号的受体均位于细胞质膜上。,受体（receptor）,概念：受体是一种能够识别和选择性结合某种配体（信 号分子）的大分子物质，多为糖蛋白，一般至少 包括两个功能区域，与配体结合的区域和产生效 应的区域。类型：细胞内受体（intracellular receptor）细胞表面受体（cell surface
3、 receptor）钝化途径：受体失活(receptor inactivation)。受体隐蔽（receptor sequestration）受体下行调节（receptor down-regulation）,受体与配体（信号分子）间作用的主要特征 特异性；饱和性；高度的亲和力。,受体与信号分子的结合有以下主要特征：（1）特异性（2）敏感性（3）饱和性（4）可调控性,（1）特异性：受体最基本的特征或功能就是能准确地识别特定的信号分子并与之结合，否则就无法准确地传递信息。像酶与底物的识别、结合一样，受体上的结合部位与信号分子的三维构象互补，它们的结合也是分子识别过程，与诱导契合理论相符。,已知肾上
4、腺素受体胞外部分的激素结合部位由螺旋3的Asp113、螺旋5的Ser204、Ser207和螺旋6的Phe290等残基组成，Asp113的负电荷与肾上腺素氨基正电荷相互作用，Ser204和Ser207的羟基氧原子与肾上腺素苯环上两个羟基氢原子形成氢键，Phe290的苯基与其它疏水基团形成的疏水袋子恰好可以容纳肾上腺素分子。如果Ser204和Ser207或Asp113突变成Ala，对肾上腺素的亲和力都会大辐度下降。在特定的生理条件下和特定的细胞中，受体结合具有高度特异性，不能把这种特异性简单地理解为一种受体只结合一种信号分子或一种信号分子只结合一种受体。实际上，同一细胞或不同类型的细胞中，同一信号
5、分子可能有两种或多种不同的受体，例如肾上腺素有和两种类型的受体，胰岛素有高亲和力和低亲和力两种受体。,科学杂志评出2007年十大科学发现,美国科学杂志12月21日公布了2007年度科学突破，“科学家发现人类基因组差异”荣登榜首，成为2007年度最大的科学突破。以下是科学杂志年度十大科学突破名单：,揭开2-肾上腺素受体神秘面纱,4.揭开2-肾上腺素受体神秘面纱,长期以来，确定2-肾上腺素受体的结构便被列入“未完成名单”之列，就在一些结晶学家认为这项任务不可能完成之时，研究人员却成功与肾上腺素的这个“靶子”发生了“亲密接触”。2-肾上腺素受体是大约1000个被称之为“G蛋白偶联受体”的跨膜分子中的
6、一个。通过探测光、气味和味道、这些受体为我们提供了周围环境的信息。此外，G蛋白偶联受体也可通过传递激素、神经递质5-羟色胺以及其它分子的信息，帮助调整我们身体的内部状况。抗组胺剂、-受体阻滞剂等药物均瞄准了G蛋白偶联受体，但一直以来，研究人员从未发现这种受体的高清晰结构，以至于药物的有效性在一定程度上受到了影响。有关G蛋白偶联受体结合位点的清晰图片可能加快更有效、更安全药物的研发进程，但到目前为止，科学家只搞定了一种简单的G蛋白偶联受体。为了看见2-肾上腺素受体的庐山真面目，两个结晶学小组整整努力了近20年。2007年秋季，相关的4篇论文刊登在科学、自然和自然-方法学杂志上。实际上，拍摄2-肾
7、上腺素受体的快照还只是一个开始，在打造能够进入这种分子的化合物之前，研究人员还需确定它在不同活动状态下的真实面目。其它有待分析的G蛋白偶联受体意味着，结晶学家还有一段相当长的路要走。,肾上腺素,adrenaline，AD；epinephrine，E对受体作用无选择性不稳定非口服给药摄取/COMT及MAO破坏,AD：作用,心血管系统心脏 心率、收缩力、耗氧量 冠脉扩张、心律失常、ECG异常（氟烷）血管 作用于小动脉和毛细血管前括约肌 收缩，扩张（内脏收缩、骨骼肌扩张）血压治疗量或慢速静滴大剂量,AD:临床应用,心脏停搏:心室内注射过敏性休克主要药物 支气管哮喘 有效药物，常用于控制急性发作减少局
8、麻药吸收与局麻药合用局部止血牙龈出血或鼻出血,受体的特异性还体现在胞内部分与特定的信号传递蛋白偶联，肾上腺素的受体和受体分别与不同的G蛋白偶联，产生不同的细胞效应。肾上腺素2受体C环221228位的序列对其偶联G蛋白绝对必要；269272位如缺失或发生突变也会大大降低它偶联G蛋白的能力；位于胞外侧E-中的Cys106和E-中的Cys184对于偶联G蛋白也绝对必要，表明与G蛋白的偶联不仅与胞内直接接触的肽段有关，而且与受体分子的整体构象有关。,（2）敏感性：胞间信号和受体的浓度通常都极低，因此受体必须具有极高的敏感性，它们的结合服从质量作用定律，可用下式表示：,式中H为游离信号物质（配体）浓度，
9、R为未结合的受体浓度，HR为信号分子-受体复合物浓度，Ka为结合常数（亲合常数），Kd为解离常数，Kd值为50%受体被结合时的配体浓度（图6.5）。,式中H为游离信号物质（配体）浓度，R为未结合的受体浓度，HR为信号分子-受体复合物浓度，Ka为结合常数（亲合常数），Kd为解离常数，Kd值为50%受体被结合时的配体浓度（图6.5）。,通常表观Kd值在1091012 molL1范围内。例如胰岛素受体的Kd=2108 molL1或0.12gml1,当血浆中胰岛素的浓度达血浆总蛋白的105时就能与之专一结合。有些受体对配体的亲和力会发生变化，而且多表现为负协同，如胰岛素受体、肾上腺素受体、乙酰胆碱受体
10、等；个别受体表现为正协同，如抗利尿激素受体。,（3）饱和性：在一定生理条件下，细胞的某种受体数目保持相对恒定，例如每个靶细胞的受体少的可低至500个（如甲状腺中促甲状腺激素受体），多的可高达1011个（如电鳗电器官中乙酰胆碱受体）。受体以高亲和力特异地结合配体一般很容易被饱和；而低亲和力的非特异性结合可能只是一种物理吸附作用（图6.6）。,图6.6 人肝癌细胞胰岛素特异受体的检测,（4）可调控性：首先受体数目恒定是相对的，在一定的条件下可以进行上调或下调。例如血液中胰岛素浓度过高时，靶细胞上的胰岛素受体数目下调，在高胰岛素血症或胰岛素抗拒性的人和鼠肝细胞、脂肪细胞、心肌细胞上胰岛素受体数目下降
11、5070%。反之，血中胰岛素浓度过低时，靶细胞上的胰岛素受体数目上调。激素长时间刺激导致组织“脱敏”和较长时间激素撤退时引起的组织“超敏”，均可能与受体数目改变有关。其次，有些受体被磷酸化后对配体的亲和力下降，或与某种磷蛋白结合而不能与下游信号蛋白偶联，都能影响或调节受体的功能。,6.2.2 胞内受体的作用机制 甾类激素、甲状腺素和维甲酸等疏水性小分子信号物质，通过简单扩散即可跨越质膜进入细胞。黄体酮、皮质醇、孕酮等与胞浆内的受体结合，激素-受体复合物即可通过核孔进入细胞核；甲状腺素、维生素D、雌激素和维甲酸则与核内的受体结合。这些受体与其配体结合之后引起构象变化，对DNA的亲和力增大，与靶基
12、因上的调节序列结合，调节基因的表达。胞内受体介导的信号途径起效慢，但持续时间长，影响范围大。一个典型的靶细胞大约有105个甾类激素受体，每种受体与一种特殊的激素分子以高亲和力（Kd=1081010 molL1）可逆地结合。,甾类激素介导的信号通路,几种甾类受体共同的特点是有三个主要功能区：DNA结合区（C区）：位于受体中部，由6668个氨基酸组成，富含Cys，形成两个锌指结构，还富含碱性氨基酸，有利于与带负电荷的DNA相结合，特异地与靶基因调控区的激素反应元件（HRE）相结合。这个区域保守性最强。这个区域还有一个由8个氨基酸组成的核定位信号（RKTKKKIK）。激素结合区（E区）：位于C-端，
13、由250个氨基酸组成，与甾类激素结合后导致受体活化。E区和C区还可在未结合激素时与抑制蛋白（Hsp）结合，妨碍受体进入细胞核以及与DNA结合。E区还与受体的核定位和二聚化有关。受体调节区（A/B区）：受体N-端的A/B区具有一个非激素依赖的组成型转录激活结构，可决定启动子专一性和细胞专一性。另一个激素依赖的诱导型转录激活结构在E区（图6.7）。,图6.7 几种甾类激素受体一级结构比较及功能区示意图GR:glucocorticoid receptor;MR:mineralocoriticoid receptor;PR:progestogen receptor;ER:estrogen recept
14、or.（方框外的数字为氨基酸序号）,最近的研究显示，甾类激素的作用机制远比上述经典的解释复杂。它的一些生理效应很迅速，常以分或秒计，不受转录和翻译抑制剂的抑制，这是难以用激素-受体复合物调节基因转录来解释的。甾类激素这些非基因组效应，现在认为可能是由于作用于质膜上的特异部位，启动了信号转导通路；也可能是由于激素与某些膜蛋白和膜脂非专一地结合，改变了膜的流动性或膜蛋白的微环境，进而改变了膜蛋白的构象和活性。,6.2.3 细胞表面受体 所有的水溶性胞间信号和个别脂溶性信号分子（如前列腺素）的受体都属于细胞表面受体，按照其信号转换机制和受体分子的结构特征，又将它们再划分成离子通道型受体、G蛋白偶联的
15、受体和具有酶活性的受体。,细胞表面受体介导的信号传递,细胞表面受体的类型：离子通道型受体（ion-channel-linked receptor）G蛋白耦联型受体（G-protein-linked receptor）酶耦联的受体（enzyme-linked receptor）,介导的信号传递：,1.G-蛋白偶联的受体介导的信号跨膜传递,三聚体GTP结合调节蛋白（trimeric GTP-binding regulatory protein）简称G蛋白。由、三个亚基组成，和亚基通过共价结合的脂肪酸链尾结合在膜上。G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用，当亚基与GDP结合时处于关闭状态，与GTP
16、结合时处于开启状态。,G蛋白耦联型受体为7次跨膜蛋白，受体胞外结构域识别胞外信号分子并与之结合，胞内结构域与G蛋白耦联。通过与G蛋白耦联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内。,6.2.3.1 离子通道型受体（ion channels-type receptor）烟碱型乙酰胆碱受体（nAchR）、-氨基丁酸受体、甘氨酸受体、谷氨酸/天冬氨酸受体、5-羟色胺受体等均属配体依赖的离子通道型受体。它们共同的特点是由多亚基组成受体/离子通道复合体，膜外侧的配体结合部位与信号分子结合后，立即打开离子通道，导致离子跨膜流动，引起膜电位发生变化，继而引发生物学效应，介导可兴奋信
17、号的快速传递。,以烟碱型乙酰胆碱受体为例，它是神经突触后膜上的一种整合蛋白，由、四种亚基组成五聚体（2），呈不对称环形颗粒状，貌似一朵玫瑰花，“花瓣”直径89nm，中央为一直径0.60.7nm的Na+离子通道（图6.8）。,图6.7 几种甾类激素受体一级结构比较及功能区示意图GR:glucocorticoid receptor;MR:mineralocoriticoid receptor;PR:progestogen receptor;ER:estrogen receptor.（方框外的数字为氨基酸序号）,ACh结合位点,ACh结合位点,ACh结合位点,ACh结合位点,在nAchR各亚基较长的
18、N-端与较短的C-端之间都有4个由1927个氨基酸组成的疏水-螺旋，分别用M1、M2、M3和M4表示，其长度足以贯穿脂双层膜。M3和M4之间有由20多个氨基酸组成的M5片段，几乎每隔4个氨基酸就有一个带电荷的残基，可形成两亲性跨膜螺旋，其亲水一侧面向离子通道。这样，5个亚基的M5共同组成带正负电荷的离子通道内壁，各亚基的M2和M3构成离子通道的中间层，各亚基的M1和M4构成外层。虽然离子通道内壁有带正电荷的残基，由于通道中充满着水，Na+被水包裹着通过通道，并不与内壁带电基团直接发生作用。实验表明，亚基在调节通道关闭状态上起着重要作用。各亚基较长的N-端片段位于膜外侧，且被糖基化，乙酰胆碱结合
19、位点在两个亚基的N-端片段。较短的C-端亲水片段位于膜内侧。,另一类为电压依赖型受体/离子通道复合体，如二氢吡啶受体，其特点是由大的单肽链构成，每个肽链有4个同源重复序列，每个重复序列单位含有6个跨膜片段，由这24个跨膜螺旋围成离子通道，每个重复单位的片段4大概是电位感受器。此外，IP3、cADPR和Ca2+依赖的Ca2+通道，cGMP和cAMP依赖的离子通道也是配体依赖型，但它们存在于细胞内膜。,6.2.3.2 G蛋白偶联的受体（G protein-coupled receptor）G蛋白偶联的膜受体是一类十分重要的受体，如肾上腺素受体、肾上腺素受体、毒蕈碱型乙酰胆碱受体、视紫红质等，它们的
20、结构和信号转导机制有着惊人的相同之处。以肾上腺素2受体（图6.9）为例，它是含有383个氨基酸残基的单一多肽键，有7个疏水的跨膜-螺旋（M1M7），每个由2028个氨基酸残基组成，同源性最高。N-端有2个N-聚糖，M2M3、M4M5、M6M7之间有3个亲水连接环（分别用E-、E-和E-表示）位于膜外侧，C-端以及M1M2、M3M4和M5M6之间的3个亲水连接区（分别用C-、C-和C-表示）位于膜内侧。膜外部分构成它的配体结合部位，膜内部分特别是C-区构成它的G蛋白偶联部位。所有G蛋白偶联的受体可能来自同一始祖基因，这个超家族包括100多个亚家族和2000多个成员。,除了以上相似之处也不能忽视各
21、成员氨基酸序列的差异，例如肾上腺素1与2受体一级结构有大约50%不同，受体与受体的差别更大。各成员C-和C-保守性高，但不与G蛋白直接偶联，C-区的长短、氨基酸序列差别很大，暗示它与偶联G蛋白的特异性之间有某种内在联系。此类受体介导的信号途径既有起效较快的短期效应，又有起效较慢的长期效应，可通过改变胞内信使的浓度赋予反应系统敏感性、灵活性及多样化。,图6.9 哺乳类动物肾上腺素2受体的结构,6.2.3.3 具有酶活性的膜受体 具有酶活性的膜受体是具有跨膜结构的酶蛋白，其胞外域与配体结合而被激活，通过胞内酶活性域催化的反应将信号传至胞内。许多生长因子如表皮生长因子（EGF）、血小板生长因子（PD
22、GF）和胰岛素的受体均属于此类。这些受体多为型跨膜蛋白，N-端在膜外侧，C-端在膜内侧，整个分子可分为3个结构区：即胞外的配体结合区，跨膜螺旋区和膜内侧的酪氨酸蛋白质激酶结构域，激酶结构域包含ATP结合区和底物结合区（图6.10）。,图6.10 受体型酪氨酸蛋白激酶的基本结构代表酪氨酸残基，可被自身磷酸化，使受体构象进一步改变，代表半胱氨酸残基，半胱氨酸之间形成的二硫键使胞外肽段形成与配体结合的1口袋,研究发现，这些受体型酪氨酸蛋白激酶介导的信号途径不仅与细胞的生长发育有密切关系，而且与细胞转化有关，因而成为细胞信号系统研究中最活跃、最深入的领域之一。关于这个受体超家族的分类及信号转导机制将在以后章节中进一步讨论。近年来还发现转化生长因子受体超家族的成员是具有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性的膜受体，以及CD45等受体型酪氨酸蛋白磷酸酶。此外，膜结合的鸟苷酸环化酶也具有受体功能。,与酪氨酸蛋白激酶偶联的膜受体 许多细胞因子（如IF-6、INF-等）的受体是由不同亚基组成的异源寡聚体，胞外部分构成了特异的配体结合部位，胞内部分虽然没有酶活性，却结合着非受体型酪氨酸蛋白激酶JAK，进一步的介绍见后面有关章节。,End,The,
