G蛋白偶聯(lián)受體

G蛋白以及G蛋白偶聯(lián)受體,多細(xì)胞生物是一個(gè)有序可控的“細(xì)胞社會(huì)”，這種社會(huì)性的維持不僅依賴于細(xì)胞的物質(zhì)代謝和能量代謝，更有賴于細(xì)胞間通訊與信號(hào)調(diào)控，以協(xié)調(diào)細(xì)胞的行為，諸如細(xì)胞生長、分裂、分化、凋亡等生理功能。,第一節(jié) 細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)概述第二節(jié) G蛋白、 G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),第一節(jié) 細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)概述,信號(hào)細(xì)胞(signaling cell)：能產(chǎn)生信號(hào)分子的細(xì)胞。靶細(xì)胞(target cell)：受到信號(hào)分子的作用發(fā)生反應(yīng)的細(xì)胞。信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)(signal transduction)：靶細(xì)胞依靠受體識(shí)別專一的細(xì)胞外信號(hào)分子，并把細(xì)胞外信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞內(nèi)信號(hào)，這一轉(zhuǎn)變過程稱為信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。是實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間通訊的關(guān)鍵過程。細(xì)胞信號(hào)傳遞（cell signaling）：信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)后，靶細(xì)胞內(nèi)部通過不同的信息傳遞途徑最終引起基因或蛋白的變化導(dǎo)致細(xì)胞行為改變，這一過程稱為細(xì)胞信號(hào)傳遞。,通過胞外信號(hào)所介導(dǎo)的細(xì)胞通訊包括6步：信號(hào)細(xì)胞合成并釋放信號(hào)分子（配體）轉(zhuǎn)運(yùn)信號(hào)分子至靶細(xì)胞信號(hào)分子與靶細(xì)胞表面受體特異性結(jié)合，導(dǎo)致受體被激活活化的受體啟動(dòng)靶細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳遞途徑引發(fā)細(xì)胞代謝、功能或基因表達(dá)的改變解除信號(hào)并導(dǎo)致細(xì)胞反應(yīng)終止,細(xì)胞表面受體轉(zhuǎn)導(dǎo)胞外信號(hào)引發(fā)兩類反應(yīng)快反應(yīng)和慢反應(yīng),二 信號(hào)分子與受體,信號(hào)分子：細(xì)胞的信息載體信號(hào)分子,化學(xué)信號(hào),物理信號(hào)：聲、光、電、溫度,氣體性信號(hào)分子：NO, CO,疏水性信號(hào)分子：甾類激素，甲狀腺素,親水性信號(hào)分子：局部介質(zhì)、神經(jīng)遞質(zhì)，多數(shù)蛋白類激素,受體：能夠識(shí)別和選擇性結(jié)合某種配體（信號(hào)分子）的大分子，多數(shù)為糖蛋白。,細(xì)胞內(nèi)受體：位于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)、核基質(zhì)，識(shí)別結(jié)合脂溶性信號(hào)分子（甾類激素、甲狀腺素、維生素D）,細(xì)胞表面受體：識(shí)別結(jié)合親水性信號(hào)分子,離子通道偶聯(lián)受體：受體本身既有配體結(jié)合位點(diǎn)又是離子通道,G蛋白偶聯(lián)受體：普遍存在于各類真核細(xì)胞表面,酶聯(lián)受體,三種類型的細(xì)胞表面受體,第二信使與分子開關(guān),第二信使：胞外信號(hào)分子（配體）與細(xì)胞表面受體結(jié)合后，導(dǎo)致在胞內(nèi)產(chǎn)生的非蛋白類小分子，通過其濃度變化來應(yīng)答胞外信號(hào)，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)蛋白的活性，從而在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中行使攜帶和放大信號(hào)的功能。,4種常見的細(xì)胞內(nèi)第二信使及其主要效應(yīng),cAMP，環(huán)腺苷一磷酸，是由三磷酸腺苷（ATP）脫掉兩個(gè)磷酸縮合而成的。,在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中，除細(xì)胞表面受體和第二信使分子以外，還有兩類在進(jìn)化上保守的胞內(nèi)蛋白，這兩類蛋白在引發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)級(jí)聯(lián)反應(yīng)中起分子開關(guān)（molecular switch）的作用。分子開關(guān)：通過“開啟”和“關(guān)閉”兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換來控制下游靶蛋白的活性。, GTPase開關(guān)調(diào)控蛋白構(gòu)成的細(xì)胞內(nèi)GTPase超家族（G蛋白超家族），主要是：三聚體GTP結(jié)合蛋白。 這類GTP結(jié)合蛋白當(dāng)結(jié)合GTP時(shí)呈活化的“開啟”狀態(tài)，當(dāng)結(jié)合GDP時(shí)呈失活的“關(guān)閉”狀態(tài)，開關(guān)調(diào)控蛋白通過兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換控制下游靶蛋白的活性。,開關(guān)調(diào)控蛋白（G蛋白）從失活態(tài)向活化態(tài)的轉(zhuǎn)換，由鳥苷酸交換因子 （guanine nucleotide-exchange factor, GEF）所介導(dǎo)，GEF引起GDP從開關(guān)調(diào)控蛋白釋放，繼而結(jié)合GTP并引發(fā)開關(guān)調(diào)控蛋白構(gòu)象改變使其活化。隨著結(jié)合GTP的水解，形成GDP和Pi，開關(guān)調(diào)控蛋白又恢復(fù)成失活的關(guān)閉狀態(tài)。GTP的水解速率被GTPase促進(jìn)蛋白（GTPase-accelerating protein, GAP）和G蛋白信號(hào)調(diào)節(jié)子（regulator of G protein-signaling, RGS）所促進(jìn)，被鳥苷酸解離抑制蛋白（guanine nucleotide-dissociation inhibitor, GDI）所抑制。,蛋白激酶/蛋白磷酸酶開關(guān)：通過蛋白激酶（protein kinase）使靶蛋白磷酸化和通過蛋白磷酸酶（protein phosphatase）使靶蛋白去磷酸化，從而調(diào)節(jié)靶蛋白的活化（開啟）與失活（關(guān)閉）。蛋白質(zhì)磷酸化和去磷酸化可以改變蛋白質(zhì)的電荷并改變蛋白質(zhì)構(gòu)象，從而導(dǎo)致該蛋白質(zhì)活性的增強(qiáng)或降低。,第二節(jié) G蛋白、 G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)與激活,G蛋白是三聚體GTP結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白的簡稱。位于質(zhì)膜內(nèi)胞漿一側(cè)，由G、G、G三個(gè)亞基組成，三個(gè)亞基各不相同。 G和G亞基分別通過與細(xì)胞膜上的脂分子共價(jià)結(jié)合錨定在質(zhì)膜上。G亞基本身具有GTPase活性，是分子開關(guān)蛋白。,與G蛋白偶聯(lián)受體相聯(lián)系的效應(yīng)蛋白激活的普遍機(jī)制,G蛋白是三聚體GTP結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白的簡稱。 G蛋白位于質(zhì)膜內(nèi)胞漿一側(cè) 由G 三個(gè)亞基組成。G和G亞基分別通過與細(xì)胞膜上的脂分子共價(jià)結(jié)合錨定在質(zhì)膜上。G亞基本身具有GTPase活性，是分子開關(guān)蛋白。三聚體G蛋白活化的步驟如下：1 配體結(jié)合誘發(fā)受體構(gòu)象改變；2 活化受體與G亞基結(jié)合；3 結(jié)合之后引發(fā)G亞基構(gòu)象改變，致使GDP與G蛋白解離；4 GTP與G亞基結(jié)合，引發(fā)G亞基與受體和G 亞基解離； 5 配體受體復(fù)合物解離，G亞基結(jié)合并激活效應(yīng)蛋白；6 GTP水解成GDP,引發(fā)G亞基與效應(yīng)蛋白解離并重新與G 亞基結(jié)合，恢復(fù)到三聚體G蛋白的靜息狀態(tài)。,現(xiàn)已知人類基因組至少編碼27種不同的G亞基，5種不同的G亞基和13種不同的G亞基。由于闡明了胞外信號(hào)如何轉(zhuǎn)換為胞內(nèi)信號(hào)的機(jī)制，A.G.Gilman和M.Rodbell獲得1994年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。,所有G蛋白偶聯(lián)受體都含有7個(gè)疏水肽段形成的跨膜螺旋區(qū)和相似的三維結(jié)構(gòu)，N端在細(xì)胞外側(cè)，C端在細(xì)胞胞質(zhì)測(cè)。每個(gè)跨膜螺旋由22-24個(gè)氨基酸殘基組成，其中螺旋5和6之間的胞內(nèi)環(huán)狀結(jié)構(gòu)域?qū)τ谑荏w與G蛋白之間的相互作用具有重要作用。,A. G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)模式圖B. 人腎上腺素G蛋白偶聯(lián)受體晶體結(jié)構(gòu),G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)無數(shù)胞外信號(hào)的細(xì)胞應(yīng)答，配體包括多種蛋白或肽類激素、局部介質(zhì)、神經(jīng)遞質(zhì)和氨基酸或脂肪酸衍生物，以及哺乳類嗅覺、味覺、和視覺。在線蟲基因組19000個(gè)基因中大約編碼1000種不同的G蛋白偶聯(lián)受體。盡管與這類受體相互作用的信號(hào)分子多種多樣，受體的氨基酸序列也千差萬別，但對(duì)G蛋白偶聯(lián)受體的研究分析表明，所有真核生物從單細(xì)胞酵母到人類都具有相似的七次跨膜結(jié)構(gòu)。,哺乳類三聚體G蛋白的主要種類及其效應(yīng)器,人們能看到一杯咖啡、聞到咖啡的香味、品嘗到咖啡的美味以及喝下咖啡后愉悅的心情，這都離不開受體的作用。G蛋白偶聯(lián)受體(GPCR)是與G蛋白有信號(hào)連接的1000多種受體的統(tǒng)稱。它屬于膜蛋白，也就是分布在細(xì)胞膜上的蛋白。G蛋白橫跨在細(xì)胞膜上，一面可以解讀細(xì)胞外的信號(hào)，另一面可以和細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)發(fā)生作用，成為細(xì)胞外信息進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的橋梁。G蛋白偶聯(lián)受體能鞏固探測(cè)激素、氣味、化學(xué)神經(jīng)遞質(zhì)等，從而將信息通過激活不同類型G蛋白中的一種，傳遞到細(xì)胞內(nèi)部。G蛋白偶聯(lián)受體是最著名的藥物靶向分子。目前世界藥物市場(chǎng)上至少有30%的小分子藥物可以激活或是阻斷G蛋白偶聯(lián)受體的作用。目前上市的藥物中，前50種最暢銷藥物有20%就屬于G蛋白偶聯(lián)受體相關(guān)藥物，比如充血性心力衰竭藥物卡維地洛，抗高血壓藥物科素亞，乳腺癌藥物諾雷得等。,G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的細(xì)胞信號(hào)通路,細(xì)胞表面受體介導(dǎo)的細(xì)胞信號(hào)通路：5個(gè)步驟組成,由G蛋白偶聯(lián)受體所介導(dǎo)的細(xì)胞信號(hào)通路，按其效應(yīng)器蛋白的不同，可分為3類：激活離子通道的G蛋白偶聯(lián)受體激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶，以cAMP為第二信使的G蛋白偶聯(lián)受體激活磷脂酶C（phospholipase C, PLC），以IP3和DAG作為雙信使的G蛋白偶聯(lián)受體。,（一）激活離子通道的G蛋白偶聯(lián)受體所介導(dǎo)的信號(hào)通路,心肌細(xì)胞上M乙酰膽堿受體激活G蛋白開啟K+通道,許多神經(jīng)遞質(zhì)受體是G蛋白偶聯(lián)受體，效應(yīng)器蛋白是Na +或K +通道，神經(jīng)遞質(zhì)與G蛋白偶聯(lián)受體結(jié)合引發(fā)離子通道的開放或關(guān)閉，進(jìn)而導(dǎo)致膜電位變化。,（二）激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶的G蛋白偶聯(lián)受體（真核細(xì)胞應(yīng)答激素反應(yīng)的主要機(jī)制之一）,在絕大多數(shù)哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)通路中，G亞基的首要效應(yīng)酶是腺苷酸環(huán)化酶，通過腺苷酸環(huán)化酶活性的變化調(diào)節(jié)靶細(xì)胞內(nèi)第二信使cAMP的水平，進(jìn)而影響信號(hào)通路的下游事件。,不同的激素-受體復(fù)合物，偶聯(lián)不同的G蛋白（不同的G亞基相同的G亞基）導(dǎo)致Gs-GTP激活腺苷酸環(huán)化酶，而Gi-GTP抑制腺苷酸環(huán)化酶的活性,在多細(xì)胞動(dòng)物各種以cAMP為第二信使的信號(hào)通路中，主要是通過cAMP激活蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）所介導(dǎo)。無活性的PKA是含有2個(gè)調(diào)節(jié)亞基（regulatory subunit，R）和2個(gè)催化亞基（catalytic subunit，C）組成的四聚體，每個(gè)R亞基上有兩個(gè)cAMP調(diào)節(jié)位點(diǎn)。,cAMP特異性地活化cAMP依賴的PKA，釋放其催化亞基,G蛋白偶聯(lián)受體-cAMP-PKA信號(hào)通路對(duì)真核細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控,CREB, cAMP-response element binding protein （cAMP應(yīng)答原件結(jié)合蛋白）,許多激素刺激這些受體導(dǎo)致PKA的激活，但是細(xì)胞應(yīng)答反應(yīng)不同，為什么？cAMP-PKA通路：腎上腺素在肝細(xì)胞和肌細(xì)胞中對(duì)糖原代謝的效應(yīng)；腎上腺素在脂肪細(xì)胞中促進(jìn)磷脂酶的活性，催化甘油三酯生成脂肪酸和甘油；卵巢細(xì)胞中G蛋白偶聯(lián)受體在某些垂體激素刺激下導(dǎo)致PKA活化，促進(jìn)2種類固醇激素（雌激素和孕酮）的合成。細(xì)胞應(yīng)答反應(yīng)只依賴于細(xì)胞表達(dá)的特殊PKA異構(gòu)體和PKA底物。,在討論G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)通路時(shí)，我們不禁要問：為什么不同的信號(hào)（配體）通過類似的機(jī)制會(huì)引發(fā)多種不同的細(xì)胞反應(yīng)？這主要取決于G蛋白偶聯(lián)受體的特異性。首先，對(duì)某一特定的配體其受體可以幾種不同的異構(gòu)體形式存在?，F(xiàn)已知腎上腺素受體有9種不同的異構(gòu)體，5-羥色胺的受體有15種不同的異構(gòu)體。其次，人類基因組編碼27中不同的G，5種不同的G和13種不同的G亞基，還有9種不同的腺苷酸環(huán)化酶。不同亞基組合的多樣性決定了通過類似機(jī)制可產(chǎn)生眾多不同的細(xì)胞反應(yīng)。,霍亂是因攝入的食物或水受到霍亂弧菌污染而引起的一種急性腹瀉性傳染病。每年，估計(jì)有300萬500萬霍亂病例，另有10萬12萬人死亡。病發(fā)高峰期在夏季，能在數(shù)小時(shí)內(nèi)造成腹瀉脫水甚至死亡。霍亂毒素具有ADP-核糖轉(zhuǎn)移酶活性，進(jìn)入細(xì)胞催化胞內(nèi)的NAD+的ADP核糖基共價(jià)結(jié)合在Gs亞基上，致使Gs亞基喪失了GTPase的活性，導(dǎo)致與Gs亞基結(jié)合的GTP不能水解成GDP，結(jié)果GTP永久的結(jié)合在Gs亞基上，處于持續(xù)活化狀態(tài)，因此能不斷激活腺苷酸環(huán)化酶，使腺苷酸環(huán)化酶被鎖定在活化狀態(tài)?；魜y病患者的癥狀是嚴(yán)重腹瀉，其主要原因是霍亂毒素使得Gs亞基處于持續(xù)激活狀態(tài)，導(dǎo)致小腸上皮細(xì)胞中cAMP水平增加100倍以上，使細(xì)胞膜上的離子通道打開，導(dǎo)致細(xì)胞大量Na+和水分子持續(xù)外流，產(chǎn)生嚴(yán)重腹瀉而脫水。,（三）激活磷脂酶C、以IP3和DAG作為雙信使的G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)通路,通過G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的另外一條信號(hào)通路是磷脂酰肌醇信號(hào)通路，信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)時(shí)通過效應(yīng)酶磷脂酶C完成的。,磷脂酰肌醇代謝途徑,脂肪酸鏈甘油三酯二脂酰甘油磷脂酰肌醇：由肌醇、磷酸1,2-二脂酰甘油組成,IP3-Ca2+信號(hào)通路,幾乎所有真核細(xì)胞內(nèi)Ca2+動(dòng)員的主要途徑：依靠內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的IP3門控Ca2+通道將儲(chǔ)存的Ca2+釋放到細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中。,IP3介導(dǎo)的Ca2+水平的升高只是暫時(shí)的，質(zhì)膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上Ca2+泵的啟動(dòng)會(huì)分別將Ca2+泵出細(xì)胞和泵進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔。鈣火花：在短短的