G蛋白偶聯(lián)受體

1、G蛋白以及蛋白以及G蛋白偶聯(lián)受體蛋白偶聯(lián)受體 多細胞生物是一個有序可控的多細胞生物是一個有序可控的“細胞社細胞社會會”，這種社會性的維持不僅，這種社會性的維持不僅依賴于細胞依賴于細胞的物質代謝和能量代謝的物質代謝和能量代謝，更有賴于細胞間更有賴于細胞間通訊與信號調控通訊與信號調控，以協(xié)調細胞的行為，諸，以協(xié)調細胞的行為，諸如細胞生長、分裂、分化、凋亡等生理功如細胞生長、分裂、分化、凋亡等生理功能。能。 第一節(jié)第一節(jié) 細胞信號轉導概述細胞信號轉導概述 第二節(jié)第二節(jié) G蛋白蛋白、 G蛋白偶蛋白偶聯(lián)受體介導的信號聯(lián)受體介導的信號轉導轉導第一節(jié)第一節(jié) 細胞信號轉導概述細胞信號轉導概述 信號細胞信號細胞

2、( (signaling cell)signaling cell)：能產(chǎn)生信號分子的細胞。能產(chǎn)生信號分子的細胞。 靶細胞靶細胞( (target cell)target cell)：受到信號分子的作用發(fā)生反應的受到信號分子的作用發(fā)生反應的細胞。細胞。 信號轉導信號轉導( (signal transduction)signal transduction)：靶細胞依靠受體識別靶細胞依靠受體識別專一的細胞外信號分子，并專一的細胞外信號分子，并把細胞外信號轉變?yōu)榧毎麅劝鸭毎庑盘栟D變?yōu)榧毎麅刃盘栃盘?，這一轉變過程稱為信號轉導，這一轉變過程稱為信號轉導。是實現(xiàn)細胞間通訊。是實現(xiàn)細胞間通訊的關鍵過程。的關

3、鍵過程。 細胞信號傳遞細胞信號傳遞（cell signalingcell signaling）：信號轉導后，）：信號轉導后，靶細靶細胞內部通過不同的信息傳遞途徑胞內部通過不同的信息傳遞途徑最終引起基因或蛋白的最終引起基因或蛋白的變化導致細胞行為改變，這一過程稱為細胞信號傳遞。變化導致細胞行為改變，這一過程稱為細胞信號傳遞。 通過胞外信號所介導的細胞通訊包括通過胞外信號所介導的細胞通訊包括6步：步：信號細胞合成并釋放信號分子（配體）信號細胞合成并釋放信號分子（配體）轉運信號分子至靶細胞轉運信號分子至靶細胞信號分子與靶細胞表面受體特異性結合，導致受體被激活信號分子與靶細胞表面受體特異性結合，導致受

4、體被激活活化的受體啟動靶細胞內信號傳遞途徑活化的受體啟動靶細胞內信號傳遞途徑引發(fā)細胞代謝、功能或基因表達的改變引發(fā)細胞代謝、功能或基因表達的改變解除信號并導致細胞反應終止解除信號并導致細胞反應終止細胞表面受體轉導胞外信號引發(fā)兩類反應細胞表面受體轉導胞外信號引發(fā)兩類反應快反應和慢反應快反應和慢反應二二 信號分子與受體信號分子與受體 信號分子信號分子：細胞的信息載體：細胞的信息載體信號分子信號分子化學信號化學信號物理信號：聲、光、電、溫度物理信號：聲、光、電、溫度氣體性信號分子：氣體性信號分子：NO, CO疏水性信號分子：疏水性信號分子：甾類激素，甲狀腺素甾類激素，甲狀腺素親水性信號分子：局部介質

5、、親水性信號分子：局部介質、神經(jīng)遞質，多數(shù)蛋白類激素神經(jīng)遞質，多數(shù)蛋白類激素 受體受體：能夠識別和選擇性結合某種配體（信號分：能夠識別和選擇性結合某種配體（信號分子）的大分子，多數(shù)為糖蛋白。子）的大分子，多數(shù)為糖蛋白。細胞內受體：位于細胞質基質、核基質，識別結合細胞內受體：位于細胞質基質、核基質，識別結合脂溶性信號分子（甾類激素、甲狀腺素、維生素脂溶性信號分子（甾類激素、甲狀腺素、維生素D）細胞表面受體：識別細胞表面受體：識別結合親水性信號分子結合親水性信號分子離子通道偶聯(lián)受體：受體本身離子通道偶聯(lián)受體：受體本身既有配體結合位點又是離子通道既有配體結合位點又是離子通道G蛋白偶聯(lián)受體：蛋白偶聯(lián)受

6、體：普遍存在于各類真核細胞表面普遍存在于各類真核細胞表面酶聯(lián)受體酶聯(lián)受體三種類型的細胞表面受體三種類型的細胞表面受體第二信使與分子開關第二信使與分子開關 第二信使第二信使：胞外信號分子（配體）與細胞表面受體結：胞外信號分子（配體）與細胞表面受體結合后，導致在胞內產(chǎn)生的合后，導致在胞內產(chǎn)生的非蛋白類小分子非蛋白類小分子， 通過通過其濃度變化來應答胞外信號其濃度變化來應答胞外信號，調節(jié)細胞內信號蛋，調節(jié)細胞內信號蛋白的活性，從而在細胞信號轉導途徑中行使攜帶和放白的活性，從而在細胞信號轉導途徑中行使攜帶和放大信號的功能。大信號的功能。4種常見的細胞內第二信使及其主要效應種常見的細胞內第二信使及其主要

7、效應cAMP，環(huán)腺苷一磷酸，是由三磷酸腺苷（，環(huán)腺苷一磷酸，是由三磷酸腺苷（ATP）脫掉兩個磷酸縮合而成的。）脫掉兩個磷酸縮合而成的。 在細胞信號轉導過程中，除細胞表面受體在細胞信號轉導過程中，除細胞表面受體和第二信使分子以外，和第二信使分子以外，還有兩類在進化上還有兩類在進化上保守的胞內蛋白，這兩類蛋白在引發(fā)信號保守的胞內蛋白，這兩類蛋白在引發(fā)信號轉導級聯(lián)反應中起分子開關（轉導級聯(lián)反應中起分子開關（molecular switch）的作用。）的作用。 分子開關：通過分子開關：通過“開啟開啟”和和“關閉關閉”兩種兩種狀態(tài)的轉換來控制下游靶蛋白的活性。狀態(tài)的轉換來控制下游靶蛋白的活性。 GTPa

8、se開關開關調控蛋白構成的調控蛋白構成的細胞內細胞內GTPase超家超家族（族（G蛋白超家族蛋白超家族），），主要是主要是：三聚體三聚體GTP結合蛋結合蛋白。白。 這類這類GTP結合蛋白當結合結合蛋白當結合GTP時呈活化的時呈活化的“開啟開啟”狀態(tài)，當結合狀態(tài)，當結合GDP時呈失活的時呈失活的“關閉關閉”狀態(tài)，狀態(tài)，開開關調控蛋白通過兩種狀態(tài)的轉換控制下游靶蛋白關調控蛋白通過兩種狀態(tài)的轉換控制下游靶蛋白的活性。的活性。開關調控蛋白（開關調控蛋白（G蛋白）從蛋白）從失活態(tài)向活化態(tài)的轉換失活態(tài)向活化態(tài)的轉換，由鳥苷酸交換因子由鳥苷酸交換因子 （guanine nucleotide-exchange

9、 factor, GEF）所介導，）所介導，GEF引起引起GDP從開從開關調控蛋白釋放，繼而結合關調控蛋白釋放，繼而結合GTP并引發(fā)開關調控蛋白構象改變使其活化。并引發(fā)開關調控蛋白構象改變使其活化。隨著結合隨著結合GTP的水解，形成的水解，形成GDP和和Pi，開關調控蛋白又恢復成失活的關，開關調控蛋白又恢復成失活的關閉狀態(tài)。閉狀態(tài)。GTP的水解速率被的水解速率被GTPase促進蛋白（促進蛋白（GTPase-accelerating protein, GAP）和）和G蛋白信號調節(jié)子（蛋白信號調節(jié)子（regulator of G protein-signaling, RGS）所促進，被鳥苷酸解離抑

10、制蛋白（）所促進，被鳥苷酸解離抑制蛋白（guanine nucleotide-dissociation inhibitor, GDI）所抑制）所抑制。 蛋白激酶蛋白激酶/蛋白磷酸酶開關蛋白磷酸酶開關：通過蛋白激酶（：通過蛋白激酶（protein kinase）使靶蛋白磷酸化和通過蛋白磷酸酶（使靶蛋白磷酸化和通過蛋白磷酸酶（protein phosphatase）使靶）使靶蛋白去磷酸化，從而調節(jié)靶蛋白的活化（開啟）與失活（關閉）。蛋白去磷酸化，從而調節(jié)靶蛋白的活化（開啟）與失活（關閉）。 蛋白質磷酸化和去磷酸化可以蛋白質磷酸化和去磷酸化可以改變蛋白質的電荷改變蛋白質的電荷并并改變蛋白質構改變蛋白

11、質構象象，從而導致該蛋白質活性的增強或降低。，從而導致該蛋白質活性的增強或降低。第二節(jié)第二節(jié) G蛋白、蛋白、 G蛋白偶聯(lián)受體介導的信號轉導蛋白偶聯(lián)受體介導的信號轉導G蛋白偶聯(lián)受體的結構與激活蛋白偶聯(lián)受體的結構與激活 G蛋白是三聚體蛋白是三聚體GTP結合調節(jié)蛋白的結合調節(jié)蛋白的簡稱。簡稱。 位于質膜內胞漿一側，由位于質膜內胞漿一側，由G、G、G三個三個亞基組成，三個亞基各不相同。亞基組成，三個亞基各不相同。 G和和G亞基分別通過與細胞膜上的脂分子共價結亞基分別通過與細胞膜上的脂分子共價結合合錨定在質膜上錨定在質膜上。 G亞基本身具有亞基本身具有GTPase活性，是分子開關活性，是分子開關蛋白。蛋

12、白。與與G蛋白偶聯(lián)受體相聯(lián)系蛋白偶聯(lián)受體相聯(lián)系的效應蛋白激活的的效應蛋白激活的普遍機制普遍機制G蛋白是三聚體蛋白是三聚體GTP結合調節(jié)蛋白的簡稱。結合調節(jié)蛋白的簡稱。 G蛋白位于質膜內胞漿一側蛋白位于質膜內胞漿一側 由由G 三三個亞基組成個亞基組成。G和和G亞基分別通過與細胞膜上的脂分子共價結合錨定在質膜上。亞基分別通過與細胞膜上的脂分子共價結合錨定在質膜上。G亞基本身具有亞基本身具有GTPase活性，是分子開關蛋白活性，是分子開關蛋白。三聚體三聚體G蛋白活化的步驟如下：蛋白活化的步驟如下：1 配體結合誘發(fā)受體構象改變；配體結合誘發(fā)受體構象改變；2 活化受體與活化受體與G亞亞基結合；基結合；3

13、 結合之后引發(fā)結合之后引發(fā)G亞基構象改變，致使亞基構象改變，致使GDP與與G蛋白解離；蛋白解離；4 GTP與與G亞亞基結合，引發(fā)基結合，引發(fā)G亞基與受體和亞基與受體和G 亞基解離；亞基解離； 5 配體受體復合物解離，配體受體復合物解離，G亞基結合并激活效應蛋白；亞基結合并激活效應蛋白；6 GTP水解成水解成GDP,引發(fā)引發(fā)G亞基亞基與效應蛋白解離并重新與效應蛋白解離并重新與與G 亞基結合，恢復到亞基結合，恢復到三聚體三聚體G蛋白的靜息狀態(tài)。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如何轉換為胞內信號的機制，A.G.G

14、ilman和M.Rodbell獲得1994年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。 所有所有G蛋白偶聯(lián)受體都含有蛋白偶聯(lián)受體都含有7個疏水肽段形成的跨個疏水肽段形成的跨膜膜螺旋區(qū)和相似的三維結構，螺旋區(qū)和相似的三維結構，N端在細胞外側，端在細胞外側，C端在細胞胞質測。每個跨膜端在細胞胞質測。每個跨膜螺旋由螺旋由22-24個氨基個氨基酸殘基組成，其中螺旋酸殘基組成，其中螺旋5和和6之間的胞內環(huán)狀結構之間的胞內環(huán)狀結構域對于受體與域對于受體與G蛋白之間的相互作用具有重要作蛋白之間的相互作用具有重要作用。用。A. G蛋白偶聯(lián)受體的結構蛋白偶聯(lián)受體的結構模式圖模式圖B. 人人腎上腺素腎上腺素G蛋白蛋白偶聯(lián)受體晶體結構

15、偶聯(lián)受體晶體結構 G蛋白偶聯(lián)受體介導無數(shù)胞外信號的細胞應答，配體包蛋白偶聯(lián)受體介導無數(shù)胞外信號的細胞應答，配體包括多種蛋白或肽類激素、局部介質、神經(jīng)遞質和氨基酸括多種蛋白或肽類激素、局部介質、神經(jīng)遞質和氨基酸或脂肪酸衍生物，以及哺乳類嗅覺、味覺、和視覺?；蛑舅嵫苌?，以及哺乳類嗅覺、味覺、和視覺。 在線蟲基因組在線蟲基因組19000個基因中大約編碼個基因中大約編碼1000種種不同不同的的G蛋白偶聯(lián)受體。蛋白偶聯(lián)受體。 盡管與這類受體相互作用的信號分子多種多樣，受體的盡管與這類受體相互作用的信號分子多種多樣，受體的氨基酸序列也千差萬別，但對氨基酸序列也千差萬別，但對G蛋白偶聯(lián)受體的研究分蛋白偶

16、聯(lián)受體的研究分析表明，析表明，所有真核生物從單細胞酵母到人類都具有相似所有真核生物從單細胞酵母到人類都具有相似的七次跨膜結構的七次跨膜結構。哺乳類三聚體哺乳類三聚體G蛋白的主要種類及其效應器蛋白的主要種類及其效應器 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，也就是分布在細胞膜上的蛋白。G蛋白橫跨在細胞膜上，一面可以解讀細胞外的信號，另一面可以和細胞內的物質發(fā)生作用，成為細胞外信息進入細胞內的橋梁。G蛋白偶聯(lián)受體能鞏固探測激素、氣味、化學神經(jīng)遞質等，從而

17、將信息通過激活不同類型G蛋白中的一種，傳遞到細胞內部。 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)受體介導的細胞信號通路蛋白偶聯(lián)受體介導的細胞信號通路細胞表面受體介導的細胞信號通路：細胞表面受體介導的細胞信號通路：5個步驟組成個步驟組成 由由G蛋白偶聯(lián)受體所介導的細胞信號通路，蛋白偶聯(lián)受體所介導的細胞信號通路，按其效應按其效應器蛋白的不同器蛋白的不同，可分為，可分

18、為3類：類： 激活離子通道的激活離子通道的G蛋白偶聯(lián)受體蛋白偶聯(lián)受體 激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶，以激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶，以cAMP為第二信使的為第二信使的G蛋白偶聯(lián)受體蛋白偶聯(lián)受體 激活磷脂酶激活磷脂酶C（phospholipase C, PLC），以），以IP3和和DAG作為雙信使的作為雙信使的G蛋白偶聯(lián)受體。蛋白偶聯(lián)受體。（一）激活離子通道的（一）激活離子通道的G蛋白偶聯(lián)受體蛋白偶聯(lián)受體所介導所介導的信號通路的信號通路 心肌細胞上M乙酰膽堿受體激活G蛋白開啟K+通道許多神經(jīng)遞質受體是許多神經(jīng)遞質受體是G蛋白偶聯(lián)受體蛋白偶聯(lián)受體，效應器，效應器蛋白是蛋白是Na +或或K +通道，神經(jīng)遞質通道

19、，神經(jīng)遞質與與G蛋白偶聯(lián)受體蛋白偶聯(lián)受體結合結合引發(fā)離子通道引發(fā)離子通道的開放或的開放或關閉，進而導致膜電位變化。關閉，進而導致膜電位變化。（二）激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶的（二）激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶的G蛋白偶聯(lián)受體蛋白偶聯(lián)受體（真核細胞應答激素反應的主要機制之一）（真核細胞應答激素反應的主要機制之一） 在絕大多數(shù)哺乳動物細胞中，在絕大多數(shù)哺乳動物細胞中，G蛋白偶聯(lián)受體介導的信蛋白偶聯(lián)受體介導的信號通路中，號通路中，G亞基的首要效應酶是腺苷酸環(huán)化酶亞基的首要效應酶是腺苷酸環(huán)化酶，通，通過腺苷酸環(huán)化酶活性的變化調節(jié)靶細胞內第二信使過腺苷酸環(huán)化酶活性的變化調節(jié)靶細胞內第二信使cAMP的水平，進而影響

20、信號通路的下游事件。的水平，進而影響信號通路的下游事件。不同的激素不同的激素-受體復合物，偶聯(lián)不同的受體復合物，偶聯(lián)不同的G蛋白（不同的蛋白（不同的G亞基相同的亞基相同的G亞基）亞基）導致導致Gs-GTP激活腺苷酸環(huán)化酶，而激活腺苷酸環(huán)化酶，而Gi-GTP抑制腺苷酸環(huán)化酶的活性抑制腺苷酸環(huán)化酶的活性 在多細胞動物各種以在多細胞動物各種以cAMP為第二信使的信號通路中，為第二信使的信號通路中，主要是通過主要是通過cAMP激活激活蛋白激酶蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）所介導。）所介導。 無活性的無活性的PKA是含有是含有2個調節(jié)亞基（個調節(jié)亞基（regulatory sub

21、unit，R）和）和2個催化亞基（個催化亞基（catalytic subunit，C）組成的四聚）組成的四聚體，每個體，每個R亞基上有兩個亞基上有兩個cAMP調節(jié)位點。調節(jié)位點。cAMP特異性地活化特異性地活化cAMP依賴的依賴的PKA，釋放其催化亞基，釋放其催化亞基G蛋白偶聯(lián)受體蛋白偶聯(lián)受體-cAMP-PKA信號通路對真核細胞基因轉錄的調控信號通路對真核細胞基因轉錄的調控CREB, cAMP-response element binding protein （cAMP應答原件結合蛋白）應答原件結合蛋白） 許多激素刺激這些受體導致許多激素刺激這些受體導致PKA的激活，但是細胞應答的激活，但是細

22、胞應答反應不同，反應不同，為什么？為什么？ cAMP-PKA通路：通路： 腎上腺素在肝細胞和肌細胞中對糖原代謝的效應；腎上腺素在肝細胞和肌細胞中對糖原代謝的效應； 腎上腺素在脂肪細胞中促進磷脂酶的活性，催化甘油三酯生成腎上腺素在脂肪細胞中促進磷脂酶的活性，催化甘油三酯生成脂肪酸和甘油；脂肪酸和甘油； 卵巢細胞中卵巢細胞中G蛋白偶聯(lián)受體在某些垂體激素刺激下導致蛋白偶聯(lián)受體在某些垂體激素刺激下導致PKA活化，活化，促進促進2種類固醇激素（雌激素和孕酮）的合成種類固醇激素（雌激素和孕酮）的合成。 細胞應答反應只依賴于細胞表達的特殊細胞應答反應只依賴于細胞表達的特殊PKA異構體和異構體和PKA底物。底

23、物。在討論在討論G蛋白偶聯(lián)受體介導的信號通路時，我們不禁要問：為蛋白偶聯(lián)受體介導的信號通路時，我們不禁要問：為什么不同的信號（配體）通過類似的機制會引發(fā)多種不同的細什么不同的信號（配體）通過類似的機制會引發(fā)多種不同的細胞反應？這主要胞反應？這主要取決于取決于G蛋白偶聯(lián)受體的特異性蛋白偶聯(lián)受體的特異性。首先，對某。首先，對某一特定的配體其受體可以幾種不同的異構體形式存在?，F(xiàn)已知一特定的配體其受體可以幾種不同的異構體形式存在。現(xiàn)已知腎上腺素受體有腎上腺素受體有9種不同的異構體，種不同的異構體，5-羥色胺的受體有羥色胺的受體有15種種不同不同的異構體。的異構體。其次，人類基因組編碼其次，人類基因組編

24、碼27中不同的中不同的G，5種不同的種不同的G和和13種不種不同的同的G亞基，還有亞基，還有9種不同的腺苷酸環(huán)化酶。種不同的腺苷酸環(huán)化酶。不同亞基組合不同亞基組合的的多樣性決定了通過類似機制可產(chǎn)生眾多不同的細胞反應。多樣性決定了通過類似機制可產(chǎn)生眾多不同的細胞反應。 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，估計有腹瀉性傳染病。每年，估計有300萬萬500萬霍亂病例，另有萬霍亂病例，另有10萬萬12萬人死亡。病發(fā)高峰期在夏季，能在數(shù)小時內造成腹瀉萬人死亡。病發(fā)高峰期在夏季，能在數(shù)小時內造成腹瀉脫水甚至死亡。脫

25、水甚至死亡。 霍亂毒素具有霍亂毒素具有ADP-核糖轉移酶活性，進入細胞催化胞內的核糖轉移酶活性，進入細胞催化胞內的NAD+的的ADP核糖基共價結合在核糖基共價結合在Gs亞基上，致使亞基上，致使Gs亞基喪失亞基喪失了了GTPase的活性的活性，導致與，導致與Gs亞基結合的亞基結合的GTP不能水解成不能水解成GDP，結果結果GTP永久的結合在永久的結合在Gs亞基上，處于持續(xù)活化狀態(tài)，因此亞基上，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)。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)。 霍亂病患者的癥狀是嚴重腹瀉，其主要原因是霍亂毒素使得霍亂病患者的癥狀是嚴重腹瀉，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)，導致小腸上皮細胞中亞基處于持續(xù)激活狀態(tài)，導致小腸上皮細胞中cAMP水平水平增加增加100倍以上，使細胞膜上的離子通道打開，導致細胞大量倍以上，使細胞膜上的離子通道打開，導致細胞大量Na+和水分子持續(xù)外流，產(chǎn)生嚴重腹瀉而脫水。和水分子持續(xù)外流，產(chǎn)生嚴重腹瀉而脫水。（三）激活磷脂酶（三）激活磷脂酶C、以、以IP3和和DAG作為雙信使作為雙信使的的G蛋蛋白偶聯(lián)受體介導的信號通路白偶聯(lián)受