2019精选医学第2章蛋白质结构与功能——受体..ppt

第二章 蛋白质结构与功能受体 n第一节 分子识别n第二节 离子通道偶联型受体 n第三节 G蛋白偶联型受体 n第四节 酶偶联型受体n第五节 细胞内受体第一节第一节 分子识别分子识别 细胞通讯中，由信号传导细胞送出的信号分子必须被靶细胞接收才能触发靶细胞的应答，接收信息的分子称为受体（receptor），信号分子则被称为配体（ligand）。几丁质分子识别的基础n分子识别是生命活动中最为重要的反应之一，各种生物大分子通过氢键、离子键等相互结合，不同大分子之间的三维结构特异性的相互识别，导致了生物体中各种生命反应的发生。n信号分子识别并结合的受体 通常位于细胞质膜或细胞内，所以有两类受体：表面受体（surface receptor）位于细胞质膜上的称为表面受体（surface receptor），主要同大的信号分子或小的亲水性的信号分子作用，传递信息。细胞内受体（intracellular receptor）位于胞质溶胶、核基质中的受体称为细胞内受体（intracellular receptor）。主要同脂溶性的小信号分子作用。分类：分类：细细胞胞表表面面受受体体与与细细胞胞内内受受体体 n根据表面受体进行信号转导的方式，将表面受体分为三种类型：离子通道偶联受体（ion-channel linked receptor）G-蛋白偶联受体（G-protein linked receptor）酶联受体（enzyme-linked receptor）肽类生长因子n根据表面受体与质膜的结合方式，则可分为单次跨膜、7次跨膜和多亚单位跨膜受体n 细胞内受体：细胞内受体：通常有两个不同的结构域，一个是与DNA结合的结构域，另一个是激活基因转录的N端结构域。此外有两个结合位点，一个是与配体结合的位点，位于C末端，另一个是与抑制蛋白结合的位点，在没有与配体结合时，则由抑制蛋白抑制了受体与DNA的结合，若是有相应的配体，则释放出抑制蛋白。第五节第五节 细胞内受体细胞内受体n细胞内受体的本质是激素激活的基因调控蛋白。在细胞内，受体与抑制性蛋白（如Hsp90）结合形成复合物，处于非活化状态。配体（如皮质醇）与受体结合，将导致抑制性蛋白从复合物上解离下来，从而使受体暴露出DNA结合位点而被激活。n这类受体一般都有三个结构域：位于C端的激素结合位点，位于中部富含Cys、具有锌指结构的DNA或Hsp90结合位点，以及位于N端的转录激活结构域。1.甾类激素的受体甾类激素的受体 糖皮质激素受体激活糖皮质激素受体激活 细胞内受体接受脂溶性的信号分子并与之结合形成受体-配体复合物后就成为转录促进因子，作用于特异的基因调控序列，启动基因的转录（a）类固醇激素通过扩散穿过细胞质膜；（b）激素分子与胞质溶胶中的受体结合；（c）抑制蛋白与受体脱离，露出与DNA结合和激活基因转录的结构域；（d）被激活的复合物进入细胞核；（e）与DNA增强子区结合；（f）促进受激素调节的基因转录。DNA结合域：锌指结构结合域：锌指结构 甾类激素受体对基因表达的调控 初级反应 延缓性次级反应2.NO受体受体nNO没有专门的储存及释放调节机制，靶细胞中NO的多少直接与NO的合成有关。nNO的生成由一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）催化，以L-精氨酸为底物，以还原型辅酶（NADPH）作为电子供体，生成NO和L-瓜氨酸。n血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞。n血管内皮细胞接受乙酰胆碱，引起胞内Ca2+浓度升高，激活一氧化氮合酶，细胞释放NO，NO扩散进入平滑肌细胞，与胞质鸟苷酸环化酶（GTP-cyclase，GC）活性中心的Fe2+结合，改变酶的构象，导致酶活性的增强和cGMP合成增多。cGMP可降低血管平滑肌中的Ca2+离子浓度，引起血管平滑肌的舒张，血管扩张、血流通畅。NO的作用机制的作用机制 NO扩散进入平滑肌细胞，与胞质鸟苷酸环化酶活性中心的Fe2+结合，改变酶的构象，导致酶活性的增强和cGMP合成增多。cGMP可降低血管平滑肌中的Ca2+离子浓度，引起血管平滑肌的舒张，血管扩张、血流通畅。第二节 离子通道偶联型受体n具有离子通道作用的细胞质膜受体称为离子通道受体，这种受体见于可兴奋细胞间的突触信号传导，产生一种电效应。n离子通道偶联型受体又可分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体以及阴离子通道，如甘氨酸和-氨基丁酸的受体 乙酰胆碱受体结构模型 乙酰胆碱受体的三种构象 神经肌肉接点处的离子通道型受体-氨基丁酸（GABA）受体结构 离离子子通通道道偶偶联联受受体体与与信信号号传传导导 动作电位到达突触末端，引起暂时性的去极化；去极化作用打开了电位门控钙离子通道，导致钙离子进入突触球；Ca2+浓度提高诱导分离的含神经递质分泌泡的分泌，释放神经递质；Ca2+引起储存小泡分泌释放神经递质；分泌的神经递质分子经扩散到达突触后细胞的表面受体；神经递质与受体的结合，改变受体的性质；离子通道开放，离子得以进入突触后细胞；突触后细胞中产生动作电位。第三节第三节 G蛋白偶联型受体蛋白偶联型受体1.G蛋白蛋白n三聚体GTP结合调节蛋白（trimeric GTP-binding regulatory protein）简称G蛋白，位于质膜胞质侧，由、三个亚基组成，总相对分子质量在100kDa左右。和亚基通过共价结合的脂肪酸链尾结合在膜上。nG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结合时处于开启状态。n亚基具有GTP酶活性，能催化所结合的GTP水解，恢复无活性的三聚体状态 G蛋白偶联系统的组成：膜结合机器蛋白偶联系统的组成：膜结合机器 G蛋蛋白白分分子子开开关关效应物效应物G蛋白循环蛋白循环(G protein cycle)nG蛋白能够以两种不同的状态结合在细胞质膜上：一种是静息状态，即三体状态；另一种是活性状态。G蛋白由非活性状态转变成活性状态，尔后又恢复到非活性状态的过程称为G蛋白循环。nG蛋白的这种活性转变与三种蛋白相关联：GTPase激活蛋白(GTPase-activating protein，GAPs);鸟苷交换因子(guanine nucleotide-exchange factors，GEFs);鸟苷解离抑制蛋白(guanine nucleotide-dissociation inhibitors，GDIs)鸟苷交换因子鸟苷交换因子GTPase激活蛋白激活蛋白鸟苷解离抑制蛋白鸟苷解离抑制蛋白效效应应物物G蛋白蛋白作作 用用腺苷酸环化酶GsGi激活酶活性抑制酶活性K+离子通道Gi打开离子通道磷脂酶CGp激活酶活性cGMP磷酸二脂酶Gt激活酶活性某些某些G蛋白的功能蛋白的功能 Gs-GTP 激活或者抑制？Gi-GTP2.小小G蛋白蛋白 n小G蛋白（Small G Protein）因分子量只有2030KD而得名，同样具有GTP酶活性，在多种细胞反应中具有开关作用。n第一个被发现的小G蛋白是Ras，它是ras基因的产物。其它的还有Rho，SEC4，YPT1等，微管蛋白亚基也是一种小G蛋白。n小G蛋白的共同特点是：当结合了GTP时即成为活化形式，这时可作用于下游分子使之活化，而当GTP水解成为GDP时（自身为GTP酶）则回复到非活化状态。这一点与G类似，但是小G蛋白的分子量明显低于 G3.G蛋白偶联受体蛋白偶联受体 nG蛋白偶联型受体为7次跨膜蛋白，每一种G-蛋白偶联受体都有7个螺旋的跨膜区。信号分子与受体的细胞外结构域部分结合，引起受体的细胞内结构域部分激活相邻的G-蛋白；通过与G蛋白偶联，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。G-蛋白偶联型受体为蛋白偶联型受体为7次跨膜蛋白次跨膜蛋白 G蛋白偶联型受体包括：n多种神经递质、肽类激素和趋化因子的受体（如-肾上腺素受体、胰高血糖素受体、促甲状腺素受体、后叶加压素受体、促黄体生长素受体、促卵泡激素受体等）n在味觉、视觉和嗅觉中接受外源理化因素的受体，亦属G蛋白偶联型受体，如视紫红质(脊椎动物眼中的光激活光受体蛋白)，以及脊椎动物鼻中的嗅觉受体。G蛋白偶联受体信号转导系统的特点 n系统由三个部分组成：7次跨膜的受体、G蛋白和效应物(酶)n通过效应物产生第二信使 视觉感受器中的G蛋白 G蛋白偶联受体能够激活心肌质膜的K+离子通道（打开）4.G蛋白偶联系统中的效应物蛋白偶联系统中的效应物n腺苷酸环化酶（Adenylyl cyclase,AC）n 磷脂酶C（PLC-）由G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路对应为：ncAMP信号通路n磷脂酰肌醇信号通路 G蛋白和cAMP在信号转导中的作用腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP cAMP信号通路信号通路cAMP激活蛋白激酶A（PKA）可被PKA磷酸化的某些底物肌钙蛋白磷酸化酶激酶肌糖原合成酶激素敏感性脂酶丙酮酸激酶乙酰胆碱受体 肝酪氨酸羟化酶S6核糖体蛋白磷酸化酶激酶蛋白磷酸酶抑制剂-1磷酸化酶激酶肌球蛋白轻链激酶乙酰CoA羧化酶果糖-1，6-二磷酸酶磷酸果糖激酶CREB(cAMP效应元件结合因子）磷酸酶-1蛋白 PKA可以转移至细胞核内磷酸化CREB转录因子肝细胞对胰高血糖素和肾上腺素的应答 抑制剂-1的磷酸化和去磷酸化在激素应答中的作用 cAMP信号受体的组分信号受体的组分 n 激活型激素受体（Rs）或抑制型激素受体（Ri）；n 活化型调节蛋白（Gs）或抑制型调节蛋白（Gi）；n 腺苷酸环化酶（Adenylyl cyclase）；n 蛋白激酶A（PKA）；n 环腺苷酸磷酸二酯酶（cAMP phosphodiesterase）。cAMP途径的信号解除方式n通过cAMP磷酸二酯酶(cAMP phosphodiesterase，PDE)将cAMP的环破坏，形成5-AMP。n通过抑制型的信号作用于Ri，然后通过Gi起作用。n在某些细胞中，G蛋白不仅可激活其效应物酶的活性，也可抑制其活性。因此，G蛋白偶联系统有激活型和抑制型两种不同的系统 肾上腺素、肾上腺素、胰高血糖素、胰高血糖素、促肾上腺皮促肾上腺皮质激素质激素前列腺素、前列腺素、腺苷腺苷Gs调节模型 n霍乱弧菌(Vibrio cholerae)感染人体后，产生一种毒素：霍乱毒素(cholera toxin，一种毒蛋白)，具有催化作用，可将NAD+上的ADP-核糖基团转移到Gs亚基上(图17)，使G蛋白核糖化(ADP-ribosylation)，这样抑制了亚基的GTPase活性，从而抑制了GTP的水解，使Gs一直处于激活状态。其结果使腺苷酸环化酶处于永久活性状态，cAMP的形成失去控制，引起Na+和水分泌到肠腔导致严重腹泄。这是典型的激活型G蛋白偶联系统。G蛋白的核糖化 Gi调节模型 n百日咳毒素使Gi蛋白亚基进行ADP核糖化，阻止了Gi蛋白亚基上的GDP被GTP取代，使其失去对腺苷酸环化酶的抑制作用，其结果也是使cAMP的浓度增加。由于百日咳是经呼吸道感染的，被感染的细胞与呼吸系统相关，这些细胞中cAMP浓度的提高，促使大量的体液分泌进入肺，引起严重的咳嗽。双信使系统双信使系统n在磷脂酰肌醇信号通路中：胞外信号分子与细胞表面G蛋白偶联型受体结合，激活质膜上的磷脂酶C（PLC-），使质膜上4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG或DAG）两个第二信使，胞外信号转换为胞内信号。这一信号系统又称为“双信使系统”（double messenger system）。磷脂酶C-催化PIP2水解生成DAG和IP3 处于静息状态的磷脂肌醇信号转导系统处于静息状态的磷脂肌醇信号转导系统 IP3和和DG的作用的作用 胞质溶胶中IP3的命运 用于用于PIP2再合成再合成Ca2+信号的消除 蛋白激酶C激活特定基因转录的两种途径 肝细胞中两个第二信使的协同作用，促进糖原分解并抑制糖原合成 某些激活磷脂酶C的信号分子 信号分子靶细胞反应肾上腺素肝细胞(1受体)糖原裂解加压素肝细胞糖原裂解PDGF成纤维细胞细胞增殖乙酰胆碱平滑肌(毒蝇碱性受体)收缩凝血酶血小板凝结Ca2+与钙调蛋白与钙调蛋白 n由IP3动员释放到细胞内的Ca2+除了参与蛋白激酶C的激活以外，在细胞的生命活动中还有许多重要作用。n一个钙调蛋白可以结合4个Ca2+。Ca2+同钙调蛋白结合形成钙-钙调蛋白复合物(calcium-calmodulin complex)，就会引起钙调蛋白构型的变化，增强了钙调蛋白与许多效应物结合的亲和力。细胞中Ca2+浓度的调节 CaM-蛋白激酶的激活蛋白激酶的激活Ca2+在植物叶保卫细胞关闭中的第二信使作用第四节第四节 酶偶联型受体酶偶联型受体n酶偶联型受体（enzyme linked receptor）分为两大类型，其一是本身具有激酶活性，如肽类生长因子（EGF，PDGF，CSF等）受体；其二是本身没有酶活性，但可以连接非受体酪氨酸激酶，如细胞因子受体超家族。酶偶联型受体共同点酶偶联型受体共同点n通常为单次跨膜蛋白，如胰岛素和胰岛素样的生长因子-1(IGF-I)的受体，有a和b两种亚基，组成四聚体型受体，其中b亚基具有酪氨酸激酶活性；n接受配体后发生二聚化而激活，起动其下游信号转导。已知的酶偶联型受体 n受体酪氨酸激酶、n受体酪氨酸磷脂酶、n受体丝氨酸/苏氨酸激酶、n受体鸟苷酸环化酶、n酪氨酸激酶连接的受体、n组氨酸激酶连接的受体1.受体酪氨酸激酶受体酪氨酸激酶RPTK受体酪氨酸激酶的二聚化和自磷酸化受体酪氨酸激酶的二聚化和自磷酸化 表皮生长因子受体表皮生长因子受体 RAS信号途径 RAS信号途径 受受体体酪酪氨氨酸酸激激酶酶的的信信号号转转导导 酪氨酸磷酸化的IRS在激活信号转导途径中的作用 胰岛素受体胰岛素受体2.受体丝氨酸受体丝氨酸/苏氨酸激酶苏氨酸激酶 n受体丝氨酸/苏氨酸激酶（receptor serine/threonine kinases）是单次跨膜蛋白受体，在胞内区具有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性，该受体以异二聚体行使功能。主要配体是转化生长因子-s（transforming growth factor-s，TGF-s）家族成员，包括TGF-1TGF-5，这些成员具有类似结构与功能，对细胞具有多方面的效应。依细胞类型不同，可能抑制细胞增殖、刺激胞外基质合成、刺激骨骼的形成、通过趋化性吸引细胞和作为胚胎发育过程中的诱导信号等。3.受体酪氨酸磷酯酶受体酪氨酸磷酯酶 n受体酪氨酸磷酯酶（receptor tyrosine phosphatases）为单次跨膜蛋白受体，受体胞内区具有蛋白酪氨酸磷酯酶的活性，胞外配体与受体结合激发该酶活性，使特异的胞内信号蛋白的磷酸酪氨酸残基去磷酸化，其作用是控制磷酸酪氨酸残基的寿命，使静止细胞具有较低的磷酸酪氨酸残基的水平。4.受体鸟苷酸环化酶受体鸟苷酸环化酶 n受体鸟苷酸环化酶（receptor guanylate cyclase）也是单次跨膜蛋白受体，胞外段是配体结合部位，胞内段为鸟苷酸环化酶催化结构域。n这种酶联受体的特点是：受体本身就是鸟苷酸环化酶，其细胞外部分有同信号分子结合的位点,细胞内部分有一个鸟苷酸环化酶的催化结构域,可催化GTP生成cGMP。而cGMP可激活cGMP依赖性的蛋白激酶G(cyclic GMP-dependent protein kinase G,G-kinase)，从而引起细胞信号转导。因此，该途径中的第二信使是cGMP。鸟苷酸环化酶催化GTP生成cGMP 与信号转导有关的两种鸟苷酸环化酶的结构 细胞因子受体超家族-酪氨酸激酶连接的受体 JAK-STAT信号途径信号途径 这类细胞因子（cytokine）有：白介素（IL）、干扰素（IFN）、集落刺激因子（CSF）、生长激素（GH）等，在造血细胞和免疫细胞通讯上起作用，这类细胞因子的受体为单次跨膜蛋白，本身不具有酶活性，但与配体结合后发生二聚化而被激活，然后连接胞内酪氨酸蛋白激酶（如，JAK）并传递信号，其信号途径为JAK-STAT或RAS途径。思考题n1.分子识别、离子通道偶联型受体、G蛋白和G蛋白循环、cAMP受体、酶偶联型受体、受体鸟苷酸环化酶、细胞因子受体、细胞内受体、NO受体。n2.什么是Gs调节模型？n3.受体酪氨酸激酶的信号转导是什么？n4.细胞内受体包括哪些？n5.谈谈甾类激素受体的结构与功能。n6.G蛋白偶联型受体的结构与功能。n7.受体识别作用过程中，受体分子除了结构基础外，还需要哪些作用基础？请举一些例子加以说明。