神经生物学受体课件.ppt
主要内容,受体的发现,受体的特性,受体的分类,膜受体信号转导的分子机理,受体功能的调节,受体与疾病,一、受体的发现,受体（receptor）：是突触后膜上的跨膜蛋白，胞外段朝向突触间隙，与特异性的递质结合后，会发生空间构想改变，从而行使功能，使信息从突触前神经元传递到突触后细胞。,配基或配体(ligand): 能被受体识别并且特异结合的化学物质，称为配基。这些配基包括内源性的神经递质、调质、生长因子或激素以及外源性的某些化学物质如药物、毒素等。,一、受体的发现,Langley分别于1878年和1903年在研究阿托品和匹罗卡品对猫唾液腺，以及箭毒对骨骼肌的作用中发现，这些药物不是通过作用于神经、腺体或肌肉，而是通过作用于生物体内的某些“接受物质”（以后又有人称之为“作用点”）而起效的，并且认为药物必须先与之结合才能产生作用。,Langley,受体的概念起源于20世纪初,1910年又发现，肾上腺素对去交感神经的动物仍有作用，进一步证实了“接受物质”的存在。受体这一名称是1909年由Ehrlich首先提出，他以“受体”这个名词来表示生物原生质分子上的某些化学基团，并提出药物只有与“受体”结合才能发生作用。同时还指出，受体具有识别特异性药物（或配体，ligand）的能力，药物-受体复合物可以引起生物效应等观点。,1926年Clark以乙酰胆碱抑制心脏为例，计算了药物发生作用时药量所含的分子数及其面积，并与心肌总表面积进行比较，表明药物分子只能覆盖心肌面积的0.016%，从定量计算领域为受体学说提供了支持。,1935年Dale根据植物神经末梢释放递质的不同，将传出神经分为两类，即肾上腺素能神经和胆碱能神经；受体也分为肾上腺素受体和乙酰胆碱受体。,1948年Ahlquist提出了-和-两种肾上腺素受体亚型的概念。同年，Pawell及Slater合成了第一个-受体阻断剂二氯异丙肾上腺素(DCI)，进一步确认了-肾上腺素受体的存在，支持了Ahlquist的假说。,一、受体的发现,1982年第一个经典的烟碱样乙酰胆碱受体（nAchR）基因被成功克隆。1983年Numa和同事成功地纯化并测定了AchR的一级结构。,一、受体的发现,受体学说,药物分子与受体结合的一般表达式如下：,1、占领学说(occupation theory)占领学说分别由Clark和Gaddum于1926年和1937年提出，该学说认为：受体只有与药物结合才能被激活并产生效应，而效应的强度与占领受体的数量成正比，全部受体被占领时出现最大效应。,1954年Ariens修正了占领学说。,1956年Stephenson认为，药物只占领小部分受体即可产生最大效应，未经占领的受体称为储备受体(spare receptor)。 激动剂占领的受体必须达到一定阈值后才开始出现效应。当达到阈值后被占领的受体数目增多时，激动效应随之增强。阈值以下被占领的受体称为沉默受体（silent receptor）。,二、受体的分类,2、速率学说(rate theory)1961年由Paton提出，速率学说认为，药物作用最重要的因素是药物分子与受体结合的速率。药物作用的效应与其占有受体的速率成正比，而与其占有的多少无关，效应的产生是一个新药分子和受体相碰时产生一定量的刺激，并传递到效应器的结果。,3、二态模型学说(two model theory)此学说认为受体的构象分活化状态(R*)和失活状态(R)。两态处于动态平衡，可相互转变。在不加药物时，受体系统处于无自发激活的状态。加入药物时则药物均可与R*和R两态受体结合，其选择性决定于亲和力。,二、受体的分类,二、受体的分类,按药理效应分类,乙酰胆碱受体(AChR),肾上腺素受体（NAR),多巴胺受体(DAR),阿片受体（OPR）,按受体跨膜信息转导机制分类,配体门控离子通道受体,G蛋白偶联受体,酪氨酸蛋白激酶受体,(N-AChR, Glutamate-R, GABAA-R, Glycine-R, 5-HT-R, P2X-R ,etc.),mGluR1-7, E-R and NE-R(1, 2, 1, 2); m-AchR (m1-m5), Dopamine-R(D1-D5), GABAB-R and the receptors for all neuropeptides,EGF-R, IGF-1-R, PDGF-R, FGF-R, KGF-R,二、受体的分类,按部位分类：,膜表面受体,细胞内受体,离子通道受体,核受体：甾体类激素的受体（雌激素，雄激素等）,胞浆内受体：糖皮质激素受体 （皮质酮，皮质 醇等）；盐皮质激素受体 （醛固酮等）,G蛋白偶联受体,单次跨膜受体,阳离子通道：乙酰胆碱受体、谷氨酸受体,阴离子通道：GABAA受体、甘 氨酸受体,三、受体的特性,现在已知的受体都是蛋白质，其结合部的氨基酸残基形成一个特定的三级结构。这个特异的结构不但决定了受体能够与哪种配基相结合，而且决定了它们结合的牢固程度。因此，每种受体与配基结合时，都有严格的构型或构象要求。 选择性（Selectivity）与相对选择性（Relative selectivity）受体的立体特异性是相对的，一种受体的结合部位可能与一类结构相似的配基相结合，而与每一种配基结合的强弱，则决定于受体与配基之间的亲和力。,1、特异性（Stereospecificity）,目前公认有3种阿片受体: mu, delta and kappa (m, d, k 或 MOR, DOR, KOR),阿片受体的配基,三、受体的特性,受体在生物体内的数量是有限的，当配体到达一定浓度时，即使再增加，与受体的结合值也不再改变。,三、受体的特性,2 、饱和性（Saturability）,例如，当胰岛素浓度很低时（对受体数目而言），肝细胞膜上的少数胰岛素受体与胰岛素结合，随着胰岛素浓度的提高，结合了配基的胰岛素受体数目增多，当胰岛素达到一定浓度时，全部受体与配基结合，胰岛素再增加，也无多余的受体可结合，这就是受体与配基的饱和性。,竞争性抑制: 由于受体具有饱和性，所以当几种结构类似的化合物（例如A和B）与同种受体结合时，会表现出竞争性抑制的现象。 利用受体的这一特性，可测定递质的释放量，也可对受体进行分离纯化。,A与B:竞争性抑制,B,C,A,A,B与D:非竞争性抑制,D,三、受体的特性,亲和力是指受体和配基之间的结合的能力。 亲和力的大小通常以配基与受体结合的解离常数KD表示，指占据半数受体所需的配基浓度。 例如对血管平滑肌的a1受体来说，去甲肾上腺素(Nor-epinephrine, NE), 肾上腺素(Epinephrine, E）异丙肾上腺素(Isoprenaline, ISO)与a1受体的亲和力由高到低，其升压效果也是由高到低。,三、受体的特性,3、受体和配基之间具有一定的亲和力（Affinity）,各种阿片受体对各种阿片类多肽的选择性,三、受体的特性,内在活性：当配基与受体结合后表现出功能反应时，这类配基称为具有内在活性。 激动剂（agonist）：亲和力大、内在活性也大的配基通常称为该种受体的激动剂。根据亲和力和内在活性的不同分为完全激动剂（如吗啡）和部分激动剂（如喷他佐辛）。 拮抗剂（antagonist）：亲和力大、内在活性低的配基称为拮抗剂, 也叫受体阻断剂（receptor blocker）。,三、受体的特性,各种阿片受体的激动剂和拮抗剂, 阿片受体 内源性配基 激动剂 拮抗剂 mu (MOR) b-endorphin DAMG b-funaltrexamine 羟甲芬太尼 (b-FNA)delta (DOR) Enkephalin DPDPE naltrindole (ICI 174864)kappa (KOR) Dynorphin U50488H nor-binaltorphine (nor-BNI),三、受体的特性,受体与配基之间的结合多是由氢键、离子键等非共价键维系的，所以受体与配基的结合一般说来是可逆的。 内源性配基与受体的结合是短暂的，结合后迅速解离。 在众多的外源性配基（如药物、毒品等）中，有一些配基与受体之间的结合非常牢固，结合后很难使之与受体解离。例如 a-银环蛇毒具有这种特性，在分析、检测和分离纯化乙酰胆碱N型受体中具有非常重要的作用。,三、受体的特性,4、与配基结合的可逆性（Reversibility),受体种类繁多，又分为若干亚型，但是从理论上讲每种受体或受体亚型都应有其相对内源性配基。 前已知的各种受体，许多已明确其内源性配基，但有些尚需进一步确定其内源性配基，而且受体的亚型不断确定，这方面的知识也在不断地更新。,三、受体的特性,5、多样性（Diversity),四、膜受体信号转导的分子机理,(一)离子通道型受体及其信号转导 (二)G蛋白偶联型受体及其信号转导,膜受体: 细胞膜是细胞与外界信息交流的重要部位。细胞膜上的受体，与细胞接受信息、转递信息有关。 膜受体是膜蛋白质，属于结合蛋白。为了转递细胞外界的信息，膜受体形成特异的分子结构，其蛋白质分子贯穿脂质双分子层，两端分别位于膜的两侧表面。,四、膜受体信号转导的分子机理,膜受体在膜脂质双分子层内的横向移动：膜脂质的溶点较低，在体温条件下脂质双分子层是液态的，膜蛋白质在一定条件下可以在液态的脂质双分子层内横向移动。 突触的可塑性研究中发现膜受体在LTP形成时有AMPA受体向突触部位集中的现象，而连续刺激后突触后膜的受体蛋白会出现由突触后膜向外（非突触后膜）扩散。 膜受体与膜脂质结合得非常紧密, 要使受体蛋白质从细胞膜上溶脱下来，往往要采用一类特殊的化学除垢剂，才能改变它们之间的分子作用力，使膜蛋白质脱离下来。,四、膜受体信号转导的分子机理,膜受体 根据其结构和功能，可分为三大类,(1) 信号转导系统中的受体(2) 与细胞粘连过程有关的受体(3) 结合配体并转递至胞内的受体摄取受体和转运子,四、膜受体信号转导的分子机理,信号转导系统中的受体 (7大类),(1) G蛋白耦联的受体(2) 配体门控的离子通道(3) 鸟苷酸环化酶受体(4）细胞因子受体 (5) 酪氨酸激酶受体 (6) 丝氨酸/苏氨酸激酶受体 (7) 酪氨酸蛋白磷酸酶受体,这类受体包括N型乙酰胆碱受体、GABA受体和甘氨酸受体等，都有数个跨膜片段，受体的5个亚基围绕同一中心形成离子通道。 图示N型乙酰胆碱受体的立体构象模式，五个亚基围成离子通道，每个亚基各有5个跨膜片段：M1-M5.,离子通道型受体及其信号转导,四、膜受体信号转导的分子机理,离子通道受体的典型代表乙酰胆碱受体的结构模式,四、膜受体信号转导的分子机理,四、膜受体信号转导的分子机理,乙酰胆碱受体的三种构象,(二)G蛋白偶联型受体及其信号转导,四、膜受体信号转导的分子机理,四、膜受体信号转导的分子机理,Structure of G-protein coupled receptor,四、膜受体信号转导的分子机理,G-蛋白偶联受体: 多种神经递质和神经肽的受体,四、膜受体信号转导的分子机理,G蛋白 (GTP binding protein),G蛋白( Guanine nucleotide regulatory protein), 以前称GTP结合蛋 白，鸟苷酸调节蛋白、N蛋白、GF蛋白等，是细胞信息传递的耦联因子。,四、膜受体信号转导的分子机理,Basic Operation Mode of G-proteins,四、膜受体信号转导的分子机理,G蛋白的分类和功能,依照目前已克隆出的编码20余种G蛋白的亚基(为17种基因产物), 可将G蛋白的亚基依功能分为五个亚家族：Gs、Gi、Gt、Gq / G11、G12. 已克隆出4种亚基和6种亚基,四、膜受体信号转导的分子机理,GPCR受体被配基激活前,GPCR受体被配基激活后,四、膜受体信号转导的分子机理,G-蛋白偶联受体分子功能特点:,四、膜受体信号转导的分子机理,G蛋白偶联受体的信号传递过程,四、膜受体信号转导的分子机理,G-蛋白偶联受体的信号传递过程,胞浆内第二信使(Second Messengers),细胞外信使物质称第一信使,包括经典的神经递质、神经肽、多肽激素和细胞因子(如白细胞介素和生长因子)等.第一信使作用于靶细胞后刺激胞浆内产生的信息分子称第二信使，是细胞外信息与细胞内效应之间必不可少的中介物,包括：环核苷酸类(cAMP, cGMP)细胞膜肌醇磷脂代谢产物(三磷酸肌醇IP3,甘油二酯DAG)Ca2+ No花生四烯酸的代谢产物另一类负责细胞核内外信息传递的物质称第三信使,包括生长因子、转化因子及其受体、转导蛋白及某些癌基因产物，参与基因调控、细胞增殖和分化等过程。,四、膜受体信号转导的分子机理,cAMP,“腺苷-3,5-环化一磷酸”的简称, 是第一个被发现的第二信使。cAMP与肿瘤有一定的关系，正常细胞和肿瘤细胞中的cAMP含量是有差异的，在肿瘤细胞内cAMP一般低于正常细胞水平。,四、膜受体信号转导的分子机理,蛋白激酶A(Protein Kinase A, PKA)：cAMP依赖性蛋白激酶,蛋白激酶G(Protein Kinase G、PKG) ：cGMP依赖性蛋白激酶,蛋白激酶C(Protein Kinase C、PKC)：磷脂酰肌醇的衍生物如DAG、PIP3(三磷酸磷脂酰肌醇)、磷脂酰胆碱的衍生物、鞘磷脂的衍生物以及Ca2依赖性蛋白激酶。,cAMP激活PKA,G-蛋白偶联的第二信使级联的信号经放大,四、膜受体信号转导的分子机理,G蛋白偶联受体激酶（GRKs） : 促进GPCR磷酸化已知GRKs有6种，GRK1-GRK6，是63-80 kDa的单链多肽；可分为两组：GRK2和GRK3; GRK1，4，5，6；GRK分子中段都有ATP结合位点（催化结构区）；GRK的C端有与G蛋白亚基结合的部位，为GRK的调节区。体外， 每个GPCR分子可有7-9处被磷酸化； 体内，每个GPCR分子有1处被磷酸化就足以抑制其信号转导，说明GRKs在受体失敏中的重要性。,四、膜受体信号转导的分子机理,b-肾上腺素受体与激动剂结合后，GRK2 向GPCR聚集, 引起b-肾上腺素受体分子的胞内环和C端残基磷酸化。,Nature Rev Neurosci, 2019,四、膜受体信号转导的分子机理,GRKs促进GPCR磷酸化后,导致胞内的-arrestin趋向磷酸化的GPCR.,Nature Rev Neurosci, 2019,四、膜受体信号转导的分子机理,b-arrestin结合磷酸化的GPCR后, 启动GPCR内化。 Clathrin和 dynamin的作用,Nature Rev Neurosci, 2019,四、膜受体信号转导的分子机理,RAMP最早是研究CGRP受体特性时发现的。,四、膜受体信号转导的分子机理,受体活性调节蛋白(RAMP),CRLR: （降钙素受体样受体）RAMP:（受体活性调节蛋白）, RAMP1, RAMP2, RAMP3 RCP: （受体组成蛋白）,具有活性的CGRP 受体必须有三个部分组成：,四、膜受体信号转导的分子机理,生化和聚焦显微的实验结果表明RAMPs与它们的受体伙伴会形成稳定的二聚体，这个二聚体最初形成于内质网和高尔基体上,然后再转运并插到细胞膜上.CRLR受体与RAMP相互作用导致了CRLR受体末端的糖基化，细胞膜上只有修饰后的CRLR受体具有生物学功能性.,有人认为”RAMPs-受体”这个异二聚体进一步说明了降钙素受体、 CGRP受体、糊精受体和肾上腺髓质蛋白受体的性质, RAMPs-受体概念已被国际药理学协会受体命名分会批准使用。,四、膜受体信号转导的分子机理,RAMP的研究成果提供了一种新的对受体特性和作用机制的理论,改变了我们对受体的药理学特性和调节方式的认识。 RAMPs分布广泛，在各种组织中至少表达一种RAMPs，这提示RAMPs在受体功能方面可能具有广泛的作用。 可以认为RAMPs作为GPCR的通用装配蛋白, 对于许多很难定性的受体在细胞表面的表达具有重要作用。 RAMP的作用范围已被拓展，RAMP可能也影响受体和信号转导媒介，如G蛋白的耦联，但现在尚未有直接作用的证据。 虽然作了许多研究,但除了CRLR受体外能与RAMPs作用的受体还很少。 与RAMP相互作用的其它蛋白的尚需深入研究,RAMP可能还有许多功能不为人知，尚待探索。,发现RAMP的重大生物学意义,四、膜受体信号转导的分子机理,特别强调细胞膜上的受体处于不断变化的动态平衡之中,许多因素可以破坏这种平衡而引起细胞出现功能状态的变化。,五、受体功能的调节,(1) 受体功能的生理性变化,细胞膜受体的数量，亲和力等随机体和细胞功能的需要而不断变化。 生物钟与-肾上腺素受体：肾上腺素和去甲肾上腺素是激素。 -AR数目的昼夜变化，调节褪黑素(melatonin)的分泌。褪黑素这种昼夜分泌的节律性变化可能是生物钟起因。,五、受体功能的调节,（2)受体上调(up-regulation) 受体长期受阻断剂作用时可使其数目增加，称为向上调节，表现为该受体对该生物活性物质的敏感性增高，出现超敏或高敏性，停药症状或“反跳”现象。,五、受体功能的调节,如高血压患者长期应用-肾上腺素能阻断药普萘洛尔，突然停药可引起反跳现象。,(3)向下调节(down regulation),受体周围的生物活性物质浓度高或长期受激动剂作用时可使受体数量减少，称为向下调节。表现为该受体对激动剂的敏感性降低，出现脱敏或耐受现象。如反复应用-受体激动剂用于治疗哮喘。,脱敏：激动剂作用于受体引起效应的同时，还能引起细胞膜的受体对激动剂的敏感性减弱。受体脱敏是细胞对外界长时间刺激的一种保护作用。,按引起脱敏的刺激可分为,同源性脱敏：受体只对作用于它的激动剂敏感性降低。异源性脱敏：由普通反馈机制引起受体变更，或者作用于受体附近 效应器通路某些部位上。分为快速脱敏和缓慢脱敏。,脱敏或耐受现象的原因,受体的改变受体的丧失介质耗竭增加药物分解代谢生理性适应,五、受体功能的调节,(4)受体亲和力的调节 同一种受体在不同条件下具有不同的亲和力： 胰岛素与胰岛素受体结合后可引起胰岛素受体亲和力的的降低。 同种受体之间的调节-负协同性调节：某种受体与配基结合后，促使附近部位的同类受体的结合部位构象发生变化，引起其对配基的亲和力降低。 同种受体之间的负协同性调节在大鼠肝细胞膜和人淋巴细胞膜的胰岛素受体研究较多。 不同种受体之间的调节： NE与-受体结合后可引起胰岛素与胰岛素受体之间的亲和力降低, 机制不明。,五、受体功能的调节,六、受体与疾病,(1) 与受体数目变化有关的疾病,(2) 与受体特异性变化有关的疾病,六、受体与疾病,(3) 与受体的自身抗体有关的疾病,六、受体与疾病,(4) GPCR突变引起的疾病,六、受体与疾病,Thank You !,2019年4月9日,
