本科生课程-4跨膜信号传导.ppt

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1、5 信号跨膜转导 signal transduction,受体将接受的信号跨膜转传给离子通道或胞内的代谢型效应器分子的过程称信号(跨膜)转导(signal transduction)。跨膜信息传递的研究是目前生命科学研究中最活跃的领域之一。它涉及到分子生物学、神经生物学，生物化学、细胞生物学、生理学、免疫学、药理学等多个学科。近40年来，这一领域的研究有了快速发展。这一发展进程是从激素作用的第二信使学说的提出和转导蛋白（G蛋白）的发现开始的。在激素作用机制的研究中提出的第二信使学说推动了对神经递质和其他生物活性物质作用机制的研究。,(1)与G一蛋白相偶联的受体 G protein-couple

2、d receptor(GPCR),包括M型乙酰胆碱受体、肾上腺受体等，神经肽的受体和许多激素的受体。结构特点：这类受体的结构特点是共有7个跨膜片段（M1M7），并与膜内的G-蛋白（GTP结合蛋白）相偶联。激活过程：受体与配基结合后，转而激活G-蛋白，后者通过第二信使等途径引起细胞功能状态的变化。,（2）第二信使学说和G蛋白的发现,1958年Sutherland发现，胰高血糖素和肾上腺素dou都能促使肝细胞糖原分解,都是通过一种新物质，即cAMP（cyclic adenosine monophosphate,环一磷酸腺苷）实现的。这两种激素与各自的受体结合都引起位于膜内的腺苷酸环化酶（adeny

3、late cychase;AC）激活，由AC催化ATP生成cAMP。在这些研究结果的基础上，Sutherland于1965年提出了激素作用的第二信使学说（the second messenger theory），即激素是作为第一信使将信号传递给膜上相应的受体，再由受体激活膜中的AC系统，AC将胞内的ATP转化为cAMP。cAMP作为第二信使将信号送到效应器分子引起相应的反应。,Rodbell进一步证明多种激素（如胰高血糖素，ACTH等）都通过AC系统催化ATP生成cAMP这一共同的第二信使。因此他认为AC应是独立分子，否则难以想象激活几种不同受体激动活AC，他设想在受体与AC之间应存在第三种分

4、子，将受体和AC耦联起来。1970年他发现，在由激素、受体、AC系统催化ATP转为cAMP的反应中必需有GTP的参与,GTP在反应中不被分解，也不与受体和AC结合。1987Gilman成功地将这种与GTP结合，又可将受体与AC联系起来的转导蛋白从膜中分离纯化了出来，称GTP结合蛋白（G蛋白）。这是首先被阐明的信号跨膜转导途径。为此Sutherland获得了1971年度诺尔贝奖,Rodbell和Gilman获得了1994年度的诺尔贝奖.,激素 第一信使,受体,AC,cAMP,第二信使,GTP结合蛋白,（3）普遍存在的GPCR/G蛋白偶联作用将胞外信号转导到细胞内的绝大部分膜受体属于与G蛋白偶联受

5、体的超家族。在哺乳动物的基因组中，约1%的基因（约1000个）用来编码这类受体蛋白质。GPCR是最大的蛋白质家族之一，现已明确的有300余种。,6 G-蛋白,鸟苷酸结合蛋白（guanosine nucleotide binding protein）简称G蛋白,亦有人称之为GTP结合调节蛋白（GTP binding regulatory protein），一般是指与膜受体偶联的三聚体G蛋白（het-erotrimeric GTP binding protein）,参与细胞的信号跨膜传导.G蛋白是一组分子量约100KD的可溶性膜内蛋白.,G蛋白一般是指与膜受体偶联的三聚体G蛋白.另外，人们亦将其他

6、类型的GTP结合蛋白归于GTP结合蛋白总类。其他类型的GTP结合蛋白中一大类是分子量为20-25kD的单体GTP结合蛋白，因其分子量较小而称之为“小G蛋白”。它们是可溶性的外周膜蛋白，参与细胞的生长、发育，细胞器的运动和融合、分泌等调控。其中最为人们熟知的就是Ras：Ras-Raf MEK-MAPK,Ras基因，是一种原癌基因，是正常细胞中高度保守的“细胞基因”。它由逆转录病毒活化后可以转化成有致癌能力的癌基因。在正常细胞中有3种ras原癌基因，C-Ha-ras,C-Ki-ras和C-N-ras，它们的结构相似，都可编码188189个氨基酸的蛋白质，该蛋白的分子量为 21kD,故称P21。P2

7、1的氨基酸序列和功能与G蛋白的亚基相似。它能与GTP结合。也具有GTP酶活性，水解GTP。P21与GTP结合后，可激活PLC，促进磷酸肌醇脂代谢，生成IP3和DG。故有人认为P21也属于一种G蛋白(小分子G蛋白)。它主要在介导细胞生长因子，调控细胞增殖中发挥作用。,另一类GTP结合蛋白是蛋白质合成中的启动因子和延长因子。它们可能与细胞信号转导并无直接的联系，但具有GTP酶的活性，所以也把这些GTP结合蛋白也归属于G蛋白总类。本课主要讨论与细胞膜受体偶联的三聚体G蛋白。,(1)G蛋白的分子结构,G蛋白（G-protein），位于细胞膜的胞内侧;由a、b 和 g 亚单位组成，其中、亚基形成紧密的复

8、合体与亚基相结合。a亚基与b亚基有紧密接触,但是a亚基与g亚基没有直接的相互作用.,G蛋白在结构上没有跨膜蛋白的特点，通过其氨基酸残基的酯化修饰作用,将G蛋白锚定于细胞膜内侧。,Ga,Gg,Gb,G蛋白是由三个亚基组成三聚体,由于G蛋白的三个亚基各有许多种，每一种中又有许多亚型，因此在体内就可能存在上千种以上的G蛋白多聚体，从而调节各种跨膜信息传递系统。G蛋白在跨膜信息传递中起着中心的作用。不同的G蛋白分别激活腺苷环化酶,cGMP,磷酸二酯酶,磷酸酯酶C以及调节离子通道等。,Ga,Gg,Gb,a-亚单位(Ga),a-亚单位是一类分子量在3946KD之间的同源蛋白(Gas,分子量为47KD,Ga

9、i,分子量为40KD)，不同G蛋白的a亚单位的氨基酸组成和序列差别很大，从而决定了它们的功能也有所不同，因而，G蛋白常按a亚单位的不同而分类。a亚单位共同的特点是都具有一个GTP结合位点，本身具有GTP酶的活性，即可以把GTP水解成GDP和无机磷酸。,亚单位 分子量的36 KD左右，具有7个重复的-螺旋浆式结构，各种G蛋白亚单位在肽谱、氨基酸序列以及免疫化学特性等方面都很相似，其保守性较高。已有5种亚单位被克隆。亚单位 分子量在7-8 KD之间，亚单位以卷曲螺旋方式与亚单位紧密结合，形成功能性亚单位；只有在蛋白质变性时 亚单位才解离。已有11种亚单被克隆，亚单位的氨基酸序列具有较低的相同性。b

10、g亚单位可能通过表面氨基酸残基与Ga以及其他信号分子相互结合。无论是Gbg亚单位独立存在还是与Ga亚单位形成复合物，其结构未发现有明显变化，,G蛋白的激活过程和信息传递：,1 受体在静息时处于与配体有高亲和力的活化状态，此时在G蛋白的亚基的1个位点上结合着GDP（G-GDP）。激动剂与GPCR结合可诱发G蛋白构象的变化，使之处于活化状态。2 由于在通常情况下G蛋白的a亚单位所结合的是GDP，故无信号转导功能。受体活化后促使GTP取代a亚单位上GDP，并使aGTP与bg亚单位解离。,3 aGTP是G蛋白的活化形式，它能与AC的催化亚单位(C)相结合，以催化由ATP生成cAMP的反应。4 a-GT

11、P具有水解GTP成为GDP的酶活性,因而在a-GTP激活效应器（E）的同时，失去磷酸分子而变成a-GDP,使Ga失活。a-GDP与bg亚基亲和性高而再次成为G-GDP，即恢复非活化型。如果活化受体所结合的是Gi，则通过上述过程后，产生了恰恰相反的结果,抑制AC活性，减少cAMP生成量。,近年来的研究表明，在G蛋白的a亚单位与GTP结合的同时，所释放的亚单位在受体的信号转导中也起着重要的作用，如细胞中磷脂酶A2被亚单位激活即为一例，这方面的发展动态，应引起注意。上述过程表明，受体本身并未直接与催化亚单位接触，而是由G蛋白介导在它们之间传递信息。,(3)G蛋白的种类,G蛋白是按其a亚单位氨基酸序列

12、的相似性进行分类的。目前已知有20多种不同的a亚单位，包括Gs、Gi和Go的几种剪接变体（splice variant），这些亚单位由17种不同的基因编码而成。通常按其亚单位序列相似性可分为：Gas(Gs)、Gai(Gi)、Gaq(Gq)和Ga12.,Gas（下角为stimulation的s）激活AC，加速cAMP 的产生,如与-肾上腺素，多巴胺等受体偶联的G蛋白。Gs除了激活AC外，还可以激活钙通道，而对钠通道则有抑制作用。其药理特性是可被霍乱毒素（CTX）直接激活。霍乱毒素(Cholera toxin,CTX)：由A和B两个亚基组成的异二聚体.B亚基与靶细胞膜结合后，使具有ADP-核糖转移

13、酶活性的A亚基进入细胞内。A亚基催化胞浆内的NAD+(辅酶1)水解成ADP核糖和烟酰胺，ADP核糖能与Gas共价结合，使Gas失去GTP酶的活性，不能将GTP水解成GDP,使Gas蛋白处于激活状态，引起AC持续激活。,Gs-AC-cAMP-PKA,Gi型G蛋白,Gi型G蛋白包括Gi，Go，Gt和Ggust。Gi抑制AC，与5-HT1A受体，mu-,delta-,kappa-阿片受体等偶联.Go是在提取脑组织中G蛋白的过程中发现的，主要激活磷脂酶A2（PLA2），调节磷脂代谢。Gt蛋白（transducin,转导蛋白），是光受体偶联的特异G蛋白，它分布于视觉细胞中，当一定波长的光子作用于感光色素

14、蛋白受体（如视紫红质或视锥蛋白），即可使Gt蛋白激活，继而激活cGMP依赖性磷酸二酯酶（PDE），促进cGMP分解，使其浓度降低，以此种方式传递光信号。Ggust蛋白（gustducin，味觉转导蛋白）是一种味觉细胞特异的G蛋白，其信号转导功能与Gt蛋白相似。,Gai 或Gi(下角为inhibitory的i)抑制AC活性，它可开启某些K+通道，引起抑制性反应。Gai对百日咳毒素（PTX）敏感，受PTX作用后便不再能被受体激活。百日咳毒素(Pertusis toxin,PTX):促使ADP-核糖加到Gai,Gao,Gat亚基上,引起 a亚基核糖化，阻止GDP的解离，则Gai一直处于与GDP结合的

15、非激活状态，导致Gi蛋白失去结合GTP的能力。由于ai亚基与bg亚基复合体不能解离,造成Gi蛋白的持续抑制,则失去了对AC的抑制作用.,Gi-AC-cAMP-PKA Go-IP3,DAG-PKCGo-PLA2-花生四烯酸,两种G蛋白偶联受体的激活后的效应Gs 和Gi G蛋白分别激活或抑制AC活性,引起细胞内cAMP含量的升高或降低.,Gq型G蛋白,Gq蛋白是一类与磷脂代谢有关的G蛋白，其效应器为磷脂酶C（PLC）。最新研究表明。Gq还可直接激活淋巴瘤细胞的酪氨酸激酶。,G12型G蛋白,G12型G蛋白包括G12和G13蛋白。G12型G蛋白的功能尚不清楚。但最近有报道，它们与凝血因子、血管紧张素受

16、体相偶联。通过对该类G蛋白突变体的研究提示，它们可调节Na+/K+交换；此外，还参与缓激肽所致电压依赖性钙离子通道的激活。,(4)G蛋白调控离子通道,受体与配基结合后，激活G蛋白，然后通过第二信使的途径影响神经细胞的功能状态，而神经细胞的功能状态的变化常常与细胞膜上的离子通道的开通与关闭有关。那么GG蛋白对离子通道有什么影响呢？G蛋白调控离子通道的方式大致可有两种：1 G蛋白的a或bg亚基直接作用于离子通道，至少在K+和Ca2+通道上发现了这种调控方式2 G蛋白通过效应器酶的第二信使，或再经蛋白激酶间接作用于离子通道。,G蛋白通过效应器酶的第二信使，或再经蛋白激酶间接作用于离子通道,G蛋白首先

17、通过其偶联的酶类效应器，产生第二信使，这些第二信使在某些情况下，即可通过调节离子通道而产生生物效应。例如，视紫红质信号转导途径中cGMP对Na+通道的调控，以及多种与磷脂酶C（PLC）相偶联受体的信号转导途径中三磷酸肌醇（IP3）对内质网膜Ca2+通道的调节。另外，某些蛋白激酶的活性与第二信使的浓度密切相关，例如Ca2+/钙调蛋白依赖型激酶、cAMP或cGMP依赖型激酶以及二酰基甘油依赖型激酶（即蛋白激酶C）等，均受第二信使水平的调控。G蛋白可通过第二信使调节这些激酶的活性，后者再通过磷酸化作用调节离子通道。例如心肌细胞膜上活化的-肾上腺素受体，通过Gs激活腺苷酸环化酶产生第二信使cAMP，后

18、者即可引发蛋白激酶A（PKA）催化多种蛋白的磷酸化作用，其中包括L-型Ca2+通道，最终使通道开放，促进Ca2+内流。,G蛋白的亚基直接作用于离子通道越来越多的实验表明，G亚单位可直接与离子通道相作用，调节其功能而产生生物效应。已证实，与G蛋白直接偶联的离子通道包括各种K+通道、Ca2+通道、Na+通道以及C1-通道。G蛋白对各种离子通道的调节机理：对K+通道和Ca2+通道的研究表明，它们可以与G蛋白亚单位结合，因为在其氨基酸序列中均含有G蛋白效应器，如-肾上腺素受体激酶，腺苷酸环化酶和磷脂酶C等所共有的G亚单位结合序列；亚单位则对G蛋白与离子通道结合的特异性有密切关系。,在受体信号转导过程的各个层次，似乎都可与离子通道发生联系，产生生物效应：1 许多受体本身即为离子通道(不需要G蛋白），如-氨基丁酸（GABA）A受体和N-乙酰胆碱（N-ACh）受体等，激动剂或拮抗剂作用于这些受体后，可直接引发离子通道的开启或关闭，产生相应的生物效应；2 GPCR可通过第二信使途径，间接地调节许多离子通道，以及G蛋白对离子通道直接调节。,