受体与信号转导II

神经生物学系孙宁[e-mail]12RequirementforGTPinhormonalactivationofadenylylcyclase345G-protein:α.β.γ鸟苷酸结合蛋白(guanosinenucleotidebindingprotein)为αβγ三种亚单位组成的异源三聚体,α~39-45kDβ~37kDγ~8kD已分离鉴定20多种α亚单位：6种β亚单位12种γ亚单位67不同G蛋白结构上的差异主要表现在α亚单位上；按一级结构的同源性、对细菌的敏感性、所调节的效应蛋白的活性，将G蛋白分为4个亚家族（Gs、Gi、Gq、G12）891.Inthegroundstate,theG-proteinexistsinthetrimeric(αβγ)form,withguanosinediphosphate(GDP)boundatthenucleotide-bindingsiteoftheαsubunit.Itiscloseto,butprobablynotprecoupledto,thereceptor.Onaverage,therearemoreG-proteinsthanreceptors,soonemightenvisageasinglereceptorsurroundedbyaringofnearbyG-proteins,providingformultiplesequentialreceptor–G-proteininteraction.2.Theagonistinducesarapid(1msec)conformationalchangeinthereceptor,resultinginarealignmentandopeningupofthetransmembranehelices.TheinnerfaceoftheactivatedreceptorbindstotheC-terminusoftheG-proteinαsubunit.3.Bindingofthereceptorinducesarapidconformationalchange(switch)intheG-proteintrimer.Thisistransmittedtothenucleotidebindingsite,about3nmaway,andresultsinadissociationofboundGDP.104.TheGDPisreplacedatthenucleotide-bindingsitebyguanosinetriphosphate(GTP),whichispresentinathreetofourfoldexcess(50–300μM)inthecytosol.BindingofGTPpromotesadisorderingofthecarboxyl-andamino-terminioftheG-proteinαsubunit,withtwoparallelconsequences:theGTP-boundαsubunitdissociatesbothfromthereceptorandfromtheβγ-dimer,releasingfreeGα-GTPandfreeGβγ.TheconformationofGβγisnotchangedondissociationfromtheαsubunit.5.EitherfreeGα-GTPorfreeGβγ(orsometimesboth)interactswiththeeffectormoleculetoactivateorinhibitit.6.TheterminalphosphateofGTPishydrolyzedbytheGTPaseactivityoftheG-proteinαsubunit,leavingGDPboundinstead.Thisallowstheαsubunittodissociatefromtheeffectorandreassociatewiththeβγsubunit.111213腺苷酸环化酶（adenylatecyclase）cGMP磷酸二酯酶（cGMPphosphodiesterase)磷脂酶C（phospholipaseC）离子通道14参与受体与腺苷酸环化酶偶联的有两类G蛋白：介导激活腺苷酸环化酶作用的Gs；介导抑制腺苷酸环化酶作用的Gi。它们的βγ亚单位基本相同。只是α亚单位有较明显的差别：αs、αi15活化的Gsα激活AC；抑制性受体被激活后，使Gi解离成为Gβγ和Giα-GTP：Giα-GTP可以与AC直接作用，抑制其活性；Gβγ可能与细胞内生理浓度的Gsα结合，从而更进一步降低AC的活性16视网膜视杆细胞的细胞膜及其盘状体上存在感光物质视紫红质：视紫红质具有Gt蛋白的结合位点视杆细胞膜的电兴奋状态受细胞内cGMP的调节：暗环境中，视杆细胞cGMP浓度较高，促使细胞膜上的钠通道开放17光照使视紫红质被激活；活化的视紫红质与Gt结合后，促其释出GDP而与GTP结合；激活的Gt蛋白进一步结合cGMP磷酸二酯酶，使之从非活性状态转化为活性状态，水解cGMP，从而降低细胞内的cGMP浓度；进入细胞内的Na+减少，使细胞膜逐步处于超级化状态。18多种递质和激素的受体都与膜上肌醇磷脂特异的磷脂酶C偶联，调节其活性，从而影响1,4,5-三磷酸肌醇(IP3)和甘油二酯(DAG)等第二信使物质的产生。19磷脂酶C的活性是受G蛋白调节。参与这种调节的G蛋白已被克隆：Gq20Ca2＋通道、K+通道两种调节方式：与离子通道直接耦合的G蛋白多为PTX敏感型的，如Gi，引起快速反应通过cAMP等第二信使及其依赖的蛋白质磷酸化作用，G蛋白间接调节离子通道，引起慢速反应21起到信号放大的作用：一个胞外信号激活的受体可以激活许多G蛋白：提供重要的调节步骤：G蛋白通过与GTP/GDP的结合起到开启和关闭信号转导通路的作用；调节因子通过对G蛋白本身的修饰也能够改变它对信号通路的调节作用222324第二信使学说第一信使：细胞外信息物质激素、神经递质毒素、药物第二信使：在胞浆内产生的传递信息的物质环核苷酸类cAMP/cGMP细胞膜肌醇磷脂代谢产物IP3、DAG细胞内Ca2＋等；2526MadebyadenylylcyclaseBrokenbyphosphodiesterasesActbybindingreversiblytospecifictargetproteinsDiffusefreelyincytoplasm27•AC家族是多基因大家族；•膜结合酶，有两个含6个跨膜螺旋组成跨膜区及胞内区；•两个胞内催化域（C1与C2）序列保守，具有催化活性；两个催化域形成二聚化时，活性最高。AC的结构PDE是一个大家族：30种，分为7个亚型分布：肝脏、心脏、血管平滑肌、血小板、单核细胞和脂肪细胞28PDE3PDE4cAMPPDE7PDE5cGMPPDE6PDE1cAMPPDE2cGMPPKA结构示意图29无cAMP存在时，C亚基处于无活性状态。1.2分子cAMP首先结合到B位点上，引起R亚基改变；2.A位点暴露，2分子cAMP结合到A位点上，R亚基进一步改变；3.信息传到绞链区，释出C亚基，全酶激活3031细胞代谢基因表达3233cGMP的代谢：GCPDEGTPcGMP5’-GMP鸟苷酸环化酶：跨膜GC胞内可溶性GC跨膜GC：单肽链组成的一次跨膜糖蛋白N端胞外域可以结合配体C端胞内域有两个环化酶的催化结构可溶性GC：异二聚体每个单体具有一个环化酶催化结构，其序列与跨膜GC催化结构相似含有一个铁血红素基团34αβ铁血红素基团NO+GTPcGMP35cGMP门控Na＋通道cGMP依赖的蛋白激酶（ＰＫＧ）3637PIP2为第二信使DAG和IP3形成的直接前体。磷脂酶C（PLC）催化这一反应：PLC广泛分布于各种组织细胞，目前发现在哺乳动物组织中有10种PLC的同功酶，并按结构、理化特性及催化能力将PLC分为三种类型，即PLC－β（4种）、γ（2种）和δ（4种）3839IP3引起胞内Ca2+浓度升高有两种途径：IP3结合内质网膜上的IP3受体，使内质网内的Ca2+进入胞浆——早期、短暂的内钙释放IP3的进一步磷酸化产物IP4，可能参与了胞外Ca2+的内流——内钙释放诱导的、作用较长的外钙内流40DAG的靶酶是蛋白激酶C（PKC），DAG激活PKC后，PKC能使许多蛋白磷酸化而产生生理效应。PKC是一族广泛存在于不同动物多种组织中的蛋白激酶，以脑组织尤为丰富，已知PKC有12种同功酶，包括：PKCα、β1、β2、γ、δ、ε、η、θ、ξ、c、λ、μ41PKC为单体蛋白多肽链两个结构区域：C端的382个氨基酸具有激酶的活性，可对底物蛋白丝/苏氨酸残基磷酸化，又称催化功能域N端的290个氨基酸具有调节功能，含有磷酯、Ca2＋、DAG结合位点，非活性态的PKC此结构与催化功能域结合，封闭催化功能域与底物结合的位点4243PKC活化过程在无激动剂存在时，PKC以非活性态存在胞浆；当细胞内Ca2+浓度升高时，Ca2+与PKC上Ca2+结合位点结合，使PKC与细胞膜上的磷脂酰丝氨酸结合，转移到膜上；磷脂酰丝氨酸辅助DAG与PKC调节功能域结合，引起调节功能域构象变化，导致底物功能域的开放，PKC活化，催化底物蛋白磷酸化。44PKC激活生理效应效应蛋白：胰岛素受体、表皮生长因子受体、β－肾上腺素受体、IL－2受体、G蛋白、糖元合成酶、转铁蛋白、Na+－K＋ATP酶、肌球蛋白轻链、微管蛋白、转录因子、翻译因子等参与：DNA、蛋白质的合成；细胞的增殖、分化，细胞的分泌，肌肉的收缩及细胞内代谢的调节。45IP3和DAG信号的终止IP3可以靠两个反应终止第二信使的作用：1.细胞中存在IP3磷酸单酯酶（inositol5-phosphomonoesterase,5-PME），使IP3脱磷酸化成为IP2，IP2可继续在5-PME的作用下脱磷酸化成为IP，IP脱磷酸化为肌醇（I），肌醇重新进入了肌醇磷酯循环；2.IP3在磷酸激酶的作用下转化为IP4（1,3,4,5-四磷酸肌醇）。46DAG可以通过两个途径终止第二信使的作用：1.在DAG激酶的作用下磷酸化形成磷脂酸（PA），PA与CTP结合形成CDP-DAG，与游离肌醇生成PI，PI进一步磷酸化化为PIP，最后转化为PIP22.DAG酯酶可酯解DAG为甘油单酯（MG），在PLA2的作用下释放花生四烯酸，合成新的生物活性物质47Ca2+信使作用细胞在非激活状态时，胞内游离Ca2+浓度仅为50nmol/L左右，99％以上为结合Ca2+，大多贮存在内质网/肌浆网等钙库内。细胞内游离Ca2+浓度（[Ca2+]i）的变化，是细胞执行生理功能的关键环节48Ca2+来源1.电压门控钙离子通道2.配体门控钙离子通道3.机械门控离子通道：这类膜通道对机械性牵张刺激敏感，牵张刺引起通道的开放，主要分布在内皮细胞、平滑肌细胞及骨骼肌细胞4.漏流钙通道：膜处于静息状态时，少量的Ca2+可通过此通道进入细胞内，维持静息状态下的膜内外钙平衡，因此也称背景钙通道或静息钙通道，主要存在于平滑肌与心肌细胞49细胞内Ca2+主要贮存在内质网/肌浆网内，根据IP3能否激活Ca2+库Ca2+释放分为IP3敏感型钙库和IP3不敏感型钙库，分别由内质网/肌浆网膜上的IP3受体和ryanodine受体介导Ca2+释放。50钙调蛋白（CalmodulinCaM）是Ca2+将信息转导下去的最重要的中介蛋白，CaM是广泛存在于真核细胞的Ca2+结合蛋白的一种，属EF手型蛋白，具有多种生理功