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1、G蛋白偶联受体及其介导的信号转导蛋白偶联受体及其介导的信号转导一、一、G蛋白偶联受体的结构与作用机制蛋白偶联受体的结构与作用机制1.G蛋白的结构蛋白的结构2.G蛋白偶联受体的结构蛋白偶联受体的结构3.G蛋白偶联受体的激活与调控蛋白偶联受体的激活与调控二、二、G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路 G G蛋白偶联受体(GPCR)(GPCR)是细胞表面受体中最大的多样性家族，据统计超过30%的临床处方药物是针对GPCR所介导信号通路为靶点研制和开发的一、一、G蛋白偶联受体的结构与作用机制蛋白偶联受体的结构与作用机制1.G蛋白的结构G蛋白是三聚体GTP结合调节蛋白(tri
2、meric GTP-binding regulatory protein)的简称，位于质膜内胞浆一侧，由G、G、G三个亚基组成，和亚基以异二聚体形式存在，和亚基分别通过共价结合的脂分子锚定在质膜上一、一、G蛋白偶联受体的结构与作用机制蛋白偶联受体的结构与作用机制1.G蛋白的结构G亚基本身具有GTPase活性，是分子开关蛋白配体与受体结合，三聚体G蛋白解离，发生GDP-GTP交换，G-GTP处于活化状态，激活效应器蛋白，传递信号，G-GTP水解为G-GDP时，处于失活关闭的状态，终止信号传递，三聚体G蛋白重新装配“for their discoveries of G-proteins and t
3、he role of these proteins in signal transduction in cells”The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1994一、G蛋白偶联受体的结构与作用机制1.G蛋白的结构一、一、G蛋白偶联受体的结构与作用机制蛋白偶联受体的结构与作用机制2.G蛋白偶联受体的结构7次跨膜螺旋结构(疏水肽段)，N-端在细胞外侧，C-端在细胞胞质侧一、G蛋白偶联受体的结构与作用机制2.G蛋白偶联受体的结构一、一、G蛋白偶联受体的结构与作用机制蛋白偶联受体的结构与作用机制G蛋白偶联受体介导的信号转导通路具有共同元件1、GPCR的7次
4、跨膜螺旋2、三聚体G蛋白3、与质膜结合的效应器蛋白离子通道：G激活K+通道腺苷酸环化酶改变cAMP浓度磷脂酶C(PLC)产生IP3和DAGG类型结合的效应器第二信使受体举例Gs腺苷酸环化酶cAMP(升高)肾上腺素受体，胰高血糖素受体，血中复合胺受体，后叶加压素受体Gi腺苷酸环化酶cAMP(降低）1肾上腺素受体K+通道(G激活效应器)膜电位改变M乙酰胆碱受体Golf腺苷酸环化酶cAMP(升高)嗅觉受体（鼻腔）Gq磷脂酶CIP3,DAG(升高)2肾上腺素受体Go磷脂酶CIP3,DAG(升高)乙酰胆碱受体(内皮细胞）GtcGMP磷酸二酯酶cGMP(降低）视杆细胞中视紫红质(光受体)三聚体G蛋白的主要
5、种类及其效应器一、一、G蛋白偶联受体的结构与作用机制蛋白偶联受体的结构与作用机制G蛋白偶联受体介导的信号转导通路具有共同元件1、GPCR的7次跨膜螺旋2、三聚体G蛋白3、与质膜结合的效应器蛋白离子通道：G激活K+通道腺苷酸环化酶改变cAMP浓度磷脂酶C(PLC)产生IP3和DAG4、参与反馈调节或导致受体脱敏的蛋白 解除与终止信号的重要方式是在信号浓度过高或细胞长时间暴露于某一种信号刺激的情况下，细胞以不同的机制使受体脱敏，这种现象又称适应，是一种负反馈调节机制一、一、G蛋白偶联受体的结构与作用机制蛋白偶联受体的结构与作用机制3.G蛋白偶联受体的激活与调控第二节第二节 G蛋白偶联受体及其介导的
6、信号转导蛋白偶联受体及其介导的信号转导一、一、G蛋白偶联受体的结构与作用机制蛋白偶联受体的结构与作用机制1.G蛋白的结构蛋白的结构2.G蛋白偶联受体的结构蛋白偶联受体的结构3.G蛋白偶联受体的激活与调控蛋白偶联受体的激活与调控二、二、G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路 G G蛋白偶联受体(GPCR)(GPCR)是细胞表面受体中最大的多样性家族，据统计超过30%的临床处方药物是针对GPCR所介导信号通路为靶点研制和开发的二、二、G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路（一）激活离子通道的G蛋白偶联受体所介导的信号通路（二）激活或抑制腺苷酸
7、环化酶的G蛋白偶联受体（三）激活磷脂酶C和以IP3和DAG作为双信使的G蛋白偶联受体介导的信号通路(一一)激活离子通道的激活离子通道的G蛋白偶联受体所介导的信号通路蛋白偶联受体所介导的信号通路1.心肌细胞心肌细胞上上M型乙酰胆碱受体激活型乙酰胆碱受体激活G蛋白开启蛋白开启K+通道通道心肌细胞上M型乙酰胆碱受体激活Gi蛋白，开启K+通道，导致细胞膜超极化，减缓心肌细胞的收缩频率2.激活激活Gt蛋白偶联的光敏感受体诱发蛋白偶联的光敏感受体诱发cGMP门控阳离子门控阳离子通道的关闭通道的关闭Gt：传导素；PDE：磷酸二酯酶 7次跨膜蛋白视紫红质：视蛋白+视黄醛光信号Gt活化cGMP磷酸二酯酶激活胞内
8、cGMP减少非选择性阳离子通道关闭离子浓度下降膜超极化神经递质释放减少视觉反应二、二、G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路（一）激活离子通道的G蛋白偶联受体所介导的信号通路（二）激活或抑制腺苷酸环化酶的G蛋白偶联受体（三）激活磷脂酶C和以IP3和DAG作为双信使的G蛋白偶联受体介导的信号通路(二二)激活或抑制腺苷酸环化酶的激活或抑制腺苷酸环化酶的G蛋白偶联蛋白偶联受体受体调控系统主要涉及5种蛋白组分:刺激型激素的受体(receptor for sitimulatory hormone,Rs)刺激型G蛋白(sitimulatory G-proteins comple
9、x,Gs)抑制型激素的受体(receptar for inhibitory hormone,Ri)抑制型G蛋白(inhibitory G-proteins complex,Gi)腺苷酸环化酶(adenylyl cyclase,AC)(二二)激活或抑制腺苷酸环化酶的激活或抑制腺苷酸环化酶的G蛋白偶联蛋白偶联受体受体腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶(AC)和环腺苷酸磷酸二酯酶和环腺苷酸磷酸二酯酶(PDE)p腺苷酸环化酶(AC)：跨膜12次,在Mg2+或Mn2+存在下，催化ATP生成cAMPp环腺苷酸磷酸二酯酶(PDE)：可降解cAMP 生成5-AMP，导致细胞内cAMP 水平下降(二二)激活或抑制腺苷酸环
10、化酶的激活或抑制腺苷酸环化酶的G蛋白偶联蛋白偶联受体受体蛋蛋白白激激酶酶A(protein kinase A,PKA)pPKA含2个调节亚基(regulatory subunit,R)和2个催化亚基(catalytic subunit,C)，每个R亚基上有2个cAMP结合位点pcAMP与调节亚基结合，使R和C解离，释放出C，激活PKApPKA 是丝氨酸/苏氨酸激酶(二二)激活或抑制腺苷酸环化酶的激活或抑制腺苷酸环化酶的G蛋白偶联蛋白偶联受体受体1、cAMP-PKA信信号号通通路路对对肝肝细细胞胞和和肌肌细细胞胞糖糖原原代代谢谢的的调调节节磷蛋白磷酸酶抑制蛋白磷蛋白磷酸酶糖原磷酸化酶糖原磷酸化酶
11、激酶糖原合酶1-磷酸葡糖快反应(二二)激活或抑制腺苷酸环化酶的激活或抑制腺苷酸环化酶的G蛋白偶联蛋白偶联受体受体2、cAMP-PKA信信号号通通路路对对真真核核细细胞胞基基因因表表达达的的调调控控激素G蛋白偶联受体G蛋白腺苷 酸 环 化 酶cAMPcAMP依 赖的 蛋 白激 酶A基因调控蛋白(CREB)基因转录CBP：CREB结合蛋白CRE：cAMP-相应元件慢反应(二二)激活或抑制腺苷酸环化酶的激活或抑制腺苷酸环化酶的G蛋白偶联蛋白偶联受体受体不同信号通过相似机制引发不同细胞反应的原因G蛋白偶联受体的特异性对特定配体，受体可以不同异构体存在，并对该配体和特定G蛋白有不同亲和性人类基因组至少编
12、码21种G亚基，6种G亚基和12种G亚基，9种不同腺苷酸环化酶组合多样性+不同效应蛋白肾上腺素受体有9种不同异构体；5-羟色胺受体有15种不同异构体(二二)激活或抑制腺苷酸环化酶的激活或抑制腺苷酸环化酶的G蛋白偶联蛋白偶联受体受体受体功能下调机制：Gs伴随释放GTP而结合GDP时，受体对相应配体的亲和性下降Gs与腺苷酸环化酶结合时，Gs潜在的GTP酶活性被激活，使GTP水解为GDPcAMP在磷酸二酯酶的作用下使cAMP水解形成5-AMP，终止细胞反应(二二)激活或抑制腺苷酸环化酶的激活或抑制腺苷酸环化酶的G蛋白偶联蛋白偶联受体受体细菌毒素对腺苷酸环化酶的G蛋白偶联受体信号通路的影响后果：患者细
13、胞内Na+和水持续外流，产生严重腹泻脱水霍乱毒素(cholera toxin)具有ADP-核糖转移酶活性，催化NAD+上的ADP-核糖转移到Gs蛋白亚基Gs无GTP酶活性持续活化cAMP二、二、G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路（一）激活离子通道的G蛋白偶联受体所介导的信号通路（二）激活或抑制腺苷酸环化酶的G蛋白偶联受体（三）激活磷脂酶C和以IP3和DAG作为双信使的G蛋白偶联受体介导的信号通路（三）（三）激活磷脂酶激活磷脂酶C和以和以IP3和和DAG作为双信使作为双信使的的G蛋白偶联受体介导的信号通路蛋白偶联受体介导的信号通路磷脂酰肌醇代谢途径磷脂酰肌醇4-磷
14、酸磷脂酰肌醇4,5-二磷酸磷脂酰肌醇1,4,5-三磷酸磷脂酰肌醇二酰甘油磷脂酶C（三）（三）激活磷脂酶激活磷脂酶C和以和以IP3和和DAG作为双信使作为双信使的的G蛋白偶联受体介导的信号通路蛋白偶联受体介导的信号通路特点：产生两个胞内信使，分别激活两种不同的信号通路，即IP3/Ca2+和DAG/PKC途径，又称“双信使系统”异构体活化 1.IP3-Ca2+信号信号通路通路 2.Ca2+-NO-cGMP-活化的蛋白激酶活化的蛋白激酶G信号途径信号途径 3.DAG-PKC信号途径信号途径（三）（三）激活磷脂酶激活磷脂酶C和以和以IP3和和DAG作为双信使作为双信使的的G蛋白偶联受体介导的信号通路蛋
15、白偶联受体介导的信号通路1、IP3-Ca2+信号信号通路通路IP3与ER膜IP3门控Ca2+通道结合通道开启Ca2+由ER转移至细胞质基质胞质游离Ca2+浓度雷诺丁受体sER上的两种Ca2+通道:(1)IP3门控Ca2+通道;(2)雷 诺 丁 受 体(Ryanodine receptors,RyRs)，主要存在于可兴奋细胞(心肌细胞)中 咖啡因的作用之一就是降低雷诺丁受体对Ca2+的敏感性阈值，因而增加这些离子通道被CICR开通的可能性，使细胞更容易兴奋Calcium-inducedcalciumrelease(CICR)1、IP3-Ca2+信号信号通路通路特 点pIP3具有效应特异性pIP3
16、介导的Ca2+水平升高是瞬时的质膜和ER膜上Ca2+泵的启动分别将Ca2+泵出细胞和泵进ER腔胞质中的Ca2+对IP3门控Ca2+通道进行双向调控I.Ca2+增加通道的开启Ca2+释放II.Ca2+增加通道失活终止IP3诱导的胞内储存Ca2+的释放1、IP3-Ca2+信号信号通路通路特 点pIP3具有效应特异性pIP3介导的Ca2+水平升高是瞬时的质膜和ER膜上Ca2+泵的启动分别将Ca2+泵出细胞和泵进ER腔胞质中的Ca2+对IP3门控Ca2+通道进行双向调控I.Ca2+增加通道的开启Ca2+释放II.Ca2+增加通道失活终止IP3诱导的胞内储存Ca2+的释放IP3通路受到刺激时，由细胞质基
17、质中Ca2+对ER膜上的IP3门控Ca2+通道的复杂调控会导致细胞质基质中Ca2+水平的快速振荡1、IP3-Ca2+信号信号通路通路 利用与Ca2+特异性结合的荧光染料(Fura-2/Fluo-3)和激光共聚焦显微镜，在活细胞中观察和记录Ca2+浓度的微弱变化，揭示钙信号在细胞中传递的机制Ca2+信号通路的研究1、IP3-Ca2+信号信号通路通路钙火花(Ca2+spark)p在短短的10ms内，细胞中某一微区Ca2+探针Fluo-3的荧光强度骤升一倍，随后又在20ms内消失，故称钙火花，直径约2 m，体积8 fLl钙信号传导单元l在单个心肌细胞中，每次收缩可形成大约104个钙火花，在时间和空间
18、上的叠加形成了细胞水平的钙振荡，驱动心肌细胞收缩l钙火花的发生是“扩散-反应”过程，Ca2+从雷诺丁受体构成的发放源放出，向周围扩散，并通过不同的分子机制回收或清除，以恢复细胞质中正常的静息Ca2+浓度l细胞微区钙信号的存在，丰富了Ca2+编码生物信息的能力钙火花的作用：钙振荡驱动心肌细胞收缩、神经递质传递、激素分泌不同的钙信号组合在长时程的生物学过程中调节基因表达、细胞凋亡、受精作用等钙火花(Ca2+spark)1、IP3-Ca2+信号通路1、IP3-Ca2+信号通路Ca2+不直接作用于靶蛋白，而是通过Ca2+应答蛋白间接发挥作用钙调蛋白(CaM)l分子质量16.7 kDa,148 aa，结
19、合4个Ca2+l本身无活性，与Ca2+结合的协调作用，胞质中微小Ca2+的浓度变化可导致活化CaM水平的巨大变化，调节靶酶的活性1、IP3-Ca2+信号通路受钙调蛋白(CaM)调节的酶酶细胞功能酶细胞功能腺苷酸环化酶合成cAMP磷酸化酶糖原降解鸟苷酸环化酶合成cGMP肌球蛋白轻链激酶平滑肌收缩钙依赖性磷酸二酯酶水解cAMP和cGMP钙调蛋白激酶神经递质分泌和再合成，分子记忆Ca2+-ATPCa2+泵钙依赖性蛋白磷酸酶各种蛋白质的去磷酸化NAD激酶合成NADP转谷氨酰胺酶蛋白质交联 1.IP3-Ca2+信号信号通路通路 2.Ca2+-NO-cGMP-活化的蛋白激酶活化的蛋白激酶G信号途径信号途径
20、 3.DAG-PKC信号途径信号途径（三）（三）激活磷脂酶激活磷脂酶C和以和以IP3和和DAG作为双信使作为双信使的的G蛋白偶联受体介导的信号通路蛋白偶联受体介导的信号通路2、Ca2+-NO-cGMP-活化的蛋白激酶G信号途径介导血管平滑肌细胞的舒张血管神经末梢释放乙酰胆碱作用于血管内皮细胞G蛋白偶联受体激活磷脂酶C第二信使IP3导致胞质Ca2+2、Ca2+-NO-cGMP-活化的蛋白激酶G信号途径介导血管平滑肌细胞的舒张Ca2+结合CaM刺激NO合酶催化Arg氧化形成瓜氨酸并释放NONO扩散进入邻近平滑肌细胞激活具有鸟苷酸环化酶活性的NO受体刺激生成第二信使cGMP2、Ca2+-NO-cGM
21、P-活化的蛋白激酶G信号途径介导血管平滑肌细胞的舒张cGMP通过cGMP依赖的蛋白激酶G(PKG)的活化，抑制肌动-肌球蛋白复合物信号通路血管平滑肌舒张p心房钠尿肽、多肽类激素引发血管平滑肌收缩具有类似机制p硝酸甘油抗心绞痛for their discoveries concerning nitric oxide as a signalling molecule in the cardiovascular system”2、Ca2+-NO-cGMP-活化的蛋白激酶G信号途径The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1998（三）（三）激活磷脂酶激活磷脂
22、酶C和以和以IP3和和DAG作为双信使作为双信使的的G蛋白偶联受体介导的信号通路蛋白偶联受体介导的信号通路 1.IP3-Ca2+信号信号通路通路 2.Ca2+-NO-cGMP-活化的蛋白激酶活化的蛋白激酶G信号途径信号途径 3.DAG-PKC信号途径信号途径 3.DAG-PKC信号途径PKC(protein kinase C)3.DAG-PKC信号途径蛋白激酶C(PKC)p两个结构域：亲水的催化活性中心，疏水的膜结合区p非活性状态下是水溶性的，游离于胞质溶胶中，信号刺激后与Ca2+结合转位到质膜内表面，被DAG活化，使底物蛋白的Ser/Thr残基磷酸化信号终止：pDAG激酶磷酸化形成磷脂酸，进
23、入肌醇磷脂代谢途径pDAG脂酶水解成单脂酰甘油 3.DAG-PKC信号途径活化的PKC激活基因转录的两条细胞内途径：1、PKC激活一条蛋白激酶的级联反应，导致与DNA特异序列结合的基因调控蛋白的磷酸化和激活，进而增强特殊基因的转录SRF:血清应答因子SRE:血清应答元件 3.DAG-PKC信号途径活化的PKC激活基因转录的两条细胞内途径：2、PKC的活化导致抑制蛋白的磷酸化(I-B)，使细胞质中基因调控蛋白摆脱抑制状态释放出来，进入细胞核，刺激基因转录SRF:血清应答因子SRE:血清应答元件 3.DAG-PKC信号途径PKC是Ca2+和磷脂酰丝氨酸依赖性的Ser/Thr蛋白激酶，作用底物广泛快反应细胞分泌、肌肉收缩慢反应细胞增殖、分化 3.DAG-PKC信号途径DAG代谢周期短，不能长期维持PKC活性PKC是Ca2+和磷脂酰丝氨酸依赖性的Ser/Thr蛋白激酶，作用底物广泛快反应细胞分泌、肌肉收缩慢反应细胞增殖、分化磷脂酶催化质膜上的磷脂酰胆碱断裂产生DAGDAG合成新途径