受体与跨膜信号转导.ppt

受体与跨膜信号转导,效应,G蛋白,nucleus,胞外,胞内,信息物质,受体 G蛋白 第二信使系统,受体概念：,是细胞膜上或胞内能与生物活性分子（递质、调质、激素及细胞因子等信息分子）或相应药物与毒素等结合的生物大分子，并能将信息传到效应器，产生特定效应的蛋白质。,受体的功能,识别和结合的功能 传递信息的功能 产生相应的生物学效应,反应,激动剂 拮抗剂,受体是细胞间跨膜信息传递的中转,受体分类,药理学效应分类：AChR、DAR、NAR等 解剖学定位分类 细胞内受体： 类固醇激素和甲状腺 激素受体 膜受体 酶活性受体 配体门控离子通道受体 G蛋白偶联受体,酶活性受体,是一类只有一个跨膜螺旋，其本身兼有配体的识别部位与激酶活性；目前已知的有酪氨酸激酶受体和丝/苏氨酸激酶受体 促进细胞生长与分化,配体门控离子通道受体 是由均一或不均一的数个亚基在细胞膜上构成的寡聚体，每个亚基都有细胞外、细胞内和跨膜区3个结构域，4个或6个跨膜螺旋，后者在细胞膜上形成阴离子（Cl-）或阳离子（Na+）通道,N-AChR Na+/K+ NMDAR Na+ K+ Ca2+ AMPAR KAR Na+/K+ GABAAR Cl- GABACR Cl-,配体门控离子通道受体,包括：NAChR、GABAA、5-HT3、甘氨酸受体 特点1：五个亚单位组成 的复合体； 特点2：N末端有7-24个氨基酸组成的信号肽；N、C末端均位于膜外； 特点3：每个亚基有4个疏水跨膜区（M1-M4）,包括：谷氨酸门控通道-NMDA、KA、AMPA 特点：分子量是NAChR的二倍；C末端长（尤其是NR2A-D）,ATP/ADP控制的P2X 特点1：阳离子非选择性通道； 特点2：亚单位仅有2个跨膜区,配体门控离子通道型受体又可分为三个亚型,M2 forms a loop that dips into the membrane and lines the channel pore,配体门控离子通道受体,N-AChR,受体由多个亚单位围成离子孔道,ACh binds,类似于N-胆碱受体，由5个亚单位组成 Cl-通道受体 通道开放的时间和频率受内源性物质或药物影响,（神经甾体）,（巴比妥类药物）,（地西泮类药物）,延长通道开放时间,延长通道开放频率,印防己毒素,（阻止通道开放）,A,Cl-,胞外 胞内,胞膜,GABAA受体作用离子机制示意图,GABA,R,AMPA receptor,由四个亚单位围绕的离子通道,兴奋性氨基酸受体NMDAR、AMPAR、KA受体均为配体门控的离子通道型受体,Ca2+ 通透性 受配体和膜电位的双重调节,NMDAR特点：,G蛋白偶联型受体结构和功能,G蛋白偶联区,Ser,糖基化位点,由7个跨膜区的单一肽链构成 第5和第6跨膜区之间的内环是G蛋白的结合区 N-端在胞外，有糖基化位点；C端在胞内，其上有磷酸化位点,M-AChR 代谢型谷氨酸受体 GABABR 5-HT1-7受体（除5-HT3R）,G蛋白偶联受体,G protein can open ion channels directly without employing second messengers,M-AChR,K+,i,G蛋白偶联的内向整流K通道,M-AChR 7个跨膜区段，,（GIRK）,5-HT-R（除5-HT3-R）,5-HT,AC,K+,S型K+通道,花生四烯酸,FMRFamide,膜磷脂,PIP2,mGluR,代谢型谷氨酸受体,（二） G蛋白,G蛋白：鸟核苷酸调节蛋白，是G蛋白偶联受体与效应酶之间的中介物质，是一种酶。其信息转导的激活与失活受控于GDP-GTP-GDP转化开关，是由3个亚单位（、）组成的三聚体。所有亚单位上都有与GDP特异结合的位点和GTP酶活性，控制着G蛋白的活性与跨膜信息转导。,G蛋白亚型及其调节系统,4 superfamilies,binds GTP GTPase Binds receptors,G-protein subunits,Three subunits,1.G蛋白亚型,Gs：与接受兴奋性配体的受体偶联，激活AC -NAR、ACTH受体、胰高血糖素受体 Gi：与接受抑制性配体的受体偶联，抑制AC 生长抑素受体、M-AChR等 Gq：激活PLC，调节IP3、DAG信号转导系统 1-NAR、5-HTR等 Gt：Gt1与视紫质受体偶联 Gt2与锥细胞视蛋白偶联激活水解cGMP的PDE,Gt,激活水解cGMP的PDE,G蛋白的激活及其对跨膜信息转导体系的调节作用与机制,（一) Gs的激活与失活机制 环境中不存在相应递质或受体激动剂时,受体与G蛋白独立存在 G蛋白的各亚单位呈聚合状态 s 与GDP结合，对受体呈低亲和力状态,环境中存在相应递质或受体激动剂时,周图,G 蛋白效应器,Gs：激活AC，产生cAMP Gi：抑制AC Gq：激活PLC，调节IP3、DAG信号转导系统 Gt：Gt1与视紫质受体偶联，水解cGMP Gt2与锥细胞视蛋白偶联激活水解cGMP的PDE,Gs和Gi通过调节腺苷酸环化酶的活性共同调节效用细胞内cAMP水平,Gs和Gi,Gt通过调节cGMP磷酸二脂酶（PDE）活性来调节视网膜光感的传导,视紫红质（光感受体）可与Gt偶联 视网膜上杆状细胞的细胞膜及其盘状物上，都存在感光物质视紫红质；在光照后，在这种跨膜蛋白的羟基端附近，可被视紫红质蛋白磷酸化，该部位上有Gt蛋白的结合位点。,暗光,Gt通过调节PDE活性来调节视网膜光感的传导,钠通道关闭，导致光感受器超极化，引起光反应,视网膜上杆状细胞,Gq通过对磷脂酶C活性的调节激活IP3、DAG信号转导系统,多种递质和激素的受体都与细胞膜上调控肌醇磷脂特异代谢的磷脂酶C偶联，调节其活性，进而影响IP3和DAG等第二信使的产生。,配体,Gq,G蛋白可通过直接和间接两种方式对离子通道进行调节,G蛋白可直接参与钾通道和钙通道偶联发挥直接的调节作用 G蛋白可间接通过G蛋白激活的蛋白激酶，使离子通道磷酸化的方式，来调节离子通道的活性。 儿茶酚胺激活受体,Gs,AC,cAMP,PKA,钙通道蛋白磷酸化,G蛋白可直接与离子通道偶联的方式对离子通道进行调节,G蛋白亚单位复合体的功能,对酶活性的调节 调节AC、PLC、Ras、MAPK、G蛋白偶联受体激酶 对离子通道的调节,G蛋白偶联受体对内向整流钾通道（GIRK）的调节主要是由G 介导,flash,第二信使系统与跨膜信息传导,跨膜信息传导,胞内调节信息分子 （第二信使）,细胞特异的反应系统,cAMP cGMP Ca2+ NO.,胞外信息分子（第一信使）,信使物质：具有传导/传递功能的分子,一、腺苷酸环化酶系统,Gs AC,ATP cAMP,AMP,PDE,PKA,效应,腺苷酸环化酶 AC：是一种跨膜糖蛋白，主要定位于质膜的内侧，催化亚单位C与Gs形成复合体，在Mg2+的参与下，催化底物ATP生成cAMP。AC受Gs和Gi的双重调控,Adenylate cyclase is dually regulated by G proteins (Gs stimulating activity and Gi inhibiting it), and by forskolin, as well as other class-specific substrates: Isoforms I, III and VIII are also stimulated by Ca2+/calmodulin. Isoforms V and VI are inhibited by Ca2+ in a calmodulin-independent manner. Isoforms II, IV and IX are stimulated by beta gamma subunits of the G protein. Isoforms I, V and VI are most clearly inhibited by Gi, while other isoforms show less dual regulation by the inhibitory G protein. Soluble AC (sAC) is not a transmembrane form and is not regulated by G proteins or forskolin, instead acts as a bicarbonate/pH sensor. In neurons, calcium-sensitive adenylate cyclases are located next to calcium ion channels for faster reaction to Ca2+ influx; they are suspected of playing an important role in learning processes. This is supported by the fact that adenylate cyclases are coincidence detectors, meaning that they are activated only by several different signals occurring together. In peripheral cells and tissues adenylate cyclases appear to form molecular complexes with specific receptors and other signaling proteins in an isoform-specific manner.,PKA,Multisubunit enzyme: two catalytic subunits and two regulatory subunits,Localize and target the catalytic subunits to distinct sites within cells.,PKA结构,The catalytic subunits transfer the -phosphoryl group of ATP to the hydroxyl groups of specific serine and threonine residues in substrate proteins.,Ser,依赖cAMP的蛋白激酶PKA,PKA导致的生理效应,1 PKA+4 cAMP PKA* 底物蛋白磷酸化 细胞代谢 膜蛋白质合成 激素合成 基因表达 神经递质合成 突触释放,？,调节K+通道,Turn off of the signal: 1. Ga hydrolyzes GTP to GDP + Pi. (GTPase). The presence of GDP on Ga causes it to rebind to the inhibitory complex. Adenylate Cyclase is no longer activated. 2. Phosphodiesterase catalyzes hydrolysis of cAMP AMP.,信号终止,环核苷酸磷酸二脂酶（PDE） 简介,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,PDE3 PDE4 PDE7 PDE5 PDE6 PDE1 PDE2,cGMP,cGMP cAMP,cAMP,水解底物,信号终止,环核苷酸磷酸二脂酶（PDE） 是cAMP的特异降解酶，cAMP水解为腺苷-5-磷酸,抑制PDE，增强cAMP生理作用如交感神经兴奋、心跳加快,Turn off of the signal : 3. Hormone receptor desensitization occurs. This process varies with the hormone. Some receptors are phosphorylated via G-protein-coupled receptor kinases. The phosphorylated receptor may then bind to a protein arrestin that blocks receptor-G-protein activation & promotes removal of the receptor from the membrane by clathrin-mediated endocytosis. 4. Protein Phosphatase catalyzes removal by hydrolysis of phosphates that were attached to proteins via Protein Kinase A.,信号终止,二、肌醇脂质信使系统和IP3、DAG分叉信息传导通路,+,磷脂酰肌醇（PI）代谢增强,PLC,PIP2,IP3,DAG,激活细胞内Ca2+库,胞内Ca2+,PKC,复杂的级联反应,级联反应,受体 激动剂,Gq蛋白,Ca2+/CaM依赖的蛋白激酶,磷脂酶C（PLC）,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（4种）、（2种）和（4种）。 具有很强的底物特异性 肌醇磷脂特异性磷脂酶 主位于胞质中，其底物位于胞膜上,IP3受体,IP3受体至少有4种亚型，分布于不同的组织细胞。其中IP3RI在小脑中含量最高，IP3RIII以肠道平滑肌中含量最高。 胞内IP3R主要在内质网钙库上与Ca2+通道偶联,Inositol-1,4,5-triphosphate Receptor (IP3R),Tetramer Four 310 kDa subunits,ATP and Ca2+ binding sites,Four alternatively spliced forms,IP3R通道开放受多种因素的调控,受IP3和Ca2+的双重调控 IP3与受体结合打开钙通道（3个IP3打开一个钙通道）， Ca2+ 从内质网进入胞浆； Ca2+对IP3R呈现铃形反应：,当Ca2i很低时，IP3R对IP3不敏感，Ca2+通道不开放；当Ca2+i增加到一定程度时，IP3R对IP3最敏感，Ca2+通道开放，钙库内Ca2+释放入胞浆；当Ca2+i更高时，IP3R 对IP3敏感性降低，钙库释放Ca2+减少，使细胞内Ca2+浓度变化曲线呈铃状。,Ca2+i,Ca2+ release,Inositol-1,4,5-triphosphate Receptor (IP3R),IP3R is regulated by IP3 and by Ca2+,Presence of low IP3 enables stimulation of IP3R by low Ca2+cyt,High Ca2+cyt inhibits IP3R channel,Maximal Ca2+ conductance at 0.2-0.3 mM Ca2+cyt,Also regulated by protein kinase A,Inhibited by heparin,IP3 causes channel to open If Ca2+ present binds to receptor and channel stays open If Ca2+ below threshold channel deactivates rapidly,IP3 activates Ca+-release channels in ER membranes. Ca+ stored in the ER is released to the cytosol, where it may bind calmodulin, or help activate Protein Kinase C. Signal turn-off includes removal of Ca+ from the cytosol via Ca+-ATPase pumps, & degradation of IP3.,DAG,特异的激活蛋白激酶C促使效应蛋白磷酸化 IP3/Ca2+常在早期反应中起重要作用 DAG/PKC则在后继反应中起重要作用 PKC激活后引起许多蛋白质磷酸化,二脂酰甘油,PKC,含有一个疏水的调节活性区和一个亲水的催化区，调节区域上具有DAG、磷脂和Ca2+的结合位点 有多个亚型，其中PKC-为脑组织特有；以脑组织尤为丰富，已知PKC有12种同功酶，包括：PKC、1、2、c、 是DAG赖以发挥第二信使效应的主要靶酶,其活性有赖于磷脂酰丝氨酸,非活性态的PKC调节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。因此，又称此结构域为假底物功能域。,DAG结合结构域,Ca2+结合结构域,非活性PKC,活性PKC,PKC激活生理效应,效应蛋白：胰岛素受体、表皮生长因子受体、肾上腺素受体、IL2受体、G蛋白、糖元合成酶、转铁蛋白、Na+KATP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。,信号终止,IP3可以靠两个反应终止第二信使的作用： 细胞中存在IP3磷酸单酯酶（inositol 5-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； IP3在磷酸激酶的作用下转化为IP4（1,3,4,5-四磷酸肌醇），IP4也有调节细胞内Ca2的能力。,DAG的代谢,两条途径终终第二信使的作用 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PIP2 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,PKC活化,通常情况下，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与膜磷脂酰丝氨酸结合，转移到膜上； 磷脂酶丝氨酸辅助DAG与PKC调节功能域结合，引起调节功能域构象变化，导致底物功能域的释放，PKC活化，催化底物蛋白磷酸化。,flash,There are membrane-bound or particulate (type 1) and soluble (type 2) forms of guanylyl cyclases.,三、一氧化氮（NO)与鸟苷酸环化酶（GC）系统,Soluble Guanylate Cyclase NO,Particulate Guanylate Cyclase The activity of particulate cyclases appears to be regulated in a more complex way. Particulate cyclases have been found in almost all tissues and cell types, however, their distribution is isoform specific. Seven different isoforms of the enzyme, in rat termed GC-A through GC-G.,三、一氧化氮（NO)与鸟苷酸环化酶（GC）系统,NO-cGMP信号系统在神经信息系统以及心血管、免疫功能的调控中具有普遍而重要的意义 NO最特异性受体是可溶型GC, NO,NO,GTP,cGMP,胞内特定的级联反应,舒张动脉 传递神经元信息,cGMP-特异的PDE,GMP,铁血红素基团,可溶型GC,血管内皮细胞受化学物质如乙酰胆碱或缓激肽（bradykinin）等的刺激，导致细胞膜上Ca2+通道的开放，胞内Ca2+浓度升高，通过CaM激活NOS（NO合成酶）,由精氨酸产生NO，NO穿过内皮细胞膜可扩散到周围的血管平滑肌细胞中，在其中NO的胞酶是鸟苷酸环化酶(GC)，使GC激活而产生cGMP,后者引起血管平滑肌松弛。,Particulate Guanylate Cyclase,ANP, atrial natriuretic peptide; BNP, brain natriuretic peptide; CNP, natriuretic peptide type C,cGMP第二信使作用,调节cGMP门控通道 Na+ 调节PDE cGMP依赖蛋白激酶 Ca2+,cGMP-特异的磷酸二脂酶,细胞中PDE的活性，决定了NO是否引起cGMP积累 胞内Ca2+的升高，即可促进cGMP的效应，又能增加它的降解,cGMP,cGMP-特异的PDE,GMP,Ca2+,cGMP,cGMP-特异的PDE,GMP,CaM,细胞效应,+,cGMP依赖蛋白激酶（PKG）,flash,Protection of cGMP by PKG allosteric sites from hydrolysis can be regulated by autophosphorylation and dephosphorylation and thereby this regulation could modulate cGMP signalling.,Roles of allosteric cGMP-binding sites of PKG in regulating cGMP hydrolysis,Regulation of the Pathway by Protein Kinase G,Protein kinase G enzyme that phosphorylate several proteins after activation by cyclic GMP, act on different steps of the pathway, altering cyclic GMP synthesis and degradation.,Neuronal injury, pain, and memory,/faculty/bio-Walters-Edgar.html,四、Ca2+/CaM信号系统,胞浆内Ca2+浓度在0.01-lmol/L，比细胞外液中 Ca2+浓度（约2.5mmol/L）低得多。细胞的肌浆网、内质网和线粒体可作为细胞内Ca2+的储存库。当细胞外液的Ca2+通过钙通道进人细胞，或者亚细胞器内储存的Ca2+释放到胞浆时，都会使胞浆内Ca2+水平急剧升高，随之引起某些酶活性和蛋白功能的改变，从而调节各种生命活动。因而将Ca2+也视为细胞内重要的第二信使。,Calcium 来源,o,i,Ca2+,Ca2+,Ca2+,Ca2+,钙/钙调蛋白激酶,AC,PDE,钙神经素,细