G-蛋白偶联受体.doc

G蛋白偶联受体的研究 生物工程1002班 1012071078 王盼 摘要G蛋白偶联受体是一个超级膜蛋白家族，该家族的结构特点为7个穿越细胞膜的双螺旋结构。其中N-端在细胞外，C-端在细胞内。它们识别并结合细胞外部环境中多种多样的信号分子，激活细胞内的异源三聚体的鸟苷酸结合蛋白，活化后的G蛋白结合GTP置换GDP，三聚体进行解离等变化。从而将信号传递到细胞内的信号分子，引起细胞内的一系列变化。牛视紫红质蛋白已经清楚，其效应关系为其他的G蛋白偶联受体的研究提供了模板。另一个重要的G蛋白偶联受体是血小板激活因子受体（PAFR）,它与血小板激活因子的解聚与许多生理和病理变化有关。关键词膜蛋白 G蛋白偶联受体 信号转导 牛视紫红质蛋白 血小板激活因子受体G蛋白偶联受体（G Protein-Coupled Receptors， GPCRs）,是一大类膜蛋白受体的统称。这类受体的共同点是其立体结构中都有七个跨膜螺旋，且其肽链的C端和连接第5和第6个跨膜螺旋的胞内环上都有的结合位点。目前为止，研究显示G蛋白偶联受体只见于真核生物之中，而且参与了很多细胞信号转导过程。在这些过程中，G蛋白偶联受体能结合细胞周围环境中的化学物质并激活细胞内的一系列信号通路，最终引起细胞状态的改变。已知的与G蛋白偶联受体结合的配体包括气味，费洛蒙，激素，神经递质，趋化因子等等。这些受体可以是小分子的糖类，脂质，多肽，也可以是蛋白质等生物大分子。一些特殊的G蛋白偶联受体也可以被非化学性的刺激源激活，例如在感光细胞中的视紫红质可以被光所激活。与G蛋白偶联受体相关的疾病为数众多，并且大约40%的现代药物都以G蛋白偶联受体作为靶点。1 G蛋白偶联受体的下游信号通路有多种。与配体结合的G蛋白偶联受体会发生构象变化，从而表现出鸟苷酸交换因子(GEF)的特性，通过以三磷酸鸟苷(GTP)交换G蛋白上本来结合着的二磷酸鸟苷(GDP)使G蛋白的亚基与、亚基分离。这一过程使得G蛋白(特别地，指其与GTP结合着的亚基)变为激活状态，并参与下一步的信号传递过程。具体的传递通路取决于亚基的种类.其中两个主要的通路分别涉及第二信使环腺苷酸和磷脂酰肌醇。AC系统（腺苷酸环化酶系统）。G蛋白偶联受体中的七个跨膜螺旋A 类 (或 第一类) (视紫红质样受体) B 类 (或 第二类) (分泌素受体家族) C 类 (或 第三类) (代谢型谷氨酸受体) D 类 (或 第四类) (真菌交配信息素受体) E 类 (或 第五类) (环腺苷酸受体) F 类 (或 第六类) (Frizzled/Smoothened家族) G蛋白偶联受体均是膜内在蛋白，每个受体内包含七个螺旋组成的跨膜结构域，这些结构域将受体分割为膜外N端，膜内C端，3个膜外环和3个膜内环。受体的膜外部分经常带有糖基化修饰。膜外环上包含有两个高度保守的半胱氨酸残基，它们可以通过形成二硫键稳定受体的空间结构。有些光敏感通道蛋白和G蛋白偶联受体有着相似的结构，也包含有七个跨膜螺旋，但同时也包含有一个跨膜的通道可供离子通过。 与G蛋白偶联受体相似，脂联素受体也包含七个跨膜域，但是它们以相反的方向跨于膜上，并且它们也不与G蛋白相互作用。 一些激活的即结合了配体的G蛋白偶联受体的结构也已经被研究清楚。这些结构显示了G蛋白偶联受体的膜外部分与配体结合了之后会导致膜内部分发生构象变化。其中最显著的变化是第五和第六跨膜螺旋之间的膜内环会向外移动，而激活的2肾上腺素能受体与G蛋白形成的复合体的结构显示了G蛋白亚基正是结合在了上述运动所产生的一个空穴处。 G蛋白偶联受体参与众多生理过程。包括但不限于以下例子： 感光:视紫红质是一大类可以感光的G蛋白偶联受体。它们可以将电磁辐射信号转化成细胞内的化学信号，引导这一过程的反应称为光致异构化。具体细节为：由视蛋白和辅因子视黄醛共价连接所构成的视紫红质在光源的刺激下，分子内的视黄醛会发生异构化，从“11-顺式”变成“全反式”，这个变化进一步引起视蛋白的构象变化从而激活与之偶联的G蛋白，引发下游的信号传递过程。 嗅觉：鼻腔内的嗅上皮和犁鼻器上分布有很多嗅觉受体，可以感知气味分子和费洛蒙。 行为和情绪的调节：哺乳动物的脑内有很多掌控行为和情绪的神经递质对应的受体是G蛋白偶联受体，包括血清素，多巴胺，-氨基丁酸和谷氨酸等。 免疫系统的调节：很多趋化因子通过G蛋白偶联受体发挥作用，这些受体被统称为趋化因子受体。其它属于此类的G蛋白偶联受体包括白介素受体和参与炎症与过敏反应的组胺受体等。 G蛋白耦联型受体为7次跨膜蛋白，因此亦有人将此类受体称为七次跨膜受体。受体本身不具备通道结构，也无酶活性，它是通过与脂质双层中以及膜内侧存在的包括G蛋白等一系列信号蛋白质分子之间级联式的复杂的相互作用来完成信号跨膜转导的，因此也称促代谢型受体。1 G蛋白耦联型受体包括多种神经递质、肽类激素和趋化因子的受体，在味觉、视觉和嗅觉中接受外源理化因素的受体亦属G蛋白耦联型受体。2 受体受体在结构上均为单体蛋白，由约300400个氨基酸残基组成，有一个由30-50个氨基酸组成的细胞外N-末端，接着在肽链中出现7个螺旋的跨膜结构，每个疏水跨膜区段由2025个氨基酸组成，但各区段之间由数目不等的氨基酸组成的环状结构连接，其中1-2，3-4，5-6环在胞内侧，2-3，4-5，6-7环在胞外侧,第7个跨膜螺旋是能够识别、即能结合某种特定外来化学信号的部位。C端氨基酸残基相差很大，位于胞内侧。比较大的5-6胞内侧环与C端都具有亲水性，它们是与G蛋白相互作用的区域。小分子配体是结合在受体跨膜部的疏水区域，多肽配体结合区既与跨膜部分有关也与胞外亲水环有关。 3 G蛋白三聚体GTP结合调节蛋白简称G蛋白，位于质膜胞质侧，由、三个亚基组成， 和亚基通过共价结合的脂肪酸链尾结合在膜上，G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用，当亚基与GDP结合时处于关闭状态，与GTP结合时处于开启状态，亚基具有GTP酶活性，能催化所结合的ATP水解，恢复无活性的三聚体状态，其GTP酶的活性能被RGS增强。RGS也属于GAP。4 参与细胞信息传递的G蛋白如下表： G蛋白类型亚基功能刺激型G蛋白（Gs）Gs激活腺苷酸环化酶抑制型G蛋白（Gi）Gi抑制腺苷酸环化酶G蛋白（Gp）激活磷脂酰肌醇特异的磷脂酶C转运蛋白（Gt）Gt激活鸟苷酸环化酶 ras蛋白（p21）与亚基单位同源参与细胞增殖生长因子的激发5 其它类型： （1）化学感受器中的G蛋白 气味分子与化学感受器中的G蛋白偶联型受体结合，可激活腺苷酸环化酶，产生cAMP，开启cAMP门控阳离子通道，引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲动，最终形成嗅觉或味觉。 （2）视觉感受器中的G蛋白 黑暗条件下视杆细胞(或视锥细胞)中cGMP浓度较高，cGMP门控钠离子通道开放，钠离子内流，引起膜去极化，突触持续向次级神经元释放递质。 视紫红质为7次跨膜蛋白，含一个11顺-视黄醛。是视觉感受器中的G蛋白偶联型受体，光照使Rh视黄醛的构象变为反式，Rh分解为视黄醛和视蛋白，构象改变的视蛋白激活G蛋白，G蛋白激活cGMP磷酸二酯酶，将细胞中的cGMP水解。从而关闭钠通道，引起细胞超极化，产生视觉。可见胞内cGMP水平下降的负效应信号起传递光刺激的作用。 视觉感受器的换能反映可表述为： 光信号Rh激活Gt活化cGMP磷酸二酯酶激活胞内cGMP减少Na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。4 （3）小G蛋白 小G蛋白因分子量只有2030KD而得名，同样具有GTP酶活性，在多种细胞反应中具有开关作用。第一个被发现的小G蛋白是Ras，它是ras基因5的产物。其它的还有Rho，SEC4，YPT1等，微管蛋白亚基也是一种小G蛋白。 小G蛋白的共同特点是，当结合了GTP时即成为活化形式，这时可作用于下游分子使之活化，而当GTP水解成为GDP时则回复到非活化状态。这一点与G类似，但是小G蛋白的分子量明显低于G。 G蛋白耦联型受体介导的信号转导可通过不同的通路产生不同的效应，但信号转导的基本模式大致相同，主要过程包括： （1）配体与受体结合； （2）受体活化G蛋白； （3）G蛋白激活或抑制下游效应分子； （4）效应分子改变细胞内第二信使的含量与分布； （5）第二信使作用于相应的靶分子，使之构象改变，从而改变细胞的代谢过程及基因表达等功能。6 由G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路主要包括：cAMP信号通路和磷脂酰肌醇信号通路。 cAMP信号途径在cAMP信号途径中，细胞外信号与相应受体结合，调节腺苷酸环化酶活性，通过第二信使cAMP水平的变化，将细胞外信号转变为细胞内信号。4 （1）cAMP信号的组分 激活型激素受体（Rs）或抑制型激素受体（Ri）； 活化型调节蛋白（Gs）或抑制型调节蛋白（Gi）； 腺苷酸环化酶：是相对分子量为150KD的糖蛋白，跨膜12次。在Mg或Mn的存在下，腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP。 环腺苷酸磷酸二酯酶：可降解cAMP生成5-AMP，起终止信号的作用。 （2） Gs调节模型 当细胞没有受到激素刺激，Gs处于非活化态，亚基与GDP结合，此时腺苷酸环化酶没有活性；当激素配体与Rs结合后，导致Rs构象改变，暴露出与Gs结合的位点，使激素-受体复合物与Gs结合，Gs的亚基构象改变，从而排斥GDP，结合GTP而活化，使三聚体Gs蛋白解离出亚基和基复合物，并暴露出亚基与腺苷酸环化酶的结合位点；结合GTP的亚基与腺苷酸环化酶结合，使之活化，并将ATP转化为cAMP。随着GTP的水解亚基恢复原来的构象并导致与腺苷酸环化酶解离，终止腺苷酸环化酶的活化作用。亚基与亚基重新结合，使细胞回复到静止状态。 活化的亚基复合物也可直接激活胞内靶分子，具有传递信号的功能，如心肌细胞中G蛋白耦联受体在结合乙酰胆碱刺激下，活化的亚基复合物能开启质膜上的K通道，改变心肌细胞的膜电位。此外亚基复合物也能与膜上的效应酶结合，对结合GTP的亚基起协同作用或拮抗作用。 霍乱毒素能催化ADP核糖基共价结合到Gs的亚基上，致使亚基丧失GTP酶的活性，结果GTP永久结合在Gs的亚基上，使亚基处于持续活化状态，腺苷酸环化酶永久性活化。导致霍乱病患者细胞内Na和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。 该信号途径涉及的反应链可表示为： 激素G蛋白耦联受体G蛋白腺苷酸环化酶cAMP依赖cAMP的蛋白激酶A基因调控蛋白基因转录。 不同细胞对cAMP信号途径的反应速度不同，在肌肉细胞1秒钟之内可启动糖原降解为葡糖-1-磷酸，而抑制糖原的合成。在某些分泌细胞，需要几个小时，激活的PKA 进入细胞核，将CRE结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。CR是DNA上的调节区域。 （3）Gi调节模型 Gi对腺苷酸环化酶的抑制作用可通过两个途径： 通过亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性； 通过亚基复合物与游离Gs的亚基结合，阻断Gs的亚基对腺苷酸环化酶的活化。 百日咳毒素催化Gi的亚基ADP-核糖基化，结果降低了GTP与Gi的亚基结合的水平，使Gi的亚基不能活化，从而阻断了Ri受体对腺苷酸环化酶的抑制作用，但尚不能解释百日咳症状与这种作用机理有关。4 磷脂酰肌醇途径在磷脂酰肌醇信号通路中胞外信号分子与细胞表面G蛋白耦联型受体结合，激活质膜上的磷脂酶C（PLC-），使质膜上4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG）两个第二信使，胞外信号转换为胞内信号，这一信号系统又称为“双信使系统”。 IP3与内质网上的IP3配体门钙通道结合，开启钙通道，使胞内Ca浓度升高。 激活各类依赖钙离子的蛋白。用Ca载体离子霉素处理细胞会产生类似的结果。 DG结合于质膜上，可活化与质膜结合的蛋白激酶C。PKC以非活性形式分布于细胞溶质中，当细胞接受刺激，产生IP3，使Ca浓度升高，PKC便转位到质膜内表面，被DG活化，PKC可以使蛋白质的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化是不同的细胞产生不同的反应，如细胞分泌、肌肉收缩、细胞增殖和分化等。DG的作用可用佛波醇酯模拟。 Ca活化各种Ca结合蛋白引起细胞反应，钙调素由单一肽链构成，具有四个钙离子结合部位。结合钙离子发生构象改变，可激活钙调素依赖性激酶。细胞对Ca的反应取决于细胞内钙结合蛋白和钙调素依赖性激酶的种类。如：在哺乳类脑神经元突触处钙调素依赖性激酶十分丰富，与记忆形成有关。该蛋白发生点突变的小鼠表现出明显的记忆无能。 IP3信号的终止是通过去磷酸化形成IP2，或被磷酸化形成IP4。Ca由质膜上的Ca泵和Na-Ca交换器将抽出细胞，或由内质网膜上的钙泵抽进内质网。 DG通过两种途径终止其信使作用：一是被DG-激酶磷酸化成为磷脂酸，进入磷脂酰肌醇循环；二是被DG酯酶水解成单酯酰甘油。由于DG代谢周期很短，不可能长期维持PKC活性，而细胞增殖或分化行为的变化又要求PKC长期活性所产生的效应。现发现另一种DG生成途径，即由磷脂酶催化质膜上的磷脂酰胆碱断裂产生的DG，用来维持PKC的长期效应。4 参考文献1. Rovest P, longstaff A, Molecular NevroscenceM.Tron bridge, uk:Bios Scientifie publishers, 1998.103-126.2. 伍欣星等主编 医学分子生物学原理与方法 科学出版出版社 2000第一版 267-276；