05細(xì)胞通訊.doc

第五章.細(xì)胞通訊細(xì)胞通訊(cell communication)是細(xì)胞間或細(xì)胞內(nèi)通過(guò)高度精確和高效地發(fā)送與接收信息的通訊機(jī)制，對(duì)環(huán)境作出綜合反應(yīng)的細(xì)胞行為。5.1 細(xì)胞通訊的基本特點(diǎn)細(xì)胞的通訊與人類社會(huì)的通訊有異曲同工之妙(圖5-1):由信號(hào)發(fā)射細(xì)胞發(fā)出信號(hào)(接觸和產(chǎn)生信號(hào)分子)，由信號(hào)接收細(xì)胞(靶細(xì)胞)探測(cè)信號(hào)，其接收的手段是通過(guò)接收分子(受體蛋白)，然后通過(guò)靶細(xì)胞的識(shí)別，最后作出應(yīng)答。圖5-1 信號(hào)傳導(dǎo)(a)電話接收器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào);(b)細(xì)胞將細(xì)胞外信號(hào)(分子A)轉(zhuǎn)變成細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)(分子B)。5.1.1 細(xì)胞通訊的方式與反應(yīng) 通訊方式細(xì)胞有三種通訊方式(圖5-2):通過(guò)信號(hào)分子;通過(guò)相鄰細(xì)胞間表面分子的粘著或連接;通過(guò)細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)的粘著。在這三種方式中，第一種不需要細(xì)胞的直接接觸，完全靠配體與受體的接觸傳遞信息，后兩種都需要通過(guò)細(xì)胞的接觸。所以可將細(xì)胞通訊的方式分為兩大類:不依賴于細(xì)胞接觸的細(xì)胞通訊;依賴于細(xì)胞接觸的細(xì)胞通訊。圖5-2 細(xì)胞通訊的方式及引起的某些反應(yīng) 細(xì)胞通訊的反應(yīng)過(guò)程細(xì)胞通訊中有兩個(gè)基本概念: 信號(hào)傳導(dǎo)(cell signalling) 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)(signal transduction)這兩個(gè)概念反映了細(xì)胞通訊的兩個(gè)最主要的反應(yīng)過(guò)程。請(qǐng)從細(xì)胞通訊的反應(yīng)過(guò)程比較這兩個(gè)概念的差異。比較信號(hào)傳導(dǎo)(cell signalling)與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)(signal transduction)的差別（答案） 答: 都是關(guān)于細(xì)胞通訊的基本概念， 但二者的涵義是不同的， 前者強(qiáng)調(diào)信號(hào)的釋放與傳遞，包括細(xì)胞通訊的前三個(gè)過(guò)程:信號(hào)分子的合成: 一般的細(xì)胞都能合成信號(hào)分子，而內(nèi)分泌細(xì)胞是信號(hào)分子的主要來(lái)源。信號(hào)分子從信號(hào)傳導(dǎo)細(xì)胞釋放到周圍環(huán)境中:這是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，特別是蛋白類的信號(hào)分子，要經(jīng)過(guò)內(nèi)膜系統(tǒng)的合成、加工、分選和分泌，最后釋放到細(xì)胞外。信號(hào)分子向靶細(xì)胞運(yùn)輸:運(yùn)輸?shù)姆绞接泻芏喾N，但主要是通過(guò)血液循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)送到靶細(xì)胞。信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)強(qiáng)調(diào)信號(hào)的接受與放大， 包括細(xì)胞通訊的后三步:靶細(xì)胞對(duì)信號(hào)分子的識(shí)別和檢測(cè): 主要通過(guò)位于細(xì)胞質(zhì)膜或細(xì)胞內(nèi)受體蛋白的選擇性的識(shí)別和結(jié)合。細(xì)胞對(duì)細(xì)胞外信號(hào)進(jìn)行跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)，產(chǎn)生細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)。細(xì)胞內(nèi)信號(hào)作用于效應(yīng)分子，進(jìn)行逐步放大的級(jí)聯(lián)反應(yīng)，引起細(xì)胞代謝、生長(zhǎng)、基因表達(dá)等方面的一系列變化。另外，細(xì)胞完成信號(hào)應(yīng)答之后，要進(jìn)行信號(hào)解除，終止細(xì)胞應(yīng)答，主要是通過(guò)對(duì)信號(hào)分子的修飾、水解或結(jié)合等方式降低信號(hào)分子的水平和濃度以終止反應(yīng)。5.1.2信號(hào)分子及信號(hào)傳導(dǎo) 信號(hào)分子(signal molecules)( 信號(hào)分子是指生物體內(nèi)的某些化學(xué)分子, 既非營(yíng)養(yǎng)物, 又非能源物質(zhì)和結(jié)構(gòu)物質(zhì),而且也不是酶,它們主要是用來(lái)在細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)傳遞信息, 如激素、神經(jīng)遞質(zhì)、生長(zhǎng)因子等統(tǒng)稱為信號(hào)分子,它們的惟一功能是同細(xì)胞受體結(jié)合, 傳遞細(xì)胞信息。多細(xì)胞生物中有幾百種不同的信號(hào)分子在細(xì)胞間傳遞信息,這些信號(hào)分子中有蛋白質(zhì)、多肽、氨基酸衍生物、核苷酸、膽固醇、脂肪酸衍生物以及可溶解的氣體分子等。根據(jù)信號(hào)分子的溶解性分為水溶性信息(water-soluble messengers)和脂溶性信息(lipid-soluble messengers),前者作用于細(xì)胞表面受體,后者要穿過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜作用于胞質(zhì)溶膠或細(xì)胞核中的受體。其實(shí)，信號(hào)分子本身并不直接作為信息,它的基本功能只是提供一個(gè)正確的構(gòu)型及與受體結(jié)合的能力,就像鑰匙與鎖一樣,信號(hào)分子相當(dāng)于鑰匙,因?yàn)橹灰姓_的形狀和缺齒就可以插進(jìn)鎖中并將鎖打開(kāi)。至于鎖開(kāi)啟后干什么,由開(kāi)鎖者決定了)細(xì)胞通訊的信息多數(shù)是通過(guò)信號(hào)分子來(lái)傳遞的。信號(hào)分子是同細(xì)胞受體結(jié)合并傳遞信息的分子。信號(hào)分子本身并不直接作為信息，它的基本功能只是提供一個(gè)正確的構(gòu)型及與受體結(jié)合的能力。 信號(hào)分子的類型及信號(hào)傳導(dǎo)方式有三種類型的信號(hào)分子(圖5-3)。圖5-3 三種不同類型的信號(hào)分子及其信號(hào)傳導(dǎo)方式 激素(hormone)激素是由內(nèi)分泌細(xì)胞(如腎上腺、睪丸、卵巢、胰腺、甲狀腺、甲狀旁腺和垂體)合成的化學(xué)信號(hào)分子，一種內(nèi)分泌細(xì)胞基本上只分泌一種激素，參與細(xì)胞通訊的激素有三種類型:蛋白與肽類激素、類固醇激素、氨基酸衍生物激素(表5-1)表5-1 某些激素的性質(zhì)和功能名稱合成部位化學(xué)特性主要作用腎上腺素腎上腺酪氨酸衍生物提高血壓、心律、增強(qiáng)代謝 皮質(zhì)醇腎上腺類固醇在大多數(shù)組織中影響蛋白、糖、 脂的代謝雌二醇卵巢類固醇誘導(dǎo)和保持雌性副性征胰高血糖素胰細(xì)胞肽在肝、脂肪細(xì)胞刺激葡萄糖合成、糖原斷裂、 脂斷裂胰島素胰細(xì)胞蛋白質(zhì)刺激肝細(xì)胞等葡萄糖吸收、蛋白 質(zhì)及脂的合成睪酮睪丸類固醇誘導(dǎo)和保持雄性副性征甲狀腺素甲狀腺酪氨酸衍生物刺激多種類型細(xì)胞的代謝 通過(guò)激素傳遞信息是最廣泛的一種信號(hào)傳導(dǎo)方式，這種通訊方式的距離最遠(yuǎn)，覆蓋整個(gè)生物體。在動(dòng)物中，產(chǎn)生激素的細(xì)胞是內(nèi)分泌細(xì)胞，所以將這種通訊稱為內(nèi)分泌信號(hào)(endocrine signaling)。 局部介質(zhì)(local mediators)局部介質(zhì)是由各種不同類型的細(xì)胞合成并分泌到細(xì)胞外液中的信號(hào)分子，它只能作用于周圍的細(xì)胞。通常將這種信號(hào)傳導(dǎo)稱為旁分泌信號(hào)(paracrine signaling)，以便與自分泌信號(hào)相區(qū)別。有時(shí)這種信號(hào)分子也作用于分泌細(xì)胞本身， 如前列腺素(prostaglandin，PG)是由前列腺合成分泌的脂肪酸衍生物(主要是由花生四烯酸合成的)， 它不僅能夠控制鄰近細(xì)胞的活性，也能作用于合成前列腺素細(xì)胞自身，通常將由自身合成的信號(hào)分子作用于自身的現(xiàn)象稱為自分泌信號(hào)(autocrine signaling)。 神經(jīng)遞質(zhì) (neurotransmitters) 神經(jīng)遞質(zhì)是由神經(jīng)末梢釋放出來(lái)的小分子物質(zhì)，是神經(jīng)元與靶細(xì)胞之間的化學(xué)信使。由于神經(jīng)遞質(zhì)是神經(jīng)細(xì)胞分泌的,所以這種信號(hào)又稱為神經(jīng)信號(hào)(neuronal signaling)。 依賴于細(xì)胞接觸的信號(hào)傳導(dǎo)通過(guò)細(xì)胞的接觸，包括通過(guò)細(xì)胞粘著分子介導(dǎo)的細(xì)胞間粘著、細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)的粘著、連接子(植物細(xì)胞為胞間連絲)介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)。通過(guò)細(xì)胞接觸進(jìn)行的通訊中，信號(hào)分子位于細(xì)胞質(zhì)膜上，兩個(gè)細(xì)胞通過(guò)信號(hào)分子的接觸傳遞信息(圖5-4)。圖5-4 通過(guò)分泌的信號(hào)分子通訊與通過(guò)膜結(jié)合的信號(hào)分子通訊的比較5.1.3 受體與信號(hào)的接收 細(xì)胞通訊中，由信號(hào)傳導(dǎo)細(xì)胞送出的信號(hào)分子必須被靶細(xì)胞接收才能觸發(fā)靶細(xì)胞的應(yīng)答，接收信息的分子稱為受體( receptor)，信號(hào)分子則被稱為配體(ligand)。 受體存在的部位 信號(hào)分子識(shí)別并結(jié)合的受體通常位于細(xì)胞質(zhì)膜或細(xì)胞內(nèi)，所以有兩類受體: 表面受體(surface receptor)( 位于細(xì)胞質(zhì)膜上的受體稱為表面受體(surface receptor), 細(xì)胞表面受體主要是識(shí)別周圍環(huán)境中的活性物質(zhì)或被相應(yīng)的信號(hào)分子所識(shí)別, 并與之結(jié)合, 將外部信號(hào)轉(zhuǎn)變成內(nèi)部信號(hào), 以啟動(dòng)一系列反應(yīng)而產(chǎn)生特定的生物效應(yīng)。表面受體多為膜上的功能性糖蛋白, 也有由糖脂組成的, 如霍亂毒素受體、百日咳毒素受體; 有的受體是糖脂和糖蛋白組成的復(fù)合物, 如促甲狀腺素受體。若僅為由一條多肽鏈組成的受體, 稱單體型受體, 若由兩條或兩條以上的多肽鏈組成的則稱聚合型受體。表面受體主要是同大的信號(hào)分子或小的親水性信號(hào)分子作用，傳遞信息)于細(xì)胞質(zhì)膜上的稱為表面受體(surface receptor) 細(xì)胞內(nèi)受體(intracellular receptor) 位于胞質(zhì)溶膠、核基質(zhì)中的受體稱為細(xì)胞內(nèi)受體(intracellular receptor)( 位于胞質(zhì)溶膠、核基質(zhì)中的受體稱為細(xì)胞內(nèi)受體(intracellular receptor)。細(xì)胞內(nèi)受體主要是同脂溶性的小信號(hào)分子相作用。位于胞質(zhì)溶膠中受體要與相應(yīng)的配體結(jié)合后才可進(jìn)入細(xì)胞核。胞內(nèi)受體識(shí)別和結(jié)合的是能夠穿過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜的小的脂溶性的信號(hào)分子,如各種類固醇激素、甲狀腺素、維生素D以及視黃酸。細(xì)胞內(nèi)受體的基本結(jié)構(gòu)都很相似,有極大的同源性。細(xì)胞內(nèi)受體通常有兩個(gè)不同的結(jié)構(gòu)域, 一個(gè)是與DNA結(jié)合的中間結(jié)構(gòu)域, 另一個(gè)是激活基因轉(zhuǎn)錄的N端結(jié)構(gòu)域。此外還有兩個(gè)結(jié)合位點(diǎn),一個(gè)是與脂配體結(jié)合的位點(diǎn),位于C末端,另一個(gè)是與抑制蛋白結(jié)合的位點(diǎn))。 表面受體主要是同大的信號(hào)分子或小的親水性的信號(hào)分子作用，傳遞信息。而細(xì)胞內(nèi)受體主要是同脂溶性的小信號(hào)分子作用(圖5-5)。 圖5-5 細(xì)胞表面受體與細(xì)胞內(nèi)受體 細(xì)胞內(nèi)受體細(xì)胞內(nèi)受體通常有兩個(gè)不同的結(jié)構(gòu)域, 一個(gè)是與DNA結(jié)合的結(jié)構(gòu)域, 另一個(gè)是激活基因轉(zhuǎn)錄的N端結(jié)構(gòu)域。此外有兩個(gè)結(jié)合位點(diǎn),一個(gè)是與配體結(jié)合的位點(diǎn),位于C末端,另一個(gè)是與抑制蛋白結(jié)合的位點(diǎn),在沒(méi)有與配體結(jié)合時(shí),則由抑制蛋白抑制了受體與DNA的結(jié)合,若是有相應(yīng)的配體,則釋放出抑制蛋白(圖5-6)。圖5-6 細(xì)胞內(nèi)受體的結(jié)構(gòu)示意圖細(xì)胞內(nèi)受體在接受脂溶性的信號(hào)分子并與之結(jié)合形成受體-配體復(fù)合物后就成為轉(zhuǎn)錄促進(jìn)因子，作用于特異的基因調(diào)控序列，啟動(dòng)基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)(圖5-7)。圖5-7 糖皮質(zhì)激素受體激活(a) 類固醇激素通過(guò)擴(kuò)散穿過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜;(b)激素分子與胞質(zhì)溶膠中的受體結(jié)合;(c)抑制蛋白與受體脫離，露出與DNA結(jié)合和激活基因轉(zhuǎn)錄的位點(diǎn);(d)被激活的復(fù)合物進(jìn)入細(xì)胞核;(e)與DNA增強(qiáng)子區(qū)結(jié)合;(f)促進(jìn)受激素調(diào)節(jié)的基因轉(zhuǎn)錄。 細(xì)胞表面受體位于細(xì)胞質(zhì)膜上的受體稱為表面受體，主要有三種類型離子通道偶聯(lián)受體(ion-channel linked receptor)、G-蛋白偶聯(lián)受體(G-protein linked receptor)、酶聯(lián)受體(enzyme-linked receptor)(圖5-8)。圖5-8 三種類型的細(xì)胞表面受體(a)離子通道偶聯(lián)受體;(b)G-蛋白偶聯(lián)受體;(c)酶聯(lián)受體。 離子通道偶聯(lián)受體(ino-channel linked receptor)( 具有離子通道作用的細(xì)胞質(zhì)膜受體稱為離子通道受體。這種受體見(jiàn)于可興奮細(xì)胞間的突觸信號(hào)傳導(dǎo)，產(chǎn)生一種電效應(yīng)，如煙堿樣乙酰膽堿受體(nAchR)、-氨基丁酸受體(GABAR)和甘氨酸受體等都是離子通道偶聯(lián)受體。它們多為數(shù)個(gè)亞基組成的寡聚體蛋白, 除有配體結(jié)合位點(diǎn)外, 本身就是離子通道的一部分,并借此將信號(hào)傳遞至細(xì)胞內(nèi)。信號(hào)分子同離子通道受體結(jié)合, 可改變膜的離子通透性)具有離子通道作用的細(xì)胞質(zhì)膜受體稱為離子通道受體， 這種受體見(jiàn)于可興奮細(xì)胞間的突觸信號(hào)傳導(dǎo)，產(chǎn)生一種電效應(yīng)(圖5-9)。圖5-9 離子通道偶聯(lián)受體與信號(hào)傳導(dǎo)動(dòng)作電位到達(dá)突觸末端,引起暫時(shí)性的去極化;去極化作用打開(kāi)了電位門(mén)控鈣離子通道,導(dǎo)致鈣離子進(jìn)入突觸球;Ca2+濃度提高誘導(dǎo)分離的含神經(jīng)遞質(zhì)分泌泡的分泌,釋放神經(jīng)遞質(zhì);Ca2+引起儲(chǔ)存小泡分泌釋放神經(jīng)遞質(zhì);分泌的神經(jīng)遞質(zhì)分子經(jīng)擴(kuò)散到達(dá)突觸后細(xì)胞的表面受體;神經(jīng)遞質(zhì)與受體的結(jié)合,改變受體的性質(zhì);離子通道開(kāi)放,離子得以進(jìn)入突觸后細(xì)胞;突觸后細(xì)胞中產(chǎn)生動(dòng)作電位。煙堿樣乙酰膽堿受體(nicotinic acetylcholine receptor)是研究得比較清楚的離子通道偶聯(lián)受體，它存在于脊椎動(dòng)物骨骼肌細(xì)胞以及某些魚(yú)的放電器官細(xì)胞的質(zhì)膜上，受體與乙酰膽堿結(jié)合，引起Na+通道的開(kāi)放，Na+流入靶細(xì)胞，使得質(zhì)膜去極化并引起細(xì)胞的收縮。如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)分離煙堿樣乙酰膽堿受體并證明煙堿樣乙酰膽堿受體具有通道偶聯(lián)受體的作用? 如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)分離煙堿樣乙酰膽堿受體并證明煙堿樣乙酰膽堿受體證明具有通道偶聯(lián)受體的作用?（答案） 答:煙堿樣乙酰膽堿受體(nicotinic acetylcholine receptor)是研究得比較清楚的離子通道偶聯(lián)受體,它存在于脊椎動(dòng)物骨骼肌細(xì)胞以及某些魚(yú)的放電器官細(xì)胞的質(zhì)膜上；受體與乙酰膽堿結(jié)合,引起Na+通道的開(kāi)放,Na+流入靶細(xì)胞，使得質(zhì)膜去極化并引起細(xì)胞的收縮。分離純化乙酰膽堿受體, 首先要找到一種與該受體結(jié)合的配體, 然后進(jìn)行受體分離。幸運(yùn)的是發(fā)現(xiàn)了一種蛇毒毒素，使得受體的純化成為可能。-銀環(huán)蛇毒素(-bungarotoxin)是一種小分子的蛋白質(zhì)，能夠選擇性地并且?guī)缀跏遣豢赡娴赝阴Ｄ憠A受體結(jié)合。這些毒素能夠阻止乙酰膽堿同受體相互作用，導(dǎo)致呼吸麻痹和死亡。利用放射性標(biāo)記的-銀環(huán)蛇毒素可在顯微鏡下確定組織切片中的乙酰膽堿受體的位置,以及檢查純化的蛋白樣品中是否有受體的存在。利用-銀環(huán)蛇毒素從電鰩屬電輻射魚(yú)的放電器官細(xì)胞質(zhì)膜中分離純化了乙酰膽堿受體。結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)這種受體是由5個(gè)亞基組成的，其中兩個(gè)亞基、一個(gè)亞基、一個(gè)亞基、一個(gè)亞基，最小的亞基上有乙酰膽堿的結(jié)合位點(diǎn)。 分離純化了乙酰膽堿受體，可用人工脂質(zhì)體研究其功能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)將純化的煙堿樣乙酰膽堿受體加到脂質(zhì)體上，Na+的通透性就增加了，由于人工脂質(zhì)體上沒(méi)有其它的蛋白成分，根據(jù)這一實(shí)驗(yàn)推測(cè)煙堿樣乙酰膽堿受體本身就是一種Na+離子通道，也說(shuō)明乙酰膽堿受體是神經(jīng)遞質(zhì)門(mén)控離子通道。通道的開(kāi)啟與關(guān)閉受神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿的調(diào)節(jié)(圖5E-1)。圖5E-1 乙酰膽堿離子通道偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)域功能 G-蛋白偶聯(lián)受體(G-protein linked receptor)( 配體與受體結(jié)合后激活相鄰的G-蛋白, 被激活的G-蛋白又可激活或抑制一種產(chǎn)生特異第二信使的酶或離子通道,引起膜電位的變化。由于這種受體參與的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用要與GTP結(jié)合的調(diào)節(jié)蛋白相偶聯(lián),因此將它稱為G蛋白偶聯(lián)受體。這類受體的種類很多，并在結(jié)構(gòu)上都很相似都是一條多肽鏈，并且有7次螺旋跨膜區(qū)。這種7次跨膜受體蛋白的超家族包括視紫紅質(zhì)(脊椎動(dòng)物眼中的光激活光受體蛋白)以及脊椎動(dòng)物鼻中的嗅覺(jué)受體。G蛋白偶聯(lián)受體是最大的一類細(xì)胞表面受體，它們介導(dǎo)許多細(xì)胞外信號(hào)的傳導(dǎo)，包括 激素、局部介質(zhì)和神經(jīng)遞質(zhì)等。G蛋白偶聯(lián)受體的進(jìn)化地位相當(dāng)原始，不僅存在于親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的真核生物（如酵母）中，即使在細(xì)菌中也存在與G-蛋白偶聯(lián)受體相似的膜蛋白，如細(xì)菌的菌紫紅質(zhì)，它的作用是光驅(qū)動(dòng)的H+-泵。但細(xì)菌中的此類蛋白并不具有G-蛋白偶聯(lián)受體的功能，因?yàn)榧?xì)菌中沒(méi)有G蛋白,推測(cè)其偶聯(lián)系統(tǒng)并不相同)這類受體的種類很多，在結(jié)構(gòu)上都很相似都是一條多肽鏈，并且有7次螺旋跨膜區(qū)(圖5-10)。這種7次跨膜受體蛋白的超家族包括視紫紅質(zhì)(脊椎動(dòng)物眼中的光激活光受體蛋白)，以及脊椎動(dòng)物鼻中的嗅覺(jué)受體。圖5-10 G-蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)每一種G-蛋白偶聯(lián)受體都有7個(gè)螺旋的跨膜區(qū)，信號(hào)分子與受體的細(xì)胞外部分結(jié)合，并引起受體的細(xì)胞內(nèi)部分激活相鄰的G-蛋白。 酶聯(lián)受體(enzyme linked receptor)這種受體蛋白既是受體又是酶，一旦被配體激活即具有酶活性并將信號(hào)放大，又稱催化受體(catalytic receptor)。按照受體的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域是否具有酶活性將此類受體分為兩大類:缺少細(xì)胞內(nèi)催化活性的酶聯(lián)受體和具有細(xì)胞內(nèi)催化活性的酶聯(lián)受體。舉例說(shuō)明什么是缺少細(xì)胞內(nèi)催化活性的酶聯(lián)受體和具有細(xì)胞內(nèi)催化活性的酶聯(lián)受體? 舉例說(shuō)明什么是缺少細(xì)胞內(nèi)催化活性的酶聯(lián)受體和具有細(xì)胞內(nèi)催化活性的受體?（答案） 答: 酶聯(lián)受體的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域常常具有某種酶的活性,故稱為酶聯(lián)受體。但并非所有的酶聯(lián)受體的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域都具有酶活性,所以,根據(jù)受體的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域是否具有酶活性將此類受體分為兩大類:缺少細(xì)胞內(nèi)催化活性的酶聯(lián)受體和具有細(xì)胞內(nèi)催化活性的酶聯(lián)受體。如非酪氨酸激酶受體(nonreceptor tyrosine kinases)就是缺少細(xì)胞內(nèi)催化活性的酶聯(lián)受體,受體與酪氨酸蛋白激酶是分開(kāi)的兩種蛋白,與此類受體結(jié)合的信號(hào)分子有促紅細(xì)胞生成素、干擾素等。此類受體的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域雖然沒(méi)有催化活性,但仍同酶直接相關(guān)。配體與受體結(jié)合,使兩個(gè)受體單體形成二聚體,然后每一個(gè)受體單體結(jié)合一個(gè)酪氨酸蛋白激酶,并將之激活。雖然這種受體本身沒(méi)有酶的結(jié)構(gòu)域,但實(shí)際效果與具有酶結(jié)構(gòu)域的受體是一樣的。細(xì)胞內(nèi)具有催化結(jié)構(gòu)域的酶聯(lián)受體有很多種類型：某些配體與受體結(jié)合激活受體細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域中的鳥(niǎo)苷環(huán)化酶的活性,或是磷酸酶的活性,此類受體通常以單體起作用。如胰島素和生長(zhǎng)因子受體同配體結(jié)合后觸發(fā)蛋白激酶的活性。在多數(shù)情況下,受體與配體結(jié)合后,受體會(huì)形成二聚體,并激發(fā)絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶活性或酪氨酸蛋白激酶的活性。習(xí)慣上將這些受體稱為受體絲氨酸/蘇氨酸激酶(receptor serine /threonine kinase) 和受體酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinase,RTKs)。它們的作用是將受體細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域進(jìn)行自身磷酸化。RTKs的自我磷酸化能夠產(chǎn)生幾個(gè)與細(xì)胞質(zhì)酶結(jié)合的位點(diǎn),從而將這些酶集中到質(zhì)膜旁的底物處,在某些情況下,也能產(chǎn)生第二信使。此外,RTKs能夠磷酸化多種底物蛋白,并改變它們的活性。關(guān)于受體絲氨酸/酪氨酸激酶的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)了解較少。非酪氨酸激酶受體(nonreceptor tyrosine kinases)就是缺少細(xì)胞內(nèi)催化活性的酶聯(lián)受體。雖然這種受體本身沒(méi)有酶的結(jié)構(gòu)域,但實(shí)際效果與具有酶結(jié)構(gòu)域的受體是一樣的(圖5-11)。圖5-11 缺少細(xì)胞內(nèi)酪氨酸激酶的酶聯(lián)受體受體與酪氨酸激酶是分開(kāi)的，配體與受體結(jié)合后，受體形成二聚體，兩個(gè)酪氨酸激酶分別與受體結(jié)合并被激活。細(xì)胞內(nèi)具有催化結(jié)構(gòu)域的酶聯(lián)受體有很多種類型, 包括具有鳥(niǎo)苷環(huán)化酶活性受體和磷酸酶的活性(圖5-12a,b)受體、絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶活性受體或酪氨酸蛋白激酶的活性的受體(圖5-12c,d)。圖5-12 具有細(xì)胞內(nèi)催化結(jié)構(gòu)域的酶聯(lián)受體5.1.4 受體與配體相互作用及研究方法細(xì)胞通過(guò)化學(xué)信息進(jìn)行通訊的能力取決于信號(hào)分子的合成與分泌以及受體與配體的相互識(shí)別和結(jié)合,配體與受體的結(jié)合又與配體與受體的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)相關(guān)聯(lián)。 表面受體超家族(surface receptor superfamilies)( 根據(jù)表面受體進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的方式將受體分為三大類,若根據(jù)表面受體與質(zhì)膜的結(jié)合方式在可分為單次跨膜、7次跨膜和多亞單位跨膜等三個(gè)家族。酶聯(lián)受體,如酪氨酸蛋白激酶受體和鳥(niǎo)苷環(huán)化酶受體等都屬于單次跨膜(single-pass receptor)受體，它們的多肽鏈上只有一個(gè)跨膜的螺旋。第二類是7次跨膜受體(seven-pass receptor)，這類受體的多肽鏈中有7個(gè)跨膜螺旋區(qū)，如腎上腺素受體、多巴胺受體、5-羥色胺受體、促甲狀腺素受體、黃體生成素受體等都是7次跨膜受體,此類受體在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中全部同G蛋白偶聯(lián)。第三類是由多個(gè)亞基共同組裝成的受體(multisubunit receptor)，如前面討論過(guò)的煙堿樣乙酰膽堿受體。受體與膜結(jié)合方式的差異決定著它們參與細(xì)胞通訊方式的不同)根據(jù)表面受體進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的方式將受體分為三大類,若是根據(jù)表面受體與質(zhì)膜的結(jié)合方式則可分為單次跨膜、7次跨膜和多亞單位跨膜等三個(gè)家族(圖5-13)。圖5-13 單次、7次與多亞基跨膜的表面受體 受體與配體相互作用的特點(diǎn)多細(xì)胞生物體中的細(xì)胞,其周圍環(huán)境中常常有多達(dá)幾百種的化學(xué)信號(hào)分子,細(xì)胞如何去識(shí)別?是否一種信號(hào)分子只能作用于一種類型的細(xì)胞?受體與配體如何結(jié)合?這些都是由受體自身的特性決定的。 特異性(specificity) 受體與配體的結(jié)合是高度特異性的反應(yīng)，但不是絕對(duì)的， 有受體交叉(receptor crossover)( 受體與配體的結(jié)合是高度特異的, 但這種特異性不是絕對(duì)的, 如胰島素受體除結(jié)合胰島素外, 還可同胰島素樣生長(zhǎng)因子結(jié)合。糖皮質(zhì)(激)素受體除同糖皮質(zhì)(激)素結(jié)合以外, 還可同其它甾類激素結(jié)合, 反之亦然。這種受體與配體交叉結(jié)合的現(xiàn)象稱為受體交叉)現(xiàn)象 。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)研究受體與配體結(jié)合的特異性請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)研究受體與配體結(jié)合的特異性.（答案） 答:可采用非放射性標(biāo)記的底物同放射性標(biāo)記的配體競(jìng)爭(zhēng)受體的結(jié)合位點(diǎn)的方法。原理是: 如果結(jié)合是特異性的,只有信號(hào)分子能夠同受體結(jié)合,而與信號(hào)分子無(wú)關(guān)的分子則不能同受體結(jié)合。例如,放射性標(biāo)記的胰島素與受體的結(jié)合不會(huì)受胰高血糖素或ACTH(促腎上腺皮質(zhì)激素)的抑制,但是能夠被非放射性標(biāo)記的胰島素或胰島素衍生物所抑制(圖5E-2)。圖5E-2 證明激素與受體結(jié)合特異性的實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中,將放射性標(biāo)記的胰島素與分離的膜一起溫育,同時(shí)加入各種不同濃度的胰高血糖素或ACTH。與胰島素?zé)o關(guān)的激素不會(huì)與放射性標(biāo)記的胰島素競(jìng)爭(zhēng)質(zhì)膜受體。通過(guò)檢測(cè)放射性即可證明。 高親和力(high affinity binding)受體與配體結(jié)合的能力稱為親和力。通過(guò)配體與受體結(jié)合反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)分析可獲得親和力的信息。受體對(duì)其配體的親和力很強(qiáng)， 親和力越強(qiáng)， 受體越容易被占據(jù)。親和力的大小常用受體-配體復(fù)合物的解離常數(shù)(Kd)值來(lái)表示， 通常是10-9 M左右。 飽和性(saturation)由于細(xì)胞含有有限數(shù)量受體分子,提高配體分子的濃度,可使細(xì)胞的受體全部被配體所占據(jù),此時(shí)的受體處于飽和狀態(tài),因?yàn)榧词乖黾优潴w的濃度也不會(huì)增加配體與受體的結(jié)合。由于一個(gè)細(xì)胞或一定組織內(nèi)受體的數(shù)目是有限的, 因此受體與配體的結(jié)合是可以飽和的。 可逆性(reversibility)配體與受體的結(jié)合是通過(guò)非共價(jià)鍵,所以是快速可逆的。 當(dāng)引發(fā)出生物效應(yīng)后, 受體-配體復(fù)合物解離, 受體可以恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài), 并再次使用。受體與配體結(jié)合的可逆性有利于信號(hào)的快速解除,避免受體一直處于激活狀態(tài)。 生理反應(yīng) (physiological response)信號(hào)分子與受體的結(jié)合會(huì)引起適當(dāng)?shù)纳矸磻?yīng)，反應(yīng)的強(qiáng)弱與結(jié)合配體的受體數(shù)量正相關(guān)。如在胰島素與受體的結(jié)合時(shí)，會(huì)激發(fā)葡萄糖向靶細(xì)胞的運(yùn)輸，并且，葡萄糖運(yùn)輸?shù)臄?shù)量隨受體結(jié)合胰島素的數(shù)量增加而增加。 信號(hào)分子與受體相互作用的復(fù)雜性盡管細(xì)胞通過(guò)產(chǎn)生有限的受體來(lái)限制自己對(duì)眾多的細(xì)胞信號(hào)分子作出反應(yīng)，但是信號(hào)分子仍能以相當(dāng)復(fù)雜的方式來(lái)控制細(xì)胞的行為。這種復(fù)雜性分表現(xiàn)在兩個(gè)方面 雖然一種信號(hào)只能同一種受體作用，但能作用于不同的靶細(xì)胞引起多種效應(yīng)如當(dāng)心肌細(xì)胞暴露于神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿時(shí)，它降低了收縮的頻率；但是當(dāng)唾液腺暴露于相同的信號(hào)分子時(shí)，卻能分泌唾液(圖5-14)。圖5-14 相同的信號(hào)分子在不同的靶細(xì)胞中引起不同的應(yīng)答不同類型的細(xì)胞以不同的方式對(duì)神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿作出應(yīng)答。在(a)和(b)中，信號(hào)分子與相同的受體蛋白結(jié)合，但由于細(xì)胞的功能不同，引起不同的反應(yīng)；在(c)中乙酰膽堿作用于不同的受體。 一個(gè)細(xì)胞表面有幾十甚至上千種不同的受體同時(shí)與細(xì)胞外基質(zhì)中的不同信號(hào)分子起作用，這些信號(hào)分子共同作用的影響比任何單個(gè)信號(hào)所起的作用都強(qiáng)得多。所以細(xì)胞必須對(duì)多種信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)綜合。由于不同信號(hào)分子間的不同組合，會(huì)使細(xì)胞產(chǎn)生不同的綜合性反應(yīng)，有些信號(hào)組合起來(lái)可促進(jìn)使細(xì)胞分裂，有些則促使細(xì)胞死亡。 親和標(biāo)記法分離表面受體 親和標(biāo)記(affinity labeling)是常用的分離細(xì)胞表面受體的方法， 其原理是: 將細(xì)胞與超量標(biāo)記的激素(配體)混合，以飽和所有特異受體的激素結(jié)合位點(diǎn)。洗去多余的激素，然后加入能夠與受體和配體結(jié)合的共價(jià)交聯(lián)劑將激素與受體進(jìn)行共價(jià)交聯(lián)(圖5-15)。 圖5-15 親和標(biāo)記胰島素受體大多數(shù)交聯(lián)劑(cross-linking agent)含有兩個(gè)可與蛋白質(zhì)中自由氨基相互作用的基團(tuán)(圖5-16)， 當(dāng)表面受體與配體結(jié)合后，配體和受體上各自的自由氨基的距離靠近到足以被小分子的交聯(lián)劑結(jié)合時(shí)，受體和配體就會(huì)被交聯(lián)在一起。又由于與交聯(lián)劑共價(jià)結(jié)合的配體和受體能夠耐受去垢劑和變性劑的處理，也就是說(shuō)，在有去垢劑和變性劑存在時(shí)，它們依然交聯(lián)在一起，因而可用去垢劑和變性劑溶解細(xì)胞質(zhì)膜，分離膜蛋白通過(guò)電泳進(jìn)行分析。圖5-16 交聯(lián)劑的分子結(jié)構(gòu)及與受體和配體的共價(jià)交聯(lián)5.1.5 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與第二信使信號(hào)分子這把鑰匙一旦打開(kāi)了細(xì)胞表面的受體鎖，細(xì)胞就要作出應(yīng)答。由于細(xì)胞自身就是一個(gè)社會(huì)，有各種不同的結(jié)構(gòu)和功能體系，外來(lái)信號(hào)應(yīng)由何種功能體系應(yīng)答? 這就是所謂的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的通路。 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑有兩個(gè)層次，第一是將外部信號(hào)轉(zhuǎn)換成內(nèi)部信號(hào)途徑， 即信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。第二層次的含義是外部信號(hào)轉(zhuǎn)換成內(nèi)部信號(hào)后從哪個(gè)途徑引起應(yīng)答。 兩種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑: 一種是通過(guò)G蛋白偶聯(lián)方式，即信號(hào)分子同表面受體結(jié)合后激活G蛋白，再由G蛋白激活效應(yīng)物，效應(yīng)物產(chǎn)生細(xì)胞內(nèi)信號(hào);第二種轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑是結(jié)合的配體激活受體的酶活性，然后由激活的酶去激活產(chǎn)生細(xì)胞內(nèi)信號(hào)的效應(yīng)物(圖5-17)。圖5-17 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的兩種途徑途徑：結(jié)合的配體激活G蛋白,然后由G蛋白激活效應(yīng)物產(chǎn)生信號(hào);途徑：結(jié)合配體激活受體的酶活性,然后由激活的受體酶激活產(chǎn)生信號(hào)的效應(yīng)物。 細(xì)胞內(nèi)生化反應(yīng)途徑:當(dāng)外部信號(hào)被轉(zhuǎn)換成內(nèi)部信號(hào)后，在細(xì)胞內(nèi)的傳遞途徑如何? 細(xì)胞內(nèi)各種不同的生化反應(yīng)途徑都是由一系列不同的蛋白和酶組成的，執(zhí)行著不同的生理生化功能。各途徑中上游蛋白對(duì)下游蛋白活性的調(diào)節(jié)(激活或抑制)主要是通過(guò)添加或去除磷酸基團(tuán)，從而改變下游蛋白的構(gòu)型完成的(圖5-18)。所以，構(gòu)成生化反應(yīng)途徑的主要成員是蛋白激酶和磷酸酶，它們能夠引起細(xì)胞活性的快速變化又迅速恢復(fù)。圖5-18 由蛋白激酶和蛋白質(zhì)磷酸酶構(gòu)成的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑 細(xì)胞應(yīng)答與信號(hào)級(jí)聯(lián)放大 細(xì)胞應(yīng)答細(xì)胞對(duì)外部信號(hào)的應(yīng)答通常是綜合性反應(yīng)，包括基因表達(dá)的變化、酶活性的變化、細(xì)胞骨架構(gòu)型的變化、通透性的變化、DNA合成的變化、細(xì)胞死亡程序的變化等(圖5-19)。這些變化并非都是由一種信號(hào)引起的，通常要幾種信號(hào)結(jié)合起來(lái)才能產(chǎn)生較復(fù)雜的反應(yīng)，而且通過(guò)信號(hào)的不同組合產(chǎn)生不同的反應(yīng)。圖5-19 多種細(xì)胞外信號(hào)引起動(dòng)物細(xì)胞的應(yīng)答 細(xì)胞在信號(hào)應(yīng)答中的每一種最終表現(xiàn)都是受體接受了一套相關(guān)的細(xì)胞外信號(hào)并作出綜合應(yīng)答的結(jié)果，圖中所示只是推測(cè)的簡(jiǎn)化模式。 信號(hào)級(jí)聯(lián)放大(signaling cascade)( 從細(xì)胞表面受體接收外部信號(hào)到最后作出綜合性應(yīng)答是一個(gè)將信號(hào)逐步放大的過(guò)程，稱為信號(hào)的級(jí)聯(lián)放大反應(yīng)。組成級(jí)聯(lián)反應(yīng)的各個(gè)成員稱為一個(gè)級(jí)聯(lián)(cascade),主要是由磷酸化和去磷酸化的酶組成。信號(hào)的級(jí)聯(lián)放大作用對(duì)細(xì)胞來(lái)說(shuō)至少有兩個(gè)優(yōu)越性:第一,同一級(jí)聯(lián)中所有具有催化活性的酶受同一分子調(diào)控,如糖原分解級(jí)聯(lián)中有三種酶:依賴于cAMP的蛋白激酶、糖原磷酸化酶激酶和糖原磷酸化酶都是直接或間接受cAMP調(diào)控的。第二:通過(guò)級(jí)聯(lián)放大作用,使引起同一級(jí)聯(lián)反應(yīng)的信號(hào)得到最大限度的放大。如10-10M的腎上腺素能夠通過(guò)對(duì)糖原分解的刺激將血液中的葡萄糖水平提高50%。在腎上腺素的刺激下,細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生10-6M的cAMP(圖5M-1)。圖M5-1 腎上腺素在細(xì)胞內(nèi)的級(jí)聯(lián)放大作用級(jí)聯(lián)反應(yīng)除了具有將信號(hào)放大,使原始信號(hào)變得更強(qiáng)、更具激發(fā)作用，引起細(xì)胞的強(qiáng)烈反應(yīng)外,級(jí)聯(lián)反應(yīng)還有其他一些作用: 信號(hào)轉(zhuǎn)移,即將原始信號(hào)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞的其他部位;信號(hào)轉(zhuǎn)化,即將信號(hào)轉(zhuǎn)化成能夠激發(fā)細(xì)胞應(yīng)答的分子,如級(jí)聯(lián)中的酶的磷酸化;信號(hào)的分支,即將信號(hào)分開(kāi)為幾種平行的信號(hào),影響多種生化途徑,引起更大的反應(yīng);級(jí)聯(lián)途中的各個(gè)步驟都有可能受到一些因子的調(diào)節(jié),因此級(jí)聯(lián)反應(yīng)的最終效應(yīng)還是由細(xì)胞內(nèi)外的條件來(lái)決定)從細(xì)胞表面受體接收外部信號(hào)到最后作出綜合性應(yīng)答,不僅是一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程,更重要的是將信號(hào)進(jìn)行逐步放大的過(guò)程(圖5-20)。圖5-20 細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)級(jí)聯(lián)放大作用細(xì)胞表面受體蛋白將細(xì)胞外信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞內(nèi)信號(hào)，經(jīng)信號(hào)級(jí)聯(lián)放大、分散和調(diào)節(jié)產(chǎn)生綜合性的細(xì)胞應(yīng)答。 第二信使(second messengers)( 細(xì)胞表面受體接受細(xì)胞外信號(hào)后轉(zhuǎn)換而來(lái)的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)稱為第二信使,而將細(xì)胞外的信號(hào)稱為第一信使(first messengers)。第二信使至少有兩個(gè)基本特性: 是第一信使同其膜受體結(jié)合后最早在細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)或胞漿中出現(xiàn)、僅在細(xì)胞內(nèi)部起作用的信號(hào)分子；能啟動(dòng)或調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)稍晚出現(xiàn)的反應(yīng)信號(hào)應(yīng)答。第二信使都是小的分子或離子。細(xì)胞內(nèi)有五種最重要的第二信使:cAMP、cGMP、1,2-二酰甘油(diacylglycerol,DAG)、1,4,5-三磷酸肌醇(inosositol 1,4,5-trisphosphate,IP3)、Ca2+ 等。第二信使在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起重要作用，它們能夠激活級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中酶的活性,以及非酶蛋白的活性。第二信使在細(xì)胞內(nèi)的濃度受第一信使的調(diào)節(jié),它可以瞬間升高、且能快速降低,并由此調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)代謝系統(tǒng)的酶活性,控制細(xì)胞的生命活動(dòng),包括:葡萄糖的攝取和利用、脂肪的儲(chǔ)存和移動(dòng)以及細(xì)胞產(chǎn)物的分泌。第二信使也控制著細(xì)胞的增殖、分化和生存,并參與基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)) 由細(xì)胞表面受體接受信號(hào)后轉(zhuǎn)換而來(lái)的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)稱為第二信使(圖5-21)。圖5-21 第二信使的產(chǎn)生及作用 細(xì)胞內(nèi)有五種最重要的第二信使:cAMP、cGMP、1，2-二酰甘油(diacylglycerol，DAG)、1，4，5-三磷酸肌醇(inosositol 1，4，5-trisphosphate，IP3)、Ca2+ 等(圖5-22)。圖5-22 細(xì)胞內(nèi)五種第二信使的結(jié)構(gòu)5.2 G蛋白偶聯(lián)受體及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)胞質(zhì)膜上最多，也是最重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)是由G-蛋白介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。這種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)有兩個(gè)重要的特點(diǎn):系統(tǒng)由三個(gè)部分組成:7次跨膜的受體、G蛋白和效應(yīng)物(酶); 產(chǎn)生第二信使。5.2.1 G蛋白的結(jié)構(gòu)與功能G蛋白，即GTP結(jié)合蛋白(GTP binding protein)，參與細(xì)胞的多種生命活動(dòng),如細(xì)胞通訊、核糖體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的結(jié)合、小泡運(yùn)輸、微管組裝、蛋白質(zhì)合成等。 異源三體G蛋白(heterotrimeric G protein)的結(jié)構(gòu)組成G蛋白偶聯(lián)系統(tǒng)中的G蛋白是由三個(gè)不同亞基組成的異源三體,三個(gè)亞基分別是、, 總相對(duì)分子質(zhì)量在100kDa左右。G蛋白有多種調(diào)節(jié)功能, 包括Gs和Gi對(duì)腺苷酸環(huán)化酶的激活和抑制、對(duì)cGMP磷酸二酯酶的活性調(diào)節(jié)、對(duì)磷酯酶C的調(diào)節(jié)、對(duì)細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的調(diào)節(jié)等， 此外還參與門(mén)控離子通道的調(diào)節(jié)(表5-2)。表5-2 某些G蛋白的功能效應(yīng)物G蛋白作用腺苷酸環(huán)化酶Gs激活酶活性Gi抑制酶活性K+離子通道Gi打開(kāi)離子通道磷脂酶CGp激活酶活性cGMP磷酸二脂酶Gt激活酶活性 G蛋白循環(huán)(G protein cycle)在G蛋白偶聯(lián)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)中， G蛋白能夠以兩種不同的狀態(tài)結(jié)合在細(xì)胞質(zhì)膜上。一種是靜息狀態(tài)，即三體狀態(tài); 另一種是活性狀態(tài)， G蛋白由非活性狀態(tài)轉(zhuǎn)變成活性狀態(tài)，爾后又恢復(fù)到非活性狀態(tài)的過(guò)程稱為G蛋白循環(huán)(G protein cycle，圖5-23)。G蛋白的這種活性轉(zhuǎn)變與三種蛋白相關(guān)聯(lián): GTPase激活蛋白(GTPase-activating protein，GAPs) 鳥(niǎo)苷交換因子(guanine nucleotide-exchange factors，GEFs) 鳥(niǎo)苷解離抑制蛋白(guanine nucleotide-dissociation inhibitors，GDIs) 圖5-23 G蛋白循環(huán)G蛋白與GDP結(jié)合時(shí)是非活性狀態(tài)，如果無(wú)活性的G蛋白與GDI結(jié)合，則處于被抑制狀態(tài)(無(wú)活性)，如果G蛋白與GEF相互作用，將GDP換成了GTP，G蛋白則被激活，可啟動(dòng)下游反應(yīng)。處于活性狀態(tài)的G蛋白與GTPase激活蛋白(GAP)相互作用，會(huì)激活GTPase，使GTP水解成GDP， 此時(shí)的G蛋白又恢復(fù)到無(wú)活性狀態(tài)。什么是G蛋白循環(huán)(G protein cycle)? 與哪些蛋白相關(guān)? 什么是G蛋白循環(huán)(G protein cycle)? 與哪些蛋白相關(guān)?（答案） 答: G蛋白能夠以兩種不同的狀態(tài)結(jié)合在細(xì)胞質(zhì)膜上。一種是靜息狀態(tài)，即三體狀態(tài)，此時(shí)的亞基上結(jié)合的是GDP；另一種是活性狀態(tài)，此時(shí)的亞基上結(jié)合的是GTP，并且亞基已與G亞基分開(kāi)，而同某一特異蛋白結(jié)合在一起，引起信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。如果GTP被水解成GDP， 則G蛋白又恢復(fù)成三體的靜息狀態(tài)，因?yàn)榇藭r(shí)在亞基上結(jié)合的是GDP而非GTP。G蛋白由非活性狀態(tài)轉(zhuǎn)變成活性狀態(tài)，爾后又恢復(fù)到非活性狀態(tài)的過(guò)程稱為G蛋白循環(huán)。G蛋白的這種活性轉(zhuǎn)變與三種蛋白相關(guān)聯(lián):GTPase激活蛋白(GTPase-activating protein，GAPs) 大多數(shù)G蛋白具有催化所結(jié)合的GTP水解的能力，但是這種能力在與GAPs相互作用時(shí)會(huì)大大提高，由于GAPs的作用加速了GTP的水解， 因而GAPs能夠縮短G蛋白介導(dǎo)應(yīng)答的時(shí)間。鳥(niǎo)苷交換因子(guanine nucleotide-exchange factors，GEFs) 與失活G蛋白結(jié)合的GDP被GTP替換后，G蛋白就會(huì)轉(zhuǎn)變成活性狀態(tài)。GEFs是促進(jìn)GDP從G蛋白上解離的蛋白因子，一旦GDP被釋放，G蛋白很快就會(huì)與GTP結(jié)合，因?yàn)榧?xì)胞中的GTP的濃度很高，所以GEFs能夠激活G蛋白。鳥(niǎo)苷解離抑制蛋白(guanine nucleotide-dissociation inhibitors，GDIs) GDIs的作用是抑制結(jié)合的GDP從G蛋白釋放出來(lái)， 所以GDIs可保持G蛋白處于非活性狀態(tài)。 G蛋白的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用在G蛋白偶聯(lián)受體的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中G蛋白起重要作用， 它能夠?qū)⑹荏w接受的信號(hào)傳遞給效應(yīng)物， 產(chǎn)生第二信使，進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)， 某些G蛋白可直接控制離子通道的通透性(圖(圖5-24)。一個(gè)典型的例子是通過(guò)神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿調(diào)節(jié)心肌收縮。圖5-24 G蛋白偶聯(lián)受體能夠激活心肌質(zhì)膜的K+離子通道打開(kāi)(a)神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿與心肌細(xì)胞的膜受體結(jié)合，使得G蛋白的亞基與、亞基分開(kāi);(b)激活的、亞基復(fù)合物同K+離子通道結(jié)合并將K+離子通道打開(kāi);(c)亞基中的GTP水解，導(dǎo)致亞基與、亞基重新結(jié)合，使G蛋白處于非活性狀態(tài)，使K+離子通道關(guān)閉。5.2.2 PKA系統(tǒng)(protein kinase A system， PKA)( 是G蛋白偶聯(lián)系統(tǒng)的一種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。信號(hào)分子作用于膜受體后，通過(guò)G蛋白激活腺苷酸環(huán)化酶, 產(chǎn)生第二信使cAMP后,激活蛋白激酶A進(jìn)行信號(hào)的放大。故將此途徑稱為PKA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)。如胰高血糖素和腎上腺素都是很小的水溶性的胺,它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上沒(méi)有相同之處,并作用于不同的膜受體, 但都能通過(guò)G蛋白激活腺苷酸環(huán)化酶, 最后通過(guò)蛋白激酶A進(jìn)行信號(hào)放大)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)理該系統(tǒng)的信號(hào)分子作用于膜受體后，激活G蛋白偶聯(lián)系統(tǒng)，產(chǎn)生cAMP后，激活蛋白激酶A進(jìn)行信號(hào)的放大， 故將此途徑稱為PKA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)。 系統(tǒng)組成G蛋白偶聯(lián)系統(tǒng)由三部分組成:表面受體、G蛋白和效應(yīng)物(圖5-25),由于這三種復(fù)合物都是結(jié)合在膜上,故此將它們稱為膜結(jié)合機(jī)器(membrane-bound machinery)。圖5-25 G蛋白偶聯(lián)系統(tǒng)的組成:膜結(jié)合機(jī)器 受體 G蛋白偶聯(lián)受體都是7次跨膜的膜整合蛋白，包括腎上腺素(型)受體、胰高血糖素受體、促甲狀腺素受體、后葉加壓素受體、促黃體生長(zhǎng)素受體、促卵泡激素受體等。 G蛋白 效應(yīng)物(effector) 所謂效應(yīng)物是指直接產(chǎn)生效應(yīng)的物質(zhì),通常是酶,如腺苷酸環(huán)化酶、磷酸脂酶等,它們是信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的催化單位(表5-3)。表5-3 異質(zhì)G蛋白介導(dǎo)的生理效應(yīng)配體受體效應(yīng)物生理效應(yīng)腎上腺素-腎上腺受體腺苷酸環(huán)化酶糖原水解血清緊張素血清緊張素受體腺苷酸環(huán)化酶行為敏感好學(xué)光視紫紅質(zhì)cGMP磷酸二酯酶視覺(jué)興奮IgE抗原復(fù)合物肥大細(xì)胞Ig-受體磷脂酶C 分泌f-Met肽趨化受體磷脂酶C趨化性乙酰膽堿毒蠅堿受體K+通道降低起搏活性 第二信使:cAMP 腺苷酸環(huán)化酶(adenylate cyclase， AC)腺苷酸環(huán)化酶是膜整合蛋白，能夠?qū)TP轉(zhuǎn)變成cAMP(圖5-26)，引起細(xì)胞的信號(hào)應(yīng)答，故此，AC是G蛋白偶聯(lián)系統(tǒng)中的效應(yīng)物。圖5-26 腺苷酸環(huán)化酶催化ATP生成cAMPcAMP是如何被發(fā)現(xiàn)的?科學(xué)家如何證明腺苷酸環(huán)化酶在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用? cAMP是如何發(fā)現(xiàn)的?科學(xué)家是如何證明腺苷酸環(huán)化酶在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用?（答案） 播放動(dòng)畫(huà) 答: 1957年Earl Sutherland 及其同事們?cè)谘芯抗犯谓M織中糖原是如何斷裂時(shí)發(fā)現(xiàn)了cAMP，這是代謝研究的一個(gè)重要里程碑。Sutherland 和他的同事們利用離體系統(tǒng)研究激素的生理反應(yīng),經(jīng)過(guò)多次努力后,他們發(fā)現(xiàn)胰高血糖素或腎上腺素與細(xì)胞一起溫育能夠激活磷酸化酶。破碎細(xì)胞并經(jīng)離心分離后,分別收集顆粒和溶液,發(fā)現(xiàn)磷酸化酶只存在于上清液中；但是,如果要對(duì)激素作出應(yīng)答,顆粒是必不可少的。后來(lái)的實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)激素的應(yīng)答至少涉及兩個(gè)不同的過(guò)程。如果分離肝的勻漿液中的顆粒部分,并將分離的顆粒與激素一起溫育,然后將與激素溫育過(guò)的顆粒添加到上清液中,發(fā)現(xiàn)有某種物質(zhì)的產(chǎn)生,這種物質(zhì)能夠激活磷酸化酶。Sutherland 鑒定了從膜顆粒中釋放出的物質(zhì)是一種小分子的環(huán)狀單磷酸腺苷,即cAMP。由于cAMP是激素作用膜受體后釋放出來(lái)的,并且能激活磷酸化酶的活性,所以cAMP被稱為第二信使。雖然cAMP是第一信使作用于膜顆粒后產(chǎn)生的第二信使,至于cAMP是如何產(chǎn)生的卻有幾種推測(cè)。最簡(jiǎn)單的推測(cè)是與激素結(jié)合的受體本身就有催化ATP生成cAMP的能力,即cAMP是受體催化的。如此解釋,就同G蛋白和腺苷酸酸環(huán)化酶毫無(wú)關(guān)系了。 為了證明cAMP的產(chǎn)生與第一信使及G蛋白偶聯(lián)受體膜機(jī)器的三個(gè)成員密切相關(guān),科學(xué)家們進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)獲得了證據(jù)，證明它們是獨(dú)立的三個(gè)成員，共同完成信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。Joseph Orly 和Micheal Schramm通過(guò)細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)首先證明了受體與腺苷酸環(huán)化酶是不同的兩種蛋白。用于融合實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)細(xì)胞中一個(gè)是帶有腎上腺激素受體但缺少腺苷酸環(huán)化酶的紅細(xì)胞，另一個(gè)是帶有腺苷酸環(huán)化酶但缺少腎上腺激素受體的腫瘤細(xì)胞。細(xì)胞融合以后，加入腎上腺激素能夠產(chǎn)生cAMP，而在未融合的細(xì)胞中加入腎上腺激素則不會(huì)有cAMP的產(chǎn)生(圖5E-3)。雖然證明了激素受體和腺苷酸環(huán)化酶是兩個(gè)獨(dú)立的成員，但是，同受體結(jié)合的激素又是如何激活腺苷酸環(huán)化酶? 最早是通過(guò)一種稱為cyc突變的腫瘤細(xì)胞系發(fā)現(xiàn)GTP能夠增強(qiáng)激素對(duì)腺苷酸環(huán)化酶的激發(fā)作用。這種突變細(xì)胞具有正常的腺苷酸環(huán)化酶和腎上腺激素受體，但是用腎上腺素處理不能促進(jìn)cAMP的生成。如果在該細(xì)胞培養(yǎng)基中加入從正常細(xì)胞分離的G蛋白,就能夠恢復(fù)對(duì)cAMP合成的激發(fā)作用。由于這種G蛋白能促進(jìn)(stimulating) cAMP的合成，故稱之稱為Gs。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人信服地證明該系統(tǒng)中三個(gè)成員的存在和各自獨(dú)立的作用。 圖5E-3 證明腎上腺素受體與腺苷酸環(huán)化酶是兩個(gè)不同蛋白的細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)很多不同類型的細(xì)胞都是通過(guò)cAMP濃度的變化引起細(xì)胞的應(yīng)答(表5-4)，在無(wú)脊椎動(dòng)物中cAMP也可作為第二信使起作用。表5-4 某些通過(guò)cAMP介導(dǎo)的激素應(yīng)答實(shí)例組織激素應(yīng)答肝腎上腺素和胰高血糖素糖原水解，葡萄糖合成(糖異生)， 糖原合成的抑制骨骼肌腎上腺素糖原分解，糖原合成的抑制 心肌腎上腺素加快收縮脂肪腎上腺素，ACTH， 胰高血糖素三酰甘油降解腎加壓素(ADH)提高表皮細(xì)胞對(duì)水的通透性甲狀腺TSH甲狀腺激素分泌腎上腺ACTH增強(qiáng)糖皮質(zhì)激素的分泌骨甲狀旁腺素甲狀旁腺素卵巢LH增強(qiáng)膽固醇激素的分泌 G蛋白偶聯(lián)受體跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)理在G蛋白偶聯(lián)系統(tǒng)中，G蛋白的作用主要是將信號(hào)從受體傳遞給效應(yīng)物，它包括了三個(gè)主要的激發(fā)過(guò)程(圖5-27):圖5-27 G蛋白和cAMP在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用胰高血糖素和腎上腺素是如何引起靶細(xì)胞中cAMP的濃度升高的? 胰高血糖素和腎上腺素是如何使靶細(xì)胞中的cAMP的濃度升高的?（答案） 答: 胰高血糖素和腎上腺素作為第一信使作用于靶細(xì)胞的膜受體, 通過(guò)G蛋白偶聯(lián)系統(tǒng)激活腺苷酸環(huán)化酶,將ATP生成cAMP, 主要過(guò)程包括:G蛋白被受體激活 當(dāng)配體與受體結(jié)合時(shí),引起受體構(gòu)型的改變,從而提高與G蛋白的結(jié)合親和力,這也是細(xì)胞信號(hào)分子的惟一功能。結(jié)合有配體的受體在細(xì)胞質(zhì)膜的內(nèi)側(cè)面與G蛋白結(jié)合,形成受體-G蛋白復(fù)合物。與受體結(jié)合的G蛋白亞基釋放出GDP,并與GTP結(jié)合,這樣就使G蛋白成為活性狀態(tài)。G蛋白將信號(hào)向效應(yīng)物轉(zhuǎn)移 GTP取代GDP改變了G蛋白亞基的構(gòu)型,使得它與G蛋白的另外兩個(gè)亞基、分開(kāi),而和兩個(gè)亞基仍以G復(fù)合物存在。與GTP結(jié)合的G單獨(dú)去激活效應(yīng)物分子（如腺苷酸環(huán)化酶）產(chǎn)生第二信使。只要G-GTP與效應(yīng)物結(jié)合,就會(huì)不斷產(chǎn)生第二信使（圖5Q-1）,而G亞基可以激活下游別的效應(yīng)物,激活更多的信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)途徑。圖5Q-1 G蛋白激活酶并引起細(xì)胞內(nèi)信使分子的合成應(yīng)答的終結(jié) 當(dāng)與G結(jié)合的GTP被水解成GDP時(shí)，信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)就會(huì)終止。因此， GTP水解的速率在某種程度上決定著信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的強(qiáng)度和時(shí)間的長(zhǎng)短。G亞基具有較弱的GTPase的活性，能夠緩慢地水解GTP，進(jìn)行自我失活。失活可通過(guò)與GAP的作用而加速。一旦GTP水解成GDP， G-GDP能夠重新與G復(fù)合物恢復(fù)結(jié)合，形成非活性的三體復(fù)合物。 G蛋白被受體激活 G蛋白將信號(hào)向效應(yīng)物轉(zhuǎn)移 應(yīng)答的終結(jié) 當(dāng)與G結(jié)合的GTP被水解成GDP時(shí)，信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)就會(huì)終止。因此， GTP水解的速率在某種程度上決定著信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的強(qiáng)度和時(shí)間的長(zhǎng)短。G亞基具有較弱的GTPase的活性，能夠緩慢地水解GTP，進(jìn)行自我失活.失活可通過(guò)與GAP的作用而加速。一旦GTP水解成GDP， G-GDP能夠重新與G復(fù)合物恢復(fù)結(jié)合，形成非活性的三體復(fù)合物。 激活型和抑制型cAMP信號(hào)途徑 組成和作用效