高中生物競(jìng)賽課件：G蛋白偶聯(lián)受體及其介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

G蛋白偶聯(lián)受體及其介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)一、G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)與作用機(jī)制1.G蛋白的結(jié)構(gòu)2.G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)3.G蛋白偶聯(lián)受體的激活與調(diào)控二、G蛋白偶聯(lián)受體所介導(dǎo)的細(xì)胞信號(hào)通路

G蛋白偶聯(lián)受體(GPCR)是細(xì)胞表面受體中最大的多樣性家族，據(jù)統(tǒng)計(jì)超過30%的臨床處方藥物是針對(duì)GPCR所介導(dǎo)信號(hào)通路為靶點(diǎn)研制和開發(fā)的一、G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)與作用機(jī)制1.G蛋白的結(jié)構(gòu)G蛋白是三聚體GTP結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白(trimericGTP-bindingregulatoryprotein)的簡(jiǎn)稱，位于質(zhì)膜內(nèi)胞漿一側(cè)，由Gα、Gβ、Gγ三個(gè)亞基組成，β和γ亞基以異二聚體形式存在，α和βγ亞基分別通過共價(jià)結(jié)合的脂分子錨定在質(zhì)膜上一、G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)與作用機(jī)制1.G蛋白的結(jié)構(gòu)Gα亞基本身具有GTPase活性，是分子開關(guān)蛋白

配體與受體結(jié)合，三聚體G蛋白解離，發(fā)生GDP-GTP交換，Gα-GTP處于活化狀態(tài)，激活效應(yīng)器蛋白，傳遞信號(hào)，Gα-GTP水解為Gα-GDP時(shí)，處于失活關(guān)閉的狀態(tài)，終止信號(hào)傳遞，三聚體G蛋白重新裝配“fortheirdiscoveriesofG-proteinsandtheroleoftheseproteinsinsignaltransductionincells”TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1994一、G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)與作用機(jī)制1.G蛋白的結(jié)構(gòu)一、G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)與作用機(jī)制2.G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)7次跨膜α螺旋結(jié)構(gòu)(疏水肽段)，N-端在細(xì)胞外側(cè)，C-端在細(xì)胞胞質(zhì)側(cè)一、G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)與作用機(jī)制2.G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)一、G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)與作用機(jī)制G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路具有共同元件1、GPCR的7次跨膜α螺旋2、三聚體G蛋白3、與質(zhì)膜結(jié)合的效應(yīng)器蛋白離子通道：Gβγ激活K+通道腺苷酸環(huán)化酶?

改變cAMP濃度磷脂酶C(PLC)?

產(chǎn)生IP3和DAGGα類型結(jié)合的效應(yīng)器第二信使受體舉例Gsα腺苷酸環(huán)化酶cAMP(升高)β腎上腺素受體，胰高血糖素受體，血中復(fù)合胺受體，后葉加壓素受體Giα

腺苷酸環(huán)化酶

cAMP(降低）α1腎上腺素受體

K+通道(Gβγ激活效應(yīng)器)膜電位改變M乙酰膽堿受體Golfα腺苷酸環(huán)化酶cAMP(升高)嗅覺受體（鼻腔）Gqα磷脂酶CIP3,DAG(升高)α2腎上腺素受體Goα磷脂酶CIP3,DAG(升高)乙酰膽堿受體(內(nèi)皮細(xì)胞）GtαcGMP磷酸二酯酶cGMP(降低）視桿細(xì)胞中視紫紅質(zhì)(光受體)三聚體G蛋白的主要種類及其效應(yīng)器一、G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)與作用機(jī)制G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路具有共同元件1、GPCR的7次跨膜α螺旋2、三聚體G蛋白3、與質(zhì)膜結(jié)合的效應(yīng)器蛋白離子通道：Gβγ激活K+通道腺苷酸環(huán)化酶?

改變cAMP濃度磷脂酶C(PLC)?

產(chǎn)生IP3和DAG4、參與反饋調(diào)節(jié)或?qū)е率荏w脫敏的蛋白

解除與終止信號(hào)的重要方式是在信號(hào)濃度過高或細(xì)胞長(zhǎng)時(shí)間暴露于某一種信號(hào)刺激的情況下，細(xì)胞以不同的機(jī)制使受體脫敏，這種現(xiàn)象又稱適應(yīng)，是一種負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制一、G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)與作用機(jī)制3.G蛋白偶聯(lián)受體的激活與調(diào)控第二節(jié)G蛋白偶聯(lián)受體及其介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)一、G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)與作用機(jī)制1.G蛋白的結(jié)構(gòu)2.G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)3.G蛋白偶聯(lián)受體的激活與調(diào)控二、G蛋白偶聯(lián)受體所介導(dǎo)的細(xì)胞信號(hào)通路

G蛋白偶聯(lián)受體(GPCR)是細(xì)胞表面受體中最大的多樣性家族，據(jù)統(tǒng)計(jì)超過30%的臨床處方藥物是針對(duì)GPCR所介導(dǎo)信號(hào)通路為靶點(diǎn)研制和開發(fā)的二、G蛋白偶聯(lián)受體所介導(dǎo)的細(xì)胞信號(hào)通路（一）激活離子通道的G蛋白偶聯(lián)受體所介導(dǎo)的信號(hào)通路（二）激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶的G蛋白偶聯(lián)受體（三）激活磷脂酶C和以IP3和DAG作為雙信使的G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)通路(一)激活離子通道的G蛋白偶聯(lián)受體所介導(dǎo)的信號(hào)通路1.心肌細(xì)胞上M型乙酰膽堿受體激活G蛋白開啟K+通道心肌細(xì)胞上M型乙酰膽堿受體激活Gi蛋白，開啟K+通道，導(dǎo)致細(xì)胞膜超極化，減緩心肌細(xì)胞的收縮頻率2.激活Gt蛋白偶聯(lián)的光敏感受體誘發(fā)cGMP門控陽離子通道的關(guān)閉Gt：傳導(dǎo)素；PDE：磷酸二酯酶

7次跨膜蛋白視紫紅質(zhì)：視蛋白+視黃醛光信號(hào)→Gt活化→cGMP磷酸二酯酶激活→胞內(nèi)cGMP減少→非選擇性陽離子通道關(guān)閉→離子濃度下降→膜超極化→神經(jīng)遞質(zhì)釋放減少→視覺反應(yīng)二、G蛋白偶聯(lián)受體所介導(dǎo)的細(xì)胞信號(hào)通路（一）激活離子通道的G蛋白偶聯(lián)受體所介導(dǎo)的信號(hào)通路（二）激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶的G蛋白偶聯(lián)受體（三）激活磷脂酶C和以IP3和DAG作為雙信使的G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)通路(二)激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶的G蛋白偶聯(lián)受體調(diào)控系統(tǒng)主要涉及5種蛋白組分:①刺激型激素的受體(receptorforsitimulatoryhormone,

Rs)②刺激型G蛋白(sitimulatoryG-proteinscomplex,

Gs)③抑制型激素的受體(receptarforinhibitoryhormone,

Ri)④抑制型G蛋白(inhibitoryG-proteinscomplex,

Gi)⑤腺苷酸環(huán)化酶(adenylylcyclase,

AC)(二)激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶的G蛋白偶聯(lián)受體腺苷酸環(huán)化酶(AC)和環(huán)腺苷酸磷酸二酯酶(PDE)腺苷酸環(huán)化酶(AC)：跨膜12次,在Mg2+或Mn2+存在下，催化ATP生成cAMP環(huán)腺苷酸磷酸二酯酶(PDE)：可降解cAMP生成5′-AMP，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)cAMP水平下降(二)激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶的G蛋白偶聯(lián)受體蛋白激酶A(proteinkinaseA,PKA)PKA含2個(gè)調(diào)節(jié)亞基(regulatorysubunit,R)和2個(gè)催化亞基(catalyticsubunit,C)，每個(gè)R亞基上有2個(gè)cAMP結(jié)合位點(diǎn)cAMP與調(diào)節(jié)亞基結(jié)合，使R和C解離，釋放出C，激活PKAPKA是絲氨酸/蘇氨酸激酶(二)激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶的G蛋白偶聯(lián)受體1、cAMP-PKA信號(hào)通路對(duì)肝細(xì)胞和肌細(xì)胞糖原代謝的調(diào)節(jié)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激酶糖原合酶1-磷酸葡糖快反應(yīng)(二)激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶的G蛋白偶聯(lián)受體2、cAMP-PKA信號(hào)通路對(duì)真核細(xì)胞基因表達(dá)的調(diào)控激素→G蛋白偶聯(lián)受體→G蛋白→腺苷酸環(huán)化酶→cAMP→cAMP依賴的蛋白激酶A→基因調(diào)控蛋白(CREB)→基因轉(zhuǎn)錄CBP：CREB結(jié)合蛋白CRE：cAMP-相應(yīng)元件慢反應(yīng)(二)激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶的G蛋白偶聯(lián)受體不同信號(hào)通過相似機(jī)制引發(fā)不同細(xì)胞反應(yīng)的原因G蛋白偶聯(lián)受體的特異性對(duì)特定配體，受體可以不同異構(gòu)體存在，并對(duì)該配體和特定G蛋白有不同親和性人類基因組至少編碼21種Gα亞基，6種Gβ亞基和12種Gγ亞基，9種不同腺苷酸環(huán)化酶?組合多樣性+不同效應(yīng)蛋白腎上腺素受體有9種不同異構(gòu)體；5-羥色胺受體有15種不同異構(gòu)體(二)激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶的G蛋白偶聯(lián)受體受體功能下調(diào)機(jī)制：Gsα伴隨釋放GTP而結(jié)合GDP時(shí)，受體對(duì)相應(yīng)配體的親和性下降Gsα與腺苷酸環(huán)化酶結(jié)合時(shí)，Gsα潛在的GTP酶活性被激活，使GTP水解為GDPcAMP在磷酸二酯酶的作用下使cAMP水解形成5’-AMP，終止細(xì)胞反應(yīng)(二)激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶的G蛋白偶聯(lián)受體細(xì)菌毒素對(duì)腺苷酸環(huán)化酶的G蛋白偶聯(lián)受體信號(hào)通路的影響后果：患者細(xì)胞內(nèi)Na+和水持續(xù)外流，產(chǎn)生嚴(yán)重腹瀉脫水霍亂毒素(choleratoxin)具有ADP-核糖轉(zhuǎn)移酶活性，催化NAD+上的ADP-核糖轉(zhuǎn)移到Gs蛋白α亞基?Gsα無GTP酶活性?持續(xù)活化?cAMP↑二、G蛋白偶聯(lián)受體所介導(dǎo)的細(xì)胞信號(hào)通路（一）激活離子通道的G蛋白偶聯(lián)受體所介導(dǎo)的信號(hào)通路（二）激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶的G蛋白偶聯(lián)受體（三）激活磷脂酶C和以IP3和DAG作為雙信使的G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)通路（三）激活磷脂酶C和以IP3和DAG作為雙信使的G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)通路磷脂酰肌醇代謝途徑磷脂酰肌醇4-磷酸磷脂酰肌醇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）激活磷脂酶C和以IP3和DAG作為雙信使的G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)通路特點(diǎn)：產(chǎn)生兩個(gè)胞內(nèi)信使，分別激活兩種不同的信號(hào)通路，即IP3/Ca2+和DAG/PKC途徑，又稱“雙信使系統(tǒng)”β異構(gòu)體活化1.IP3-Ca2+信號(hào)通路2.Ca2+-NO-cGMP-活化的蛋白激酶G信號(hào)途徑3.DAG-PKC信號(hào)途徑（三）激活磷脂酶C和以IP3和DAG作為雙信使的G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)通路1、IP3-Ca2+信號(hào)通路IP3與ER膜IP3門控Ca2+通道結(jié)合?通道開啟?Ca2+由ER轉(zhuǎn)移至細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)?胞質(zhì)游離Ca2+濃度↑雷諾丁受體sER上的兩種[Ca2+]通道:(1)IP3門控Ca2+通道;(2)雷諾丁受體(Ryanodinereceptors,RyRs)，主要存在于可興奮細(xì)胞(心肌細(xì)胞)中

咖啡因的作用之一就是降低雷諾丁受體對(duì)Ca2+的敏感性閾值，因而增加這些離子通道被CICR開通的可能性，使細(xì)胞更容易興奮Calcium-inducedcalciumrelease(CICR)1、IP3-Ca2+信號(hào)通路特點(diǎn)IP3具有效應(yīng)特異性IP3介導(dǎo)的Ca2+水平升高是瞬時(shí)的質(zhì)膜和ER膜上Ca2+泵的啟動(dòng)分別將Ca2+泵出細(xì)胞和泵進(jìn)ER腔胞質(zhì)中的Ca2+對(duì)IP3門控Ca2+通道進(jìn)行雙向調(diào)控Ca2+增加通道的開啟?Ca2+釋放Ca2+增加?通道失活?終止IP3誘導(dǎo)的胞內(nèi)儲(chǔ)存Ca2+的釋放1、IP3-Ca2+信號(hào)通路特點(diǎn)IP3具有效應(yīng)特異性IP3介導(dǎo)的Ca2+水平升高是瞬時(shí)的質(zhì)膜和ER膜上Ca2+泵的啟動(dòng)分別將Ca2+泵出細(xì)胞和泵進(jìn)ER腔胞質(zhì)中的Ca2+對(duì)IP3門控Ca2+通道進(jìn)行雙向調(diào)控Ca2+增加通道的開啟?Ca2+釋放Ca2+增加?通道失活?終止IP3誘導(dǎo)的胞內(nèi)儲(chǔ)存Ca2+的釋放IP3通路受到刺激時(shí)，由細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中Ca2+對(duì)ER膜上的IP3門控Ca2+通道的復(fù)雜調(diào)控會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中Ca2+水平的快速振蕩1、IP3-Ca2+信號(hào)通路

利用與Ca2+特異性結(jié)合的熒光染料(Fura-2/Fluo-3)和激光共聚焦顯微鏡，在活細(xì)胞中觀察和記錄Ca2+濃度的微弱變化，揭示鈣信號(hào)在細(xì)胞中傳遞的機(jī)制Ca2+信號(hào)通路的研究1、IP3-Ca2+信號(hào)通路鈣火花(Ca2+spark)在短短的10ms內(nèi)，細(xì)胞中某一微區(qū)Ca2+探針Fluo-3的熒光強(qiáng)度驟升一倍，隨后又在20ms內(nèi)消失，故稱鈣火花，直徑約2

μm，體積8

fL鈣信號(hào)傳導(dǎo)單元在單個(gè)心肌細(xì)胞中，每次收縮可形成大約104個(gè)鈣火花，在時(shí)間和空間上的疊加形成了細(xì)胞水平的鈣振蕩，驅(qū)動(dòng)心肌細(xì)胞收縮鈣火花的發(fā)生是“擴(kuò)散-反應(yīng)”過程，Ca2+從雷諾丁受體構(gòu)成的發(fā)放源放出，向周圍擴(kuò)散，并通過不同的分子機(jī)制回收或清除，以恢復(fù)細(xì)胞質(zhì)中正常的靜息Ca2+濃度細(xì)胞微區(qū)鈣信號(hào)的存在，豐富了Ca2+編碼生物信息的能力鈣火花的作用：鈣振蕩驅(qū)動(dòng)心肌細(xì)胞收縮、神經(jīng)遞質(zhì)傳遞、激素分泌不同的鈣信號(hào)組合在長(zhǎng)時(shí)程的生物學(xué)過程中調(diào)節(jié)基因表達(dá)、細(xì)胞凋亡、受精作用等鈣火花(Ca2+spark)1、IP3-Ca2+信號(hào)通路1、IP3-Ca2+信號(hào)通路Ca2+不直接作用于靶蛋白，而是通過Ca2+應(yīng)答蛋白間接發(fā)揮作用——鈣調(diào)蛋白(CaM)分子質(zhì)量16.7kDa,148aa，結(jié)合4個(gè)Ca2+本身無活性，與Ca2+結(jié)合的協(xié)調(diào)作用，胞質(zhì)中微小Ca2+的濃度變化可導(dǎo)致活化CaM水平的巨大變化，調(diào)節(jié)靶酶的活性1、IP3-Ca2+信號(hào)通路受鈣調(diào)蛋白(CaM)調(diào)節(jié)的酶酶細(xì)胞功能酶細(xì)胞功能腺苷酸環(huán)化酶合成cAMP磷酸化酶糖原降解鳥苷酸環(huán)化酶合成cGMP肌球蛋白輕鏈激酶平滑肌收縮鈣依賴性磷酸二酯酶水解cAMP和cGMP鈣調(diào)蛋白激酶神經(jīng)遞質(zhì)分泌和再合成，分子記憶Ca2+-ATPCa2+泵鈣依賴性蛋白磷酸酶各種蛋白質(zhì)的去磷酸化NAD激酶合成NADP轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶蛋白質(zhì)交聯(lián)1.IP3-Ca2+信號(hào)通路2.Ca2+-NO-cGMP-活化的蛋白激酶G信號(hào)途徑3.DAG-PKC信號(hào)途徑（三）激活磷脂酶C和以IP3和DAG作為雙信使的G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)通路2、Ca2+-NO-cGMP-活化的蛋白激酶G信號(hào)途徑介導(dǎo)血管平滑肌細(xì)胞的舒張血管神經(jīng)末梢釋放乙酰膽堿作用于血管內(nèi)皮細(xì)胞G蛋白偶聯(lián)受體?激活磷脂酶C?第二信使IP3導(dǎo)致胞質(zhì)Ca2+↑2、Ca2+-NO-cGMP-活化的蛋白激酶G信號(hào)途徑介導(dǎo)血管平滑肌細(xì)胞的舒張Ca2+結(jié)合CaM?刺激NO合酶催化Arg氧化形成瓜氨酸并釋放NO?NO擴(kuò)散進(jìn)入鄰近平滑肌細(xì)胞?激活具有鳥苷酸環(huán)化酶活性的NO受體?刺激生成第二信使cGMP2、Ca2+-NO-cGMP-活化的蛋白激酶G信號(hào)途徑介導(dǎo)血管平滑肌細(xì)胞的舒張cGMP通過cGMP依賴的蛋白激酶G(PKG)的活化，抑制肌動(dòng)-肌球蛋白復(fù)合物信號(hào)通路?血管平滑肌舒張心房鈉尿肽、多肽類激素引發(fā)血管平滑肌收縮具有類似機(jī)制硝酸甘油抗心絞痛"fortheirdiscoveriesconcerningnitricoxideasasignallingmoleculeinthecardiovascularsystem”2、Ca2+-NO-cGMP-活化的蛋白激酶G信號(hào)途徑TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1998（三）激活磷脂酶C和以IP3和DAG作為雙信使的G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)通路1.IP3-Ca2+信號(hào)通路2.