分子药理学讲义.doc

分子药理学受体的概念、特点和分类1、定义：能与药物发生特异性结合并产生效应的特殊生物大分子被称为受体。2、特点：特异性特定的配体与特定的受体结合，特异性常常用亲和力的高低来表示饱和性每个细胞或每一定量组织内受体的数目是一定的可逆性配体与受体的结合应是可逆的，这样才能保证内源性生物活性物质或药物持续发挥作用高亲和力受体与其特异性配体的亲和力应相当于内源性配体的生理浓度，放射配体受体结合实验测出的配体的解离常数KD值一般在nmolL-1水平3、分类u 胞内受体胞内受体包括类固醇类激素、甲状腺激素、维生素D3和维甲酸等受体。胞内受体的信号物质都是脂溶性物质，因此能直接穿过细胞膜的磷脂双分子层，进而与胞核内的受体结合，诱导其发生变构，识别靶基因，调节基因表达，调控细胞的生长、发育和分化。u 膜受体 离子通道型受体：此类受体主要存在于神经突触后膜和肌膜上，可直接操纵离子通道的 开和关。 G蛋白偶联受体：是受体中最为重要的一个受体大家族。这类受体种类很多，目前已发现至少有100多种，且遍布于机体的各个组织器官。多肽生长因子受体：按照结构和功能特点分为酪氨酸蛋白激酶受体、丝/苏氨酸蛋白激酶受体、造血因子受体超家族和TNF受体家族四类。配体与受体作用的若干学说 1933年Clark从定量角度首次提出了受体占领学说，即药物必须占领受体才能发挥效应，药物效应与药物占领受体的数量成正比。1954年Ariens修改了Clark的学说，提出了内在活性的概念，所谓内在活性是指某化合物（药物）的最大效应与同系化合物中最大效应之比。1956年Stephenson发现受体不一定要全部结合才产生最大效应。他将产生最大效应时仍未与药物结合的受体称为空闲受体或“储备受体”。同时指出，可能存在一种能与药物结合但不显现效应的“缄默受体”。1961年，Paton根据一些实验结果提出了药物作用的受体速率学说，即药物的作用主要取决于药物与受体结合的速率以及结合后药物的解离速率而与药物占领的数量无关。Koshland提出了诱导契合学说，即药物与受体蛋白结合时，可诱使受体蛋白的空间构象发生可逆改变，这种变构作用可产生生物效应变构学说：变构学说认为受体存在活性状态（R*）和非活性状态（R），两者均可与药物结合，并且活性R*和非活性R之间可以互相转化。G蛋白偶联受体的主要特征G蛋白偶联受体具有较高的同源性，在结构上有很高的相似性，其相同之处：都是由一条约400600个氨基酸肽链组成形成7个螺旋的跨膜结构，每个疏水的跨膜区段由2025个氨基酸组成，各个区段由胞外亲水性氨基酸组成的环状结构相连。N末端位于细胞外，由不到49个氨基酸组成，含有N糖基化位点；C末端位于细胞内，富含丝氨酸和苏氨酸，可作为磷酸化位点，C末端位于细胞内，富含丝氨酸和苏氨酸，可作为磷酸化位点不同G蛋白偶联受体的7个跨膜螺旋片段的一级结构具有较高的相似性，而N末端、C末端和胞内外的环状结构的氨基酸序列则变异较大。G蛋白在信号转导过程中的调节生物细胞受到外界信号分子刺激后，G蛋白偶联受体与相应的激动剂结合后与G蛋白相互作用，并导致亚基结合的GDP被置换成GTP而呈激活态，同时与二聚体脱离。然后激活的亚基或亚基各自通过作用于相应的效应器如AC、PLC等，产生cAMP、IP3、DG等第二信使物质，从而启动各种细胞内信号传递途径，或者直接调节离子通道的开关或蛋白激酶的活性。G蛋白的亚基（G）不仅对亚基功能起到调节和终止的作用，还可以作为一个功能单位直接参与调节效应器的活性。G可通过激活Ras、MAPK或PI-3K等通路将G蛋白偶联受体和酪氨酸激酶型受体介导的两种跨膜信号系统有机的联系起来，实现信号传导系统之间的cross talk.G蛋白参与的几种信号通路u c AMP信号系统参与受体与腺苷酸环化酶偶联的G蛋白有两种：Gs激活腺苷酸环化酶，使细胞内cAMP浓度升高；Gi抑制腺苷酸环化酶活性，使细胞内cAMP水平下降。cAMP是通过激活cAMP依赖性蛋白激酶（PKA）而产生生物学效应的。PKA能将ATP上的磷酸根转移到其底物蛋白的丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸上，磷酸根所带的高密度电荷可引起蛋白质构象变化，从而调节酶活性、通道开关和受体的敏感性等。PKA是由两个调节亚基和两个催化亚基组成的四聚体，每个调节亚基可结合两分子cAMP。cAMP未与调节亚基结合时，调节亚基与催化亚基紧密结合，使催化亚基的活力受到抑制。cAMP与调节亚基结合后，调节亚基则发生构象变化，与催化亚基解离，使催化亚基激活，进而使底物蛋白磷酸化，最终完成信号向深层次的传递。u cGMP信号系统细胞中cGMP和cAMP在许多生理功能的调节方面表现出拮抗效应，例如cGMP的升高可引起细胞内DNA的合成，促使细胞分裂，而cAMP升高时，可引起细胞分化，抑制细胞分裂。两者这种拮抗作用的机制是否存在尚不清楚。u 肌醇磷脂信号系统多种递质和激素与细胞膜上的受体（G蛋白偶联受体）结合后通过活化膜上磷脂酶C（PLC），水解胞膜上的4，5-二磷酸膦脂酰肌醇（PIP2）产生甘油二酯（DG）和1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）两个信使分子，从而激活“双信使系统”。酪氨酸蛋白激酶（PTK）型受体结构、功能以及在信号转导过程中的调节1、结构和功能除胰岛素受体是由2个亚基和两个亚基组成的四聚体外，该类受体家族成员均由一条肽链组成胞外结构域是由N末端大约500850个氨基酸组成的亲水性配体结合区，该部分氨基酸序列的变化很大，因而决定了不同配体与受体结合的特异性。跨膜结构域是由2025个氨基酸组成的疏水性跨膜区，具有一定的保守性细胞内的结构域约250个氨基酸组成，具有PTK结构及若干自身磷酸化位点PTK结构为受体分子中的高度保守部分，含有ATP结合位点，受体自身磷酸化的Tyr位点多位于C端，是激酶活性最重要的调节位点，受体自身磷酸化对PTK活性多为正调节作用。该类受体还有多个Thr/Ser的磷酸化位点，这些位点是细胞内蛋白激酶C（PKC）或其他丝/苏氨酸蛋白酶的作用底物，通过磷酸化作用，使受体的构象发生变化，降低受体与配体结合的亲和力，并抑制PTK活性。具有酪氨酸蛋白激酶活性2、信号转导PTK与结合后被激活，既能使自身酪氨酸残基磷酸化，也可使底物蛋白的特定酪氨酸残基磷酸化，从而传递生物信号。配体与酪氨酸激酶（PTK）型受体结合触发受体构象发生变化，促使受体在膜上想成二聚体而激活受体胞内区段PTK，进而发生受体单体的相互磷酸化，激活下游信号通路，最终调节基因的转录。Ras信号传导途径细胞因子介导的受体（PTK）二聚化后，激活非受体型的酪氨酸蛋白激酶（JAK2），活化的激酶将受体的酪氨酸残基磷酸化。具有SH2结构的SHC与受体结合后其酪氨酸也被磷酸化，然后Grb2的SH3结构与SOS形成复合物，通过Grb2的SH2结构结合到SHC上（Grb2-SOS复合物也可直接结合到被磷酸化的受体上），随后SOS使RasGDP转化为 RasGTP，活化的Ras蛋白激活Raf-1。一旦Raf-1被激活，它可进一步引起一系列的蛋白磷酸化，先激活MEK，然后MEK再将MAPK调节区的苏氨酸和酪氨酸磷酸化，使MAPK活化，活化的MAPK则从胞浆进核内进一步磷酸化含丝氨酸/苏氨酸残基的底物蛋白，如c-fos、c-myc、c-jun、elk-1等核内转录因子，从而影响基因的转录。NF-B信号传导途径NF-B途径也是一条直接影响基因转录的胞内信号传导途径。NF-B受多种刺激因素激活后，使其从细胞质转位于细胞核，与多种启动子或增强子序列特定位点(B位点)发生特异性结合，促进转录和表达。在胞浆中，NF-B与抑制性蛋白IB结合，呈无活性状态。IB在活化因子作用下被磷酸化，磷酸化能够使NF-B-IB复合物解离，NF-B从复合物中释放出来后，借助于暴露出来的核定位信号转入细胞核，影响基因的转录，而IkB则迅速降解。Ca2+与信号转导1、如何维持Ca2+浓度，来源和去路来源： 胞外钙的内流：通过细胞膜上的钙通道进行的，细胞膜上的钙通道主要有两类：电压依赖性钙通道和受体依赖性钙通道。当细胞受到外界信号（如膜电位变化、激素、神经递质等）刺激后，引起膜上相应钙通道发生构象改变，使其开放，胞外Ca2+内流进入胞浆。胞内钙的释放：胞内贮钙主要贮存在内质网中，钙库分为IP3敏感和IP3不敏感两大类，分别由IP3受体系统和ryanodine系统调控。IP3受体系统：细胞外刺激可经G蛋白偶联受体及酪氨酸激酶受体途径的PLC水解PIP2产生DG和IP3，IP3作用于内质网上的IP3受体使储存在内质网中的Ca2+释放进入胞浆。Ryanodine系统：胞外Ca2+内流及内源性环腺苷二磷酸核糖可作用于内质网上的ryanodine受体，引起非IP3敏感钙库的Ca2+释放，胞浆Ca2+升高形成Ca2+信号，从而引发一系列生理功能。去路Ca2+水平的恢复： 通过细胞膜上的Na+Ca2+交换蛋白和Ca2+Mg2 ATP酶将胞浆游离Ca2+排出体外通过内质网/肌浆网上的ATP依赖钙泵将胞浆中Ca2+快速泵入内质网/肌浆网中 胞浆内有很多能与游离Ca2+结合的蛋白，如钙调蛋白等，借助这些机制的协调作用，胞内Ca2+浓度受到精密的调控。以1、2为主，3微调。2、信号转导Ca2+是重要的细胞内第二信使物质，细胞内很多功能依赖于胞浆中游离Ca2+浓度的变化。Ca2+ 信号系统参与的生理过程和非常广泛激活激酶：Ca2+钙调蛋白复合物是多功能激活因子，可激活细胞内多种Ca2+钙调蛋白依赖性蛋白激酶。Ca2+直接参与某些关键酶的活性调节：Ca2+激活PLC，催化PIP2生成IP3和DG，调节细胞功能 活化PLA2可催化花生四烯酸的形成 在DG的参与下，Ca2+可激活PKC，进一步活化其他功能蛋白 直接调节离子通道：如活化K+、Na+、Cl-、Ca2+或其它非专一性的离子通道。该信号对基因转录的调节：钙对基因转录的调节对细胞的增殖、分化、发育和凋亡起到至关重要的作用。可见，Ca2+浓度变化直接或间接调控多种细胞的生理生化反应。试述细胞内信号传导系统之间普遍存在的Talk-Cross现象及其生物学意义在细胞信号传递过程中，各种信号传导系统之间存在相互交会，相互协调作用，目前用“信息相互交谈”形容个细胞信号系统能够之间的相互协调作用。正是通过信号传导系统间的Talk-Cross，使得各细胞信号系统之间相互联络，共同构成复杂的细胞信息网络，从而精确的调控这细胞的活动。u Gs和Gq偶联受体介导的信号系统的Talk-CrossGs偶联受体激活后可介导激活腺苷酸环化酶，使细胞内第二信使物质cAMP水平升高，从而形成胞内信号，最终产生相应的细胞效应。上述反应是对胞内cAMP水平变化的直接作用。Gq偶联受体激活后通过Gq与PLC使膜内的PIP2水解产生IP3和DG，这两个信使物质也能间接的影响胞内cAMP水平。由此可见，虽然Gs和Gq偶联受体介导着两条不同的信号转导体系，的年他们相互间可通过一些特殊的生物学语言（如信使物质之间的相互作用）进行Talk-Cross。u G蛋白偶联受体和酪氨酸激酶型受体介导的信号体系的Talk-CrossG蛋白偶联受体介导的信号传导系统，至少可通过两条途径与酪氨酸激酶型受体介导的Ras信号途径相互交联。一条是cAMP通过激活PKA对Ras信号途径起负调节作用。另一条是由DG激活PKC，激活的PKC可通过直接活化Raf-1或通过抑制Ras-GTP向Ras-GDP的转化，而对Ras信号途径起正调节作用。此外，G亚基也可直接与Ras-1结合，激活Ras-1。Ras-1成为G蛋白偶联受体与酪氨酸激酶型受体介导的信号传导途径的交汇点，由此将两大类受体介导的信号系统联络在一起，相互间发挥着协调作用而对外界信号进行整合。u JAK-STAT信号途径与Ras信号途径的Talk-CrossJAKs能磷酸化一些参与Ras信号途径的分子，JAK2既可作用于Ras途径的上游阶段。促进Ras活化所必须的一些分子（SHC）的磷酸化，也能影响Ras途径的下游，调节Ras效应分子的活性（如Raf-1）；Ras途径中的MAPK（ERK）能催化STAT1的丝氨酸发生磷酸化。从JAK-SHC和JAK-Raf-1的相互作用以及MAPK对STAT磷酸化调节作用可以看出，JAK-STAT信号途径之间存在着广泛联系，共同调节信号的传导。u 对Talk-Cross研究将对深入了解基因表达调控机制、发病机理、病理过程及疾病控制发挥重要作用。细胞凋亡和细胞坏死的形态学和功能学变化u 细胞坏死的形态特征：首先是膜通透性增加，胞体肿胀，内质网扩张，核染色质不规则地位移，进而线粒体及核肿胀，溶酶体破损，使细胞膜的完整性遭破坏，导致细胞裂解，内容物外溢引起周围组织的炎症反应。细胞坏死时常是细胞成群的死亡。u 细胞凋亡的特征性：早期的形态变化是细胞缩小变圆，细胞间连接和微绒毛结构消失，核固缩，内质网膨胀成泡状。随着细胞固缩的进行，细胞骨架崩解，胞膜内陷并以出芽方式将细胞分割成多个外有完整的膜包裹的、致密的凋亡小体。凋亡小体最终被邻周正常细胞或吞噬细胞吞噬或自然脱落而离开生物体。 u 二者功能学变化：细胞凋亡是由内在基因调控的主动编程性死亡，因此需要新的基因转录和蛋白质合成，是一个需要能量供应的过程。与之相比细胞坏死时没有新的基因表达和蛋白质合成，不需要能量，DNA被随机降解为长短不等的片段，其琼脂糖凝胶电泳呈涂片状图谱。 死亡受体介导的细胞凋亡途径u Fas介导的细胞凋亡信号通路首先三聚体的FasL结合到死亡受体Fas上诱导Fas形成三聚体的活化形式，随后FADD通过其C端DD区与Fas胞内DD区相互作用而结合，结合后的FADD构象发生改变，进而FADD通过其N端DED结构域与Caspase-8的N端DED结构域结合并导致Caspase-8的活化和裂解，其裂解产物P10和P20亚单位形成异聚体后即变为有活性的半胱氨酸蛋白酶，从而启动Caspase相关蛋白酶的级联反应，最终导致细胞凋亡。u TNFR1介导的细胞凋亡信号通路与Fas相比，TNFR1则有两种不同的方式转导信号，一种为TNFR1，通过DD间的相互作用与TRADD和FADD相结合形成复合物，转导凋亡信号至caspase-8；另一种方式则通过DD间的相互作用，TNFR1将凋亡信号由TRADDRIPCRADD顺序向下转导至caspase-2，从而启动caspase相关蛋白酶的级联反应而导致细胞凋亡。 线粒体介导的细胞凋亡途径研究发现，线粒体内包含一些与细胞凋亡密切相关的物质，在一定条件下可从线粒体中释放出来，介导依赖 Caspases 的程序化死亡途径和不依赖 Caspases 的死亡途径。 如细胞色素C、凋亡诱导因子（AIF）、Smac、内核酸酶G、Omi/HtrA2等。 线粒体凋亡通路受Bcl-2家族成员的严格调控，线粒体外膜的MPTP通透性被抗凋亡蛋白如Bcl-2，Bcl-XL所抑制，而促凋亡蛋白如Bax，Bak的构象改变则刺激细胞色素c的释放。 仅含有BH3结构域的蛋白质如Bid、Bim 的蛋白质裂解可以直接或间接地(诱导Bax 或者Bak形成寡聚体)促进细胞的凋亡。 Bcl-2除了通过影响线粒体膜通透性来调节凋亡，还可以通过与caspase家族的相互作用调控凋亡过程。 Bid还被认为与细胞凋亡的反馈放大作用有关，它可在caspase8的切割后成为tBid，tBid转位到线粒体外膜，将凋亡信号传递给线粒体，诱导线粒体释放细胞色素C，引起凋亡。试从细胞凋亡机制角度提出你对抗肿瘤药物的设计思路1、反义核苷酸药物的研究凋亡刺激细胞凋亡是受基因调控的，因此针对某些调控细胞凋亡的关键基因进行药物开发是非常有前景的。如bcl-2过度表达可抑制细胞凋亡，针对bcl-2基因的mRNA的关键区域设计与之互补配对结合的1520个碱基的寡核苷酸单链，可特异性的抑制bcl-2mRNA的表达，诱导细胞凋亡。P53抑癌基因与肿瘤关系十分密切，采用反义寡核苷酸修正突变的P53基因成为治疗P53突变诱发的肿瘤的一种有效途径。C-myc的反义寡核苷酸在肿瘤治疗中也显示出其潜在的价值。2、基因治疗基因治疗是将功能基因转移至病人的靶细胞中，给患者提供可发挥正常功能的基因以补偿缺失的或有缺陷的基因的一种新型治疗方法。如P53基因缺陷或突变的肿瘤细胞不能对DNA损伤应答而发生凋亡，研究证明，如果是这些肿瘤细胞重获野生型P53基因可诱导肿瘤细胞发生凋亡。3、针对细胞凋亡信号转导途径的调控因子进行药物设计在一些在凋亡过程中起关键作用的重要成员作为药物设计的靶标，如Caspase家族成员的特异性抑制剂。4、 针对线粒体通透性转运孔（PTP）进行药物设计一些药物可以影响到线粒体膜成分，并进一步引发通透性转运孔复合物（PTPC）的开放，诱导细胞凋亡，达到治疗肿瘤的目的。ATP敏感钾通道对心血管的影响（心肌、血管平滑肌）1、 对心肌的作用：KATP通道开放对心肌的直接作用是缩短动作电位时程，形成超极化，使心肌细胞自律性下降，因而呈现抗心律失常作用。同时静息电位有所增加，二相平台期缩短，使Ca2+进入细胞减少，出现轻度负性肌力作用。当KATP通道开放受抑制时，可使心肌的复极化速率减慢，动作电位时程延长，使Ca2+通道灭活缓慢，导致更多的Ca2+进入细胞而产生正性肌动作用。KATP通道开放还有显著的抗心肌缺血作用，对心肌缺血一再灌注引起的心肌损伤（钙超载所致）有保护作用：其作用是开放心肌的KATP通道，使心肌细胞膜发生超极化；降低细胞内钙离子浓度，减轻或防止钙的过负荷（钙超载）；抑制或延缓高能磷酸盐的代谢而保护高能磷酸盐，减少能量消耗，消除自由基，减少或避免心肌细胞的损害；另外，可使KATP通道开放的数量增多，加速缩短动作电位时程，促使缺血区域心肌的收缩活动减少。 2、对血管平滑肌的作用在血管平滑肌，促进KATP通道开放，更多的K+转移到细胞膜外，膜电位进一步提高，即超极化，使电压依赖性钙通