受体及跨膜信号转导

关于受体及跨膜信号转导第1页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三引言生物细胞膜系统的完整性对维持细胞内环境的稳定（如质膜）及使细胞内各种代谢过程有条不紊地、互不干扰地（如内膜系统）进行非常必要，是细胞生命活动得以进行的基本条件。但是，生命活动也不能在完全隔离的条件下进行，在膜上必然要形成某种结构或者机制，保证细胞与外界环境之间、细胞内膜系统间隔形成的各部分之间，能够进行物质、能量及信息的交流。第2页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三引言细胞外的刺激信号以及环境因子等，少部分可以直接跨质膜引起生理反应，多数只能在被质膜上的受体识别后，通过膜上信号转换系统，转变为胞内信号，才能调节细胞反应。受体是细胞接受外界信号的“门户”，首当其冲是一种关键的信号传递组分。第3页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三受体如何识别环境信号，如何将胞外信号转换为胞内信号是细胞信号转导研究的关键问题。本章主要讲信号受体的相关内容。第4页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三1、受体（receptor）的基本概念及其特征1.1受体与配体的基本概念狭义的、经典的受体概念

受体(receptor)是细胞表面或者亚细胞组分中的一种生物大分子物质，可以识别并特异地与有生物活性的化学信号物质（配体,ligand）结合，从而激活或者启动一系列生物化学反应，最后导致该信号物质（配体）特定的生物效应。广义的受体概念

接受任何刺激,包括非生物环境刺激（如光、机械刺激）和病原微生物刺激的,并能够产生一定细胞反应的生物大分子物质都称为受体。第5页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三细胞外部信号可以被膜上的受体或者细胞内受体接收第6页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三受体的功能:

识别与放大一是识别自己特异的信号物质——配体，识别的表现在于两者结合。配体是指一些信号(分子)物质，除了与受体结合外，本身并无其它功能；它唯一的功能就是通知细胞,在环境中存在一种特殊信号或者刺激因素。胞外信号分子是主要的配体，它可能是离子（如Ca2＋）、小分子或者多肽蛋白质大分子物质。在充满无数生物分子的环境中，细胞只所以能够接受某一特定信号，正是受体与配体的识别过程。第7页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三受体的功能（续）：

受体的第二个功能是把识别和接受的信号准确无误的放大并传递到细胞内部，启动一系列胞内信号级联反应，最后导致特定的细胞效应。要将胞间信号转换为胞内信号，受体的两个功能缺一不可。第8页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三1.2受体与配体结合的主要特征

受体与配体结合的结果：受体被激活，并产生受体后信号传递。两者结合主要靠离子键、氢键、范德华力和疏水作用等非共价键，这样的相互作用是可逆的。生理条件下，受体与配体之间的结合不可能靠共价键。结合的主要特征：

1.2.1特异性1.2.2高度的亲和力1.2.3饱和性第9页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三1.2.1受体与配体结合的特异性特异性是受体的最基本的特点，否则受体就无法辨认外界的特殊信号——配体分子，也无法准确地传递信息。受体与配体特异性结合是一种分子识别过程，理论上的作用过程可能是：受体有配体结合域，靠疏水作用在大分子内部形成一个配体结合口袋。如果受体与配体空间有所互补，即有较大的几率进入口袋；进入之后，如果口袋中的氨基酸中有可以与配体形成氢键、离子键的，它们就可能靠的更近一些，致使范德华力发生作用，形成更紧密的结合。配体与受体分子空间结构的互补性是特异结合的主要因素。

第10页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三1.2.1受体与配体结合的特异性（续）

配体与受体空间结构的互补是一个诱导—契合过程。配体接触受体，引起受体蛋白发生构象变化，使两者结合更完美。受体的这种构象变化正是它被激活的过程。第11页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三在理解受体与配体结合特异性时应该注意：

受体的特异性不能简单地理解为一种受体仅能够与一种配体结合，或者反之。这种情况只是对特定的细胞类型和生理条件下而言。研究表明，同一细胞或者不同类型的细胞中，同一配体可能有两种或者两种以上的不同受体，例如乙酰胆碱有烟碱型和毒蕈型两种受体，肾上腺素有α和β两种受体。同一配体与不同的受体结合产生不同的反应。例如，肾上腺素作用于皮肤黏膜血管上的α受体使血管平滑肌收缩；作用于气管平滑肌等使其舒张。又如，胰岛素分子不仅可以高亲和力与某些受体结合，产生很强的调节代谢效应；也可以低亲和力与类胰岛素生长因子受体结合，导致微弱的刺激生长效应。这些事例并非否认受体的特异性。第12页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三1.2.2高度的亲和力

受体与配体的结合服从质量作用定律，可以用简单的可逆平衡式表示：Ka[H]+[R][HR]Kd[H][R][HR]Ka

Kd

Ka1[H][R][HR]式中：[H]为游离配体浓度，[R]为未结合的受体浓度，[HR]为配体－受体复合物浓度。Ka和Kd分别为结合常数（亲和常数）和解离常数.Kd值为50%受体被配体结合时的配体浓度，代表受体的亲和力，其值愈小亲和力愈高。有些受体与配体结合过程中亲和力会发生变化，多数情况下为负协同效应（negativecooperation）,即部分配体与受体结合后，引起配体与受体之间亲和力下降，加速解离；个别配体则表现为正协同作用（positivecooperation）。

第13页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三1.2.3配体与受体结合的饱和性

配体与受体结合一般很快达到饱和，亲和力很高，称为特异性结合；特异性结合反映出受体在靶细胞上的数目是一定的。但是，这种数目的恒定性是相对的，有时配体本身会对受体数目产生影响，发生上调或者下调(upordownregulation)，即增加或者减少受体数目。这可能是动物细胞产生“脱敏作用”或者“超敏作用”的原因。如果在配体浓度很高时也不能达到饱和，则为非特异性结合，它们的亲和力很低。低亲和力的非特异性结合可能是一种物理吸附作用。图3.1人肝癌细胞胰岛素表面特异受体检测P30第14页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三1.3受体存在的位置与种类

大多数受体存在于细胞表面，水溶性信号分子以及大多数脂溶性信号分子都是与细胞表面受体，并将信号传递到胞内。但是，也有一些脂溶性信号分子可以直接跨越质膜，与细胞内受体结合。前者即细胞表面受体，后者即细胞内受体。细胞外部信号可以被膜上的受体或者细胞内受体接收第15页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三2.核受体及其作用特点2．1核受体疏水性的配体可以靠分子扩散进入细胞，然后与胞内受体结合，引起受体的构象变化，增加受体与DNA的亲和力，最终起调节基因转录活性的作用。此类受体进入细胞核，作用位点通常在细胞核，所以称为核受体。从细胞信号转导角度看，这些疏水信号分子比水溶性信号分子（1）在体内存留时间长，且（2）通过调节基因表达起作用，因此常常引起（3）长期的细胞效应，如生长发育的调节。（动物甾类激素受体多为此类）第16页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三2.2动物甾类激素受体（核受体）作用的基本特征

一个典型的动物细胞约有1万个甾类受体，每个受体可逆地以高亲和力与专一甾类激素结合。甾类激素－受体复合体形成的“二步模型”：激素受体存在于细胞质中，与甾类激素结合后被激活，其分子构象即发生改变，从而容易从核膜孔进入细胞核内。且由于其亲和力改变，容易与染色质结合。因此大量激素－受体复合体聚集在核内。这就是激素由胞质到核内转移的“二步模型”。后来提出的“胞核模型”认为，有的受体原来就存在于核内。第17页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三2.2甾类激素受体作用的基本特征（续）

激素－受体复合体可以识别并结合到专一的DNA序列上，从而诱导基因转录活性。这种复合体就是一种转录调节因子（反式作用因子）。这种激素受体结合的DNA序列，即为激素调节元件（hormoneregulatoryelements,HRE）。甾类激素受体调节的基因活化常常分两步进行：对少数基因转录活性的直接作用称为初级反应；由这些基因产物继而激活其它基因，称为延缓性次级反应。次级反应常常对初级效应起到了扩增的作用。但是，也有一些初级产物具有反馈调控作用，即这些产物阻遏了初级反应基因的进一步转录。第18页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三甾类激素受体调节的基因活化过程图3.2果蝇细胞中蜕皮激素诱导基因活化的初级与次级反应模型第19页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三2.3甾类激素核受体的结构和功能从克隆得到的cDNA序列，已经推断出多种甾类激素受体的氨基酸序列。甾类受体的基本结构特征：氨基酸总数由400到900不等；共同特点是有三个主要功能区：DNA结合区（C区）激素结合区（E区）受体调节区（A/B区）第20页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三2.3甾类激素受体的结构和功能①DNA结合区（C区）：②激素结合区（E区）:

它是与靶基因中激素反应元件结合的序列，富含Cys，每两个Cys络合一个Zn2＋形成锌指结构。它位于受体分子中部，富含碱性氨基酸，便于与带负电荷的DNA序列结合，保守性强。其中含有一个核定位序列（nuclearlocationsequence,NLS）,它由8个氨基酸组成，可决定甾受体进入细胞核。位于C端，由250个氨基酸组成,它是与甾激素结合、将受体活化，并能进一步与DNA结合的关键结构。在非活性受体的C区与E区上结合着一种抑制蛋白（热激蛋白），它妨碍了受体与DNA的结合；激素与E区结合后改变了其构象，使抑制蛋白解离下来，从而使DNA结合区暴露而活化。除此之外，E区还与核定位和受体二聚化有关。第21页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三③受体调节区（A/B区）:受体分子N端的A/B区，有一个非激素依赖的组成性转录激活结构，可以决定启动子专一性和细胞专一性。另一个转录激活结构在C端激素结合区（E区），为激素依赖的转录激活结构。2.3甾类激素受体的结构和功能图3.4甾类激素受体的作用模型P.33第22页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三

大多数胞间化学信号分子的受体属于细胞表面受体。所有的水溶性信号分子（如动物的多肽激素、神经递质和生长因子）以及个别脂溶性的激素（如前列腺素）都与靶细胞表面专一受体结合。细胞表面受体与胞外配体（胞间信号）结合，通常使胞内第二信使水平增加，从而引起生理效应。常常引起短暂而迅速的细胞反应的特点。有些也可以调节基因表达，产生长期的效应，3、细胞膜表面受体

第23页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三

根据受体的信号转换机制和受体分子的共同结构特点，将质膜表面受体分为：3、细胞膜表面的受体（续）

离子通道型受体；G蛋白偶联受体；招募型受体；酶活性受体；核转移型受体。第24页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三植物细胞膜表面的受体有三种类型：

植物细胞膜表面的受体

G蛋白偶联受体离子通道型受体酶联（活性）受体植物细胞表面受体也有类似的三类：第25页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三细胞表面的信号受体G蛋白偶联受体酶联（活性）受体离子通道型受体第26页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三3.1类受体蛋白激酶（receptor-likeproteinkinases,RLKs）－酶联受体酶联受体的特点是：

受体本身是一种具有跨膜结构的酶蛋白，其胞外域与配体结合而被激活，通过胞内侧激酶反应，将胞外信号传至胞内。此类受体最重要的是动物中的生长因子，如胰岛素。它们本身具有酪氨酸蛋白激酶活性。

整个分子分为3个结构域：这一结构既具有受体的功能，又具有把胞外信号直接转换成胞内效应的功能，是一种“经济”有效的信号跨膜传递途径。利用分子生物学手段从植物中鉴定了多个与动物的受体蛋白激酶（RPKs）同源的基因，鉴于在植物体内这些基因的产物还不明确，故而称它们为类受体蛋白激酶（RLKs）。这种受体属于酶联受体。胞外配体结合区细胞内激酶活性区跨膜结构区第27页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三3.1.1植物中RLKs的种类和结构

不同种类RLKs的胞内结构域同源性较高，而胞外结构域的氨基酸序列相差较大。依据胞外结构域的不同，可将RLKs分为以下几类：（1）富含亮氨酸重复区（leucine-richrepeats，LRRs）的RLKsLRR-RLKs是数量最多的一类RLKs。广泛存在于多种植物中。结构特点是胞外结构域含有重复出现的亮氨酸。LRR是有串联排列的具有leu-x-leu-x-leu-x-x-Asn-x-leu的保守序列组成。第28页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三（2）具S－结构域（S－domain）的RLKs（3）类表皮生长因子RLKs（EGF-likeRLKs）（4）类肿瘤坏死因子受体（TNFR-Like）的RLKs（5）凝集素样（lectin-like）RLKs（6）几丁质酶相关RLK(chitinase-relatedRLK)（7）类细菌双组分系统受体激酶

第29页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三RLKs多属于丝氨酸/苏氨酸激酶，但也有少数以酪氨酸为磷酸化位点。3.1.2植物RLKs的生物学功能

动物中的受体蛋白激酶的基本特征之一是具有自磷酸化活性，并且大多数自磷酸化位点为酪氨酸。而植物中发现的RLKs多数为丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，即它们的自磷酸化位点为丝氨酸或（和）苏氨酸。这些RLKs磷酸化位点的差异暗示，在植物细胞中不同的RLKs可能具有不同的功能。植物中的RLKs可能具有以下几个方面的功能：第30页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三（1）调控植物的生长发育（2）参与植物防御反应

（3）参与激素信号传递

第31页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三3.2G蛋白偶联受体（Gprotein-coupledreceptor,GPCR）

G蛋白偶联受体必需与G蛋白耦合，才能产生胞内信使（如cAMP、cGMP、DG、IP3等），将信号传递到胞内。在动物中G蛋白偶联受体是经典的、十分普遍的受体，在植物中有报道。3.2.1GPCR的结构

植物G蛋白偶联受体GPCR1的结构7次跨膜结构是G蛋白耦合受体的基本特征。第32页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三3.2.1GPCR的结构

由一个单肽链组成，形成7个α螺旋跨膜结构，每个疏水跨膜区段由20-25个氨基酸组成。各区段之间数目不等的氨基酸组成了环状结构。胞内、胞外各有3个环。N端由30-50个氨基酸，在胞外；C端氨基酸数目相差较大，在胞内。其中5-6胞内环与C端有亲水性，与G蛋白相互作用。第33页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三

研究发现植物中的GCR1在植物的生长发育过程中可能具有重要作用，可能参与了细胞分裂素的信号转导过程。但详细情况还需要研究3.2.2GPCR的功能

第34页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三3.3离子通道型谷氨酸受体（ionotropicGlutamatereceptor,iGluR）

离子通道型受体的共同特点是由多亚基组成的受体/离子通道复合体，除了具有信号接受部位以外，本身又是离子通道，其跨膜信号转导无需中间步骤，反应快，一般只需几秒钟。一般分为两类：一类是配体依赖性复合体，另一类是电压依赖性复合体。

第35页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三3.4招募型受体胞内域没有酶活性，受体本身没有任何信号放大作用；一旦与配体结合，便招募激酶或者接头蛋白，激活下游信号途径，但是一般不产生经典的报内第二信使。这类受体常需要共受体或者受体寡聚化，来提供信号的特异性。如细胞因子受体，肿瘤坏死因子受体等。第36页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三3.5核转移型受体

很少有质膜受体作为转录因子起作用，诱导基因表达。但是在在果蝇中发现的质膜受体Notch，具有转录活性，它是在接收信号后被分泌酶裂解，释放出片段并转移到核中，与转录因子结合，形成转录复合体，调节基因转录活性。第37页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三4、细胞表面受体的跨膜信号转换

不同于核内受体，细胞表面受体结合胞外信号分子后，只有将其转换为胞内信号，才能影响靶细胞的反应。而前者可以直接进入核内调节基因表达。质膜表面受体将胞外信号转换为胞内信号有如下几种方式:质膜表面受体转换信号的方式产生细胞内第二信使酶促信号直接跨膜转换内在化作用效应酶产生第二信使;离子通道开放产生第二信使.第38页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三

第二信使浓度在细胞内短暂的升高，激活了一种或者数种靶酶或者靶蛋白，通常是蛋白激酶，从而调节细胞活性，而受体本身并不跨膜进入细胞内。

这是最主要的、最基本的一种方式。胞外配体与质膜表面受体结合后，产生多种胞内第二信使，如cAMP、cGMP、IP3与DG、cADPR、Ca2＋等。4．1产生细胞内第二信使

图3.7几种主要胞内信使的结构第39页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三产生胞内信使的途径又包括以下两种：4．1．1效应酶产生第二信使

如膜上存在的腺苷酸环化酶，可以在受体激活下催化ATP形成cAMP。在某些胞外信号刺激作用下，细胞内cAMP浓度可以在几秒之内增加数倍，从而产生调节细胞反应的信号。cAMP在完成其功能后又被cAMP磷酸二脂酶（PDE）降低到正常水平，从而终止了胞内信号。胞内另一种信使cGMP也可能是通过类似的途径产生和发挥效应的。

第40页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三4．1．1效应酶产生第二信使(续)

胞内信使IP3和DG则是由受体接受胞外信号后，激活膜上的另一类酶―磷脂酶C（PLC），分解质膜内侧分布的一种磷脂―磷脂酰肌醇－4，5－二磷酸（PIP2）产生的。IP3和DG通过不同的生化途径调节细胞反应（后面讲）。

以上信使都是由膜上酶催化产生的，而且其底物都是含有两个高能磷酸键的化合物ATP和PIP2。一般来讲，受体对膜上效应酶的作用是以G蛋白为中介的。第41页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三4．1．2离子通道开放产生第二信使离子通道型受体/离子通道复合体，可以在配体或者电压门控下，通过离子通道开放直接产生第二信使；还有一类离子通道本身并无胞外配体结合区或电压敏感接受结构，其开放首先是配体与受体结合,受体被活化，活化受体再通过G蛋白调节离子通道的开放，从而产生胞内信使。细胞可以利用极大的跨膜Ca2＋浓度差传递胞外信号（图3－8）。图3.8细胞表面受体产生胞内钙信号的两条途径第42页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三4.2酶促信号直接跨膜转换有些细胞表面受体，在胞外到胞内信号转换时并不产生特殊胞内第二信使物质，而是通过一种简单而直接的作用，即受体本身胞内域具有酶的催化活性（酶联受体）。如受体酪氨酸蛋白激酶，它位于胞外的部分具有受体功能，接受信号后激活了胞内具有蛋白激酶活性的结构，从而使胞内某些蛋白质的酪氨酸残基磷酸化，进而在细胞内形成信号传递途径，调节某种生理反应，这样通过一种蛋白质完成了胞外―胞内信号的转换。一些生长因子和细胞因子可以通过这种方式起作用。第43页，讲稿共51页，2023年5月2日，星期三4.3内在化作用

在动物上研究发现，许多多肽信号进入靶细胞可能是借助于细胞受体介导的内吞作用（endocytosis）或者叫做内在化作用（internalization）。

如胰岛素与成纤维细胞表面的呈弥散分布的受体相结合，几分钟内胰岛素受体复合体就成簇聚集在细胞凹陷处，形成包被坑（coatedpit）