受体与分子毒理学课件

受体与分子毒理学卫生毒理学

毒理学（Toxicology）

是研究化学、物理、生物等因素对生物机体的危害及其毒作用机制的科学，是预防医学的基础学科，其中以化学性因素的危害最为突出。1.回顾：

分子毒理学是在毒理学的发展过程中，受到分子生物学理论和技术的促进而发展起来的，它是在分子水平上研究外源化学物对生物机体相互作用的一门学科。它是探讨众多外源化学物对生物机体组织的各种分子，特别是生物大分子的作用机制，从而阐明外源化学物的分子结构与其毒性效应的相互关系；从分子水平上表述生物对外援化合物的效应。1.回顾：

生物大分子（Biologicalmacromolecule）指的是作为生物体内主要活性成分的各种分子量达到上万或更多的有机分子。通常指的是核酸（DNA、RNA)和蛋白质。它们的结构和功能集中表现在遗传基因上，一方面涉及有关基因本身的运动规律（DNA复制，RNA转录、遗传密码的翻译和基因的表达，它们构成了机体遗传稳定性的基础；另一方面涉及到基因表达的多种产物（酶、受体和多种生物因子）的结构和功能，它们是维持机体正常生命活动的物质基础。1.回顾：

分子毒理学正是研究外源化学物对生物大分子结构和功能的负面影响，从而从本质上阐明毒性机制。而受体是位于细胞膜或细胞内的一些生物大分子···

受体的研究历史几种细胞内受体与外源化学物毒作用机制受体的一般概念OneTwoThree

受体与配体受体的特性受体的分类及其基本作用原理受体检测的方法2.受体的一般概念

受体（Receptor）

是指位于细胞膜或细胞内的一些生物大分子，能与配体（如药物、毒物、神经递质、激素、自身活性物质等）相互作用，并转导受体-配体相互作用的信号，进而产生相应的生物学效应。2.1受体与配体

配体(ligand)是对受体具有选择性结合能力的生物活性物质。配体与受体特意部位的相互作用，可激活受体的，称为受体激动剂；阻断受体活性的，则称为受体的拮抗剂；兼有激动作用和拮抗作用的称为部分激动剂。2.1受体与配体

外源化学物既可模拟内源性配体产生激动效应，也可阻断内源性配体与受体的结合。此外，外源化学物还可作为别构剂，作用于配体结合位点以外的受体大分子部位，对配体与受体的相互作用进行调节。2.1受体与配体

不同的学科对受体概念有不同认识：在细胞生物学中是指任何能够同激素、神经递质、药物或细胞内的信号分子结合并能引起细胞功能变化的生物大分子。在药理学和毒理学认为配体不局限与内源性配体，凡能识别外源化学物特异结合位点的皆可成为受体，尚未发现内源性配体的受体，称“孤儿受体”（Orphanreceptor），如芳烃受体。2.1受体与配体实际上，正是对这类受体的深入研究，推进了对受体生理作用及其分子机制的认识，最终将发现其内源性配体。

介导物质跨膜运输信号转导：受体的激活；受体失敏关闭反应；减量调节降低反应。

2.2受体的功能

2.3受体的特性

特异性（specificity）

饱和性（saturation）

高亲和性（highaffinitybinding）

可逆性（reversibility）特异性受体与配体结合的特异性这是受体的最基本特点，保证了信号传导的正确性；两者结合是一种分子识别过程，它依靠氢键、离子键与范德华力的作用使两者结合，配体和受体分子空间结构的互补性是特异性结合的主要因素。还可以表现为在同一细胞或不同类型的细胞中，同一配体可能有两种或两种以上的不同受体；同一配体与不同类型受体结合会产生不同的细胞反应。例如肾上腺素作用于皮肤粘膜血管上的α受体使血管平滑肌收缩，作用于支气管平滑肌等使其舒张。饱和性由于一个细胞或一定组织内受体的数目是有限的，因此受体与配体的结合是可以饱和的。高亲和性其可表示配体与受体结合的牢固程度；亲和力较高的配体只需较小剂量即可产生较强的生理效应，因此，通过比较一系列配体与受体的亲和力，可以预测各个配体产生生理效应的强度；亲和力的大小常用受体-配体复合物的解离常数（Kd）值来表示。可逆性配体与受体结合形成的复合物是可以解离的，也可以被其他亲和力较高的配体所置换；当引发出生物效应后，受体-配体复合物解离，受体可以恢复到原来的状态，并再次使用。受体与配体结合的可逆性有利于信号的快速解除，避免受体一直处于激活状态。按受体在细胞内的定位和受体的信号传导机制配体门控离子通道型受体G蛋白偶联受体具有酪氨酸激酶活性的受体细胞内受体2.4受体的分类及其基本工作原理

2.4.1配体门控离子通道受体

（ion-channel-linkedreceptor）多条肽链组成的跨膜蛋白质；当配体与其结合时，可使跨膜蛋白发生构型改变，离子通道转为开放状态，膜通透性增加，引起特定离子的跨膜运动，其结果是改变细胞膜两侧的离子浓度，产生相应的生物效应。

许多配体与受体（如神经递质受体）结合后，需要通过鸟嘌呤核苷酸结合蛋白（G蛋白）的偶联作用才能调节受体效应器的反应。这种G蛋白偶联反应受体均以一条肽链形成七个区段，膜外结合位点对配体的识别可引起膜内G蛋白的活化，从而激活或抑制特定的酶，引起细胞内第二信使系统的改变，产生最终的生理效应。2.4.2G蛋白偶联受体

（G-pritein-linkedreceptor）

2.4.2G蛋白偶联受体

（G-pritein-linkedreceptor）

G蛋白耦联受体是个数量庞大的超家族，识别和转导大量配体的信息，如：（1）多种激素、神经递质、神经肽、趋化因子等（2）光感、气味和味觉的信号；（3）β肾上腺素能受体阻断剂、组胺拮抗剂、抗胆碱能药物、阿片制剂等多种药物。

在代谢和组织器官的功能调控，特别是心血管和神经系统的功能调控中发挥重要作用，故称为代谢型受体

活化：

①受体与配体/信号分子结合时受体被激活，发生构象变化，继而激活Gα亚基②Gα亚基与GDP解离而与GTP结合并被激活③GαGTP与Gβγ分开并与受体脱离④活化的GαGTP作用于效应蛋白或下游的信号转导蛋白，实现膜上信号转换并导致一系列生物学效应失活：①Gα亚基内在的GTP酶活化，将GTP水解成GDP②GαGDP与Gβγ重新聚合为三聚体的非活化形式1.霍乱2.肢端肥大症和巨人症2.4.2G蛋白偶联受体

（G-pritein-linkedreceptor）

2.4.2G蛋白偶联受体

（G-pritein-linkedreceptor）

许多生长因子，如表皮生长因子、成纤维生长因子、来源于血小板的生长因子等，与细胞表面受体结合后，通过胞内信号转导而调节细胞的生长和分化。这类受体实际上是由一些络氨酸激酶所组成的，其结构包括细胞外的配体结合位点、单个跨膜区段和胞浆内具有络氨酸激酶活性的结构域。2.4.3具有络氨酸激酶活性的受体（receptortyrosinekinases，RTKs）

生长因子等激动剂与相应膜受体的结合导致受体的内在化，并与周围的受体形成二聚体复合物。受体的二聚化引起自身络氨酸残基的磷酸化，从而激活受体的络氨酸激酶活性，引发胞浆内的一系列级联蛋白磷酸化，这些信号分子可以将胞外的信息逐级传递至细胞核内，调节相关基因的表达。2.4.3具有络氨酸激酶活性的受体（receptortyrosinekinases，RTKs）活化：失活：①配体与受体结合后，诱导受体构象变化，发生稳定的二聚化，二聚体的受体相互交叉磷酸化，并有酪氨酸激酶的激活②酪氨酸磷酸化使激酶区稳定在激活的构象，并为下游的信号转导分子提供识别、停靠和结合的部位③信号转导蛋白进一步在膜上组装成激活的信号转导复合物通过多种底物蛋白启动多条信号转导通路，实现膜上信号转换和信号传递被激活的受体可因与其配体的解离而钝化，回到无活性的单体状态。2.4.3具有络氨酸激酶活性的受体（receptortyrosinekinases，RTKs）

2.4.3具有络氨酸激酶活性的受体（receptortyrosinekinases，RTKs）

以上三类受体均为细胞表面受体，主要与难进入细胞的配体发生相互作用。而细胞内受体是指一类具有脂溶性的配体，如肾上腺皮质激素、性激素、维生素D3等甾体类激素，能自由地通过脂质细胞膜，与其相互作用而产生生理效应的胞内受体。2.4.4细胞内受体

2.5.1放射配体结合实验

早期对受体的研究主要采用间接的观测方法，即观察公认的与受体有关的生理功能变化。由于放射性标记配体的应用，已经能够在体外分析化学物与受体的直接作用，放射配体结合实验已成为受体定量检测的基本方法。2.5受体检测的两种方法

通过放射结合试验，不仅可以获得配体与受体结合反应的基本特征，也能了解特定受体在体内的分布、发生和发展的变化规律。受体结合反应与酶促反应相类似，经典的占领学说同样适用于配体与受体的结合反应。2.5.1放射配体结合试验

配体与受体的结合是可逆的，这种结合属于单纯的双分子结合，在一定条件下，受体-配体复合物可解离为各自的单分子；所有受体具有同等的亲和力，配体-受体复合物的形成不改变其他游离受体对配体亲和力的大小；受体结合量与其生物效应成正比，当有限数量的受体与配体结合达到饱和时，说产生的生物效应最大；配体在结合反应中不被代谢，反应体系中配体仅以两种形式存在，即与受体结合的配体和游离配体。占领学说

放射配体结合试验的一般试验程序：选择特定受体含量较高的器官组织或细胞，制备受体的粗提取物或纯化物选择高比活性的标记配体，与含有受体的制备物在适宜的条件下温育采用适当的分离方法（过滤、离心、层析等），获得与受体结合的标记配体根据不同的实验设计，计算结合试验参数。

受体的调节在保持机体内环境的相对稳定性上发挥着重要的作用，机制比较复杂，设计多种细胞或分子水平的调节作用，但放射受体结合试验可以从受体调节的最终结果和受体结合量的改变反映出各种对受体的调节作用，结果直观、可靠，常用语分析外源化学物对受体的调节作用。2.5.2放射受体结合试验与受体的调节

上行调节：受体结合试验可以反映外源化学物对特定受体的调节作用，如果这种效应表现为受体结合量的增加，称为上行调节或受体的增敏作用。

上行调节通常是通过增加相关受体的基因表达来实现e.g：神经系统中，突触传递的减弱可使把神经元上的有关受体呈代偿性增加。2.5.2放射受体结合试验与受体的调节

下行调节：如果配体与受体的相互作用导致受体结合量的减少，则称为下行调节或受体的脱敏调节。下行调节的机制不同于上行调节，这是由于配体与受体的结合促使受体发生内移或使受体隐没，其结果是减少受体与配体的接触。因此，在长期接触外源化学物的情况下，机体反应的敏感性可能降低，出现对化学物的耐受现象。2.5.2放射受体结合试验与受体的调节

基因的差异表达在细胞的生长、发育以及细胞的损伤、死亡等各种生命现象中扮演着极其重要的角色，一种细胞不同于另一种细胞，在很大程度上正式由于所表达的基因不同。因此，基因表达的改变必然必然会倒是细胞的功能的异常。2.5.3差异基因表达的检测

研究基因的差异表达不仅可以阐明特定基因的功能，同时可以分子外界因素（物理性和化学性）与特定基因的关系。许多外源化学物可以通过特定受体的介导作用，最终导致表达的改变。因此，分析基因的差异表达对于阐明受体介导的毒性作用机制具有重要意义。2.5.3差异基因表达的检测

3.受体的研究历史1、19世纪末：受体概念2、20世纪60年代：实体研究3、20世纪80年代：分子生物学技术进展推进受体研究

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基因克隆技术推出受体的一级结构

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定点致突变技术研究受体的结构和功能

■Goldstein和Brown对LDLR（低密度蛋白受体）与FH（家族性胆固醇血症）关系的研究揭开受体分子病理学的序幕；■

发现多种重要疾病，如心血管病、肿瘤、糖尿病、免疫功能异常、神经精神疾病有受体的异常。4、近年来：受体三维结构阐明

▲揭示受体与配体相互作用机制▲阐明受体的信号转导机制3.受体的研究历史

卤代芳烃与芳烃受体过氧化物酶体增值剂及其激活受体雌激素干扰物与雌激素受体抗雄激素与雄激素受体4.几种细胞内受体与外源化合物的毒作用机制

受体是通过与外源化学物相互作用，改变信号传递过程，来干扰细胞功能的；有些受体生理功能及其内源性配体已经明确，有的目前还未发现其内源性配体；但外源化学物可以作为激动剂或拮抗剂影响其功能，因此便以化学物来命名这类受体，如芳烃受体。

卤代芳烃是广泛存在的环境污染物，如二恶英、多氯联苯等，其在环境中难于降解，且脂溶性极高，易产生生物蓄积和生物放大作用。卤代芳烃的健康危害包括促癌作用、致畸作用、免疫毒性、皮肤毒性、酶活性诱导、干扰内分泌平衡以及影响细胞生长、分化等效应。尽管此类效应具有多样性，且有动物品系和组织器官的特异性，但其分子作用机制具有共性，即诱导基因的表达。4.1卤代芳烃与芳烃受体

卤代芳烃通过与胞浆中一种受体蛋白高亲和地结合而导致生物学效应，成这种受体为芳烃受体（Ah受体）。4.1卤代芳烃与芳烃受体

4.1.1芳烃受体的配体

外源性配体通过被动扩散进入细胞，与芳烃受体结合。目前发现的具有高亲和力的芳烃受体的配体均为平面的疏水性分子，其结构能适应受体结合位点的袋装结构。一些结构上与经典配体不同的化学物质，也能激活芳烃受体，诱导细胞色素P4501A1，但与受体的亲和力并不高，如苯并咪唑类药物。推测很可能存在芳烃受体的天然配体或内源性配体。4.1卤代芳烃与芳烃受体

4.1.2芳烃受体的结构

细胞中的芳烃受体复合物（含两分子热休克蛋白、hsp90）是以四聚体的形式存在的。hsp作为一种侣伴蛋白，能使芳烃受体蛋白保持特定的折叠状态，以适应与配体的结合。因此，hsp90是芳烃受体发挥正常生理功能所必须的。4.1卤代芳烃与芳烃受体

在芳烃受体的氨基端可能存在一阻抑物区域，改区域的缺乏将导致芳烃受体与和转运蛋白二聚体直接与DNA结合，即所谓的组成性结合。在芳烃受体的羧基端，具有富含谷氨酰胺的反式激活结构域，参与芳烃受体介导的基因转录激活过程。4.1卤代芳烃与芳烃受体

4.1.3芳烃受体对细胞色素P4501A1的诱导卤代芳烃类或多环芳烃与胞浆内芳烃受体结合后，释放出hsp90及其他蛋白，暴露芳烃受体中与核内转运有关的结构域，促使配体-芳烃受体复合物向胞核内转移。进入核内后受体复合物与位于核内的核转运蛋白ARNT形成二聚体，该结果有利于与DNA形成稳定的结合。但ARNT并未参与芳烃受体的核转运，其与名称并不符合。4.1卤代芳烃与芳烃受体

配体-芳烃受体ARNT复合物与CYPIAI基因上有的“二恶英反应元件（DREs）结合，可激活附近的亲电子，增强CYPIAI基因的转录。一般认为，芳烃受体复合物与DRE的结合可以使DNA发生扭曲，消除核小体对启动子的抑制作用，结果使基因转录增加。4.1卤代芳烃与芳烃受体

过氧化物酶体（peroxisome）是一种单层膜的细胞器，比其他细胞器发现较晚，除哺乳动物红细胞外，一般存在于各种真核细胞中。过氧化物酶体除含有线粒体中的脂肪酸β-氧化系统外，还含有与氧化代谢有关的酶，如过氧化氢酶。过氧化物酶体的数量、大小及酶组成随组织不同而异，其过氧化物酶可氧化长链脂肪酸。4.2过氧化物酶体增值剂及其激活受体

4.2.1过氧化物酶体增值剂某些化学物质暴露能引起动物机体细胞的过氧化物酶体数量增加，这些化学物称为：过氧化物酶体增殖剂”（peroxisomeproliferator，PP）。PP除引起过氧化物酶体增殖外，可诱导啮齿类过氧化物酶体中的酶发生改变，使其标志酶（过氧化氢酶）升高，还可引起含氮化合物代谢的关键酶（尿酸氧化酶）活性升高20-30倍。4.2过氧化物酶体增值剂及其激活受体

过氧化物酶体增值剂约有百余种，包括脂肪酸衍生物、邻苯二甲酸酯、某些除草剂、药物及其相关激素。过氧化物酶体增值剂的致癌活性与其促进过氧化物酶体增值的作用明显相关，其主要靶器官是肝脏。此外，过氧化物酶体增值剂对睾丸、甲状腺、肾、肠、肾上腺、心脏和褐色脂肪组织也同样有作用，引起形态结构和生化功能的改变。4.2过氧化物酶体增值剂及其激活受体

4.2.2过氧化物酶体增值剂激活受体结构不同的PP能激活同一类受体，称为过氧化物酶增值剂激活受体（peroxisomeproliferator-activatedreceptor，PPAR），PPAR属于核受体超家族，其结构与该家庭的其他受体（如类固醇激素受体）相同，类固醇被分泌出来以后，进入血液与血浆中的运载蛋白结合并被输送到靶细胞，与靶细胞内的高亲和力的激素受体特异性结合。结合了配体的受体就有了与DNA反应的能力，这个过程称之为激活。4.2过氧化物酶体增值剂及其激活受体

各种类型的类固醇受体都有一个共同的结构-高度保守的中央锌指蛋白区，使受体结合在特定的DNA序列上，从而激活靶基因的转录。在这个保守的DNA结合区，少数几个氨基酸的微小变化决定着识别哪个DNA元件、最终那个靶基因被受体激活。由几十个基因编码的这类受体（包括孤儿受体），能与大量的小分子（如中间代谢产物、外源性活性物质）相结合，调节某些靶基因的表达。4.2过氧化物酶体增值剂及其激活受体

关于类固醇受体的亚细胞定位，目前有两种观点：

一是类固醇作用的两部模式，即某些类固醇激素如糖皮质激素进入细胞后首先与胞浆中的特异受体结合并使其激活，在转入核内与DNA发生作用；另一种观点认为，未与类固醇激素结合的受体全部存在于核内，因而不存在受体由核内的转位作用。4.2过氧化物酶体增值剂及其激活受体

近年来，主要的类固醇激素受体的cDNA均已被克隆和测序，研究证明，它们在结构上是相似的，这样一类反式作用因子或转录调控蛋白家族叫做类固醇激素受体超家族。除了类固醇激素受体外，这个超家族还包括在结果上相似的甲状腺激素受体、维生素D3受体、维甲酸受体及其他一些为发现配体的孤儿受体。4.2过氧化物酶体增值剂及其激活受体

PPAR包括PPARα、PPARβ和PPARγ几种异构体，大量事实正是PPAR在不同物种具有同源性。不过，除了PPAR的共同特征以外，这些受体在主旨中的表达类型、对不同配体的反应以及某些生理功能方面还存在明显的差异。此外，PPAR在种间和种内寻找存在着某些差异。4.2过氧化物酶体增值剂及其激活受体

PPAR调节脂肪细胞分化、脂代谢，并具有胰岛素敏感性，在脂和脂蛋白代谢中起着重要作用。PPAR的各同源异构件在功能上存在很大的差别。例如，细胞培养和小鼠基因表达意志研究表明，PPARα与脂代谢相关。PPARγ在脂肪细胞分化中有一定的作用，PPARγ能使培养的成纤维细胞分化为脂肪细胞，而PPARα则没有这种作用。4.2过氧化物酶体增值剂及其激活受体

内源性配体和外源性配体与PPAR结合产生的效应不完全相同。如抗糖尿病药物BRL49653与PPARγ的结合对药物生物活性有作用，其亲和力很高，但它不是体内的天然化合物，也