G蛋白偶联受体 G蛋白偶联受体的功能作用

 

 

   目前为止，研究显示G蛋白偶联受体只见于真核生物之中，而且参与了很多细胞信号转导过程。在这些过程中，G蛋白偶联受体能结合细胞周围环境中的化学物质并激活细胞内的一系列信号通路，最终引起细胞状态的改变。已知的与G蛋白偶联受体结合的配体包括气味，费洛蒙，激素，神经递质，趋化因子等等。这些配体可以是小分子的糖类，脂质，多肽，也可以是蛋白质等生物大分子。一些特殊的G蛋白偶联受体也可以被非化学性的刺激源激活，例如在感光细胞中的视紫红质可以被光所激活。与G蛋白偶联受体相关的疾病为数众多，并且大约40%的现代药物都以G蛋白偶联受体作为靶点。

 

 

    G蛋白偶联受体（G Protein-Coupled Receptors， GPCRs）是一大类膜蛋白受体的统称。这类受体的共同点是其立体结构中都有七个跨膜α螺旋，且其肽链的C端和连接（从肽链N端数起）第3和第4个跨膜螺旋的胞内环（第二个胞内环）上都有G蛋白（鸟苷酸结合蛋白）的结合位点。目前为止，研究显示G蛋白偶联受体只见于真核生物之中，而且参与了很多细胞信号转导过程。在这些过程中，G蛋白偶联受体能结合细胞周围环境中的化学物质并激活细胞内的一系列信号通路，最终引起细胞状态的改变。已知的与G蛋白偶联受体结合的配体包括气味，费洛蒙，激素，神经递质，趋化因子等等。这些受体可以是小分子的糖类，脂质，多肽，也可以是蛋白质等生物大分子。一些特殊的G蛋白偶联受体也可以被非化学性的刺激源激活，例如在感光细胞中的视紫红质可以被光所激活。与G蛋白偶联受体相关的疾病为数众多，并且大约40%的现代药物都以G蛋白偶联受体作为靶点。

    G蛋白偶联受体的下游信号通路有多种。与配体结合的G蛋白耦联受体会发生构象变化，从而表现出鸟苷酸交换因子（GEF）的特性，通过以三磷酸鸟苷（GTP）交换G蛋白上本来结合着的二磷酸鸟苷（GDP）使G蛋白的α亚基与β、γ亚基分离。这一过程使得G蛋白（特别地，指其与GTP结合着的α亚基）变为激活状态，并参与下一步的信号传递过程。具体的传递通路取决于α亚基的种类（Gαs,Gαi/o,Gαq/11,Gα12/13），其中两个主要的通路分别涉及第二信使环腺苷酸（cAMP）和磷脂酰肌醇。参见AC系统（腺苷酸环化酶系统）。

 

 

    根据对人的基因组进行序列分析所得的结果，人们预测出了近千种G蛋白耦联受体的基因。这些G蛋白耦联受体可以被划分为六个类型，分属其中的G蛋白耦联受体的基因序列之间没有同源关系。

    A类（或第一类，视紫红质样受体）

    B类（或第二类，分泌素受体家族）

    C类（或第三类，代谢型谷氨酸受体）

    D类（或第四类，真菌交配信息素受体）

    E类（或第五类，环腺苷酸受体）

    F类（或第六类，Frizzled/Smoothened家族）

    其中第一类即视紫红质样受体包含了绝大多数种类的G蛋白耦联受体。它被进一步分为了19个子类A1-A19。最近，有人提出了一种新的关于G蛋白耦联受体的分类系统，被称为GRAFS，即谷氨酸（Glutamate），视紫红质（Rhodopsin），粘附（Adhesion），Frizzled/Taste2以及分泌素（Secretin）的英文首字母缩写。

    一些基于生物信息学的研究着眼于预测那些具体功能尚未明了的G蛋白偶联受体的分类。研究者使用被称为伪氨基酸组成的方法利用G蛋白偶联受体的氨基酸系列来预测它们在生物体内可能的功能以及分类。

 

 

    G蛋白偶联受体均是膜内在蛋白（Integral membrane protein），每个受体内包含七个α螺旋组成的跨膜结构域，这些结构域将受体分割为膜外N端（N-terminus），膜内C端（C-terminus），3个膜外环（Loop）和3个膜内环。受体的膜外部分经常带有糖基化修饰。膜外环上包含有两个高度保守的半胱氨酸残基，它们可以通过形成二硫键稳定受体的空间结构。有些光敏感通道蛋白（Channelrhodopsin）和G蛋白耦联受体有着相似的结构，也包含有七个跨膜螺旋，但同时也包含有一个跨膜的通道可供离子通过。

    与G蛋白偶联受体相似，脂联素受体（例如ADIPOR1和ADIPOR2）也包含七个跨膜域，但是它们以相反的方向跨于膜上（即N端在膜内而C端在膜外），并且它们也不与G蛋白相互作用。

    早期关于G蛋白偶联受体结构的模型是基于他们与细菌视紫红质（Bacteriorhodopsin）之间微弱的相似（Analogy）关系的，其中后者的结构已由电子衍射（蛋白质数据库资料编号：PDB2BRD和PDB1AT9）和X射线晶体衍射（PDB1AP9）实验所获得。在2000年，第一个哺乳动物G蛋白偶联受体——牛视紫红质的晶体结构（PDB1F88）被解出。2007年，第一个人类G蛋白耦联受体的结构（PDB2R4R和PDB2R4S）被解出。随后不久，同一个受体的更高分辨率的结构（PDB2RH1）被发表出来。这个人G蛋白耦联受体——β2肾上腺素能受体，显示出与牛视紫红质的高度相似，不过两者在第二个膜外环的构象上完全不同。由于第二膜外环组成了一个类似盖子的结构罩住了配体结合位点，这个构象上的区别使得所有对从视紫红质建立G蛋白耦联受体同源结构模型的努力变得困难重重。

    一些激活的即结合了配体的G蛋白耦联受体的结构也已经被研究清楚。这些结构显示了G蛋白耦联受体的膜外部分与配体结合了之后会导致膜内部分发生构象变化。其中最显著的变化是第五和第六跨膜螺旋之间的膜内环会向外移动，而激活的β2肾上腺素能受体与G蛋白形成的复合体的结构显示了G蛋白α亚基正是结合在了上述运动所产生的一个空穴处。

 

 

    G蛋白偶联受体参与众多生理过程。包括但不限于以下例子：

    感光：视紫红质是一大类可以感光的G蛋白偶联受体。它们可以将电磁辐射信号转化成细胞内的化学信号，引导这一过程的反应称为光致异构化（Photoisomerization）。具体细节为：由视蛋白（Opsin）和辅因子视黄醛共价连接所构成的视紫红质在光源的刺激下，分子内的视黄醛会发生异构化，从“11-顺式”变成“全反式”，这个变化进一步引起视蛋白的构象变化从而激活与之偶联的G蛋白，引发下游的信号传递过程。

    嗅觉：鼻腔内的嗅上皮（Olfactory epithelium）和犁鼻器上分布有很多嗅觉受体，可以感知气味分子和费洛蒙。

    行为和情绪的调节：哺乳动物的脑内有很多掌控行为和情绪的神经递质对应的受体是G蛋白偶联受体，包括血清素，多巴胺，γ-氨基丁酸和谷氨酸等。

    免疫系统的调节：很多趋化因子通过G蛋白偶联受体发挥作用，这些受体被统称为趋化因子受体。其它属于此类的G蛋白偶联受体包括白介素受体（Interleukin receptor）和参与炎症与过敏反应的组胺受体（Histamine receptor）等。

    自主神经系统的调节：在脊椎动物中，交感神经和副交感神经的活动都受到G蛋白偶联受体信号通路的调节，它们控制着很多自律的生理功能，包括血压，心跳，消化等。

    细胞密度的调节：最近在盘基网柄菌中发现了一种含有脂质激酶活性的G蛋白偶联受体，可以调控该种黏菌对细胞密度的感应。

    维持稳态：例如机体内水平衡的调节。

 

 

 

    G蛋白偶联型受体，如α2与β肾上腺素受体，毒蕈碱型乙酰胆碱受体（mAchR）和视网膜视紫红质(Rh)受体等，与G蛋白偶联后产生胞内信使如cAMP,cGMP,DG,IP3,等，将信号传导至胞内。对这些受体的分子结构研究发现，它们在跨膜区段的结构及信号传递机理方面有着惊人的相同之处：

    它们都由约300～400个氨基酸残基组成，有一个由30-50个氨基酸组成的细胞外N-末端，接着在肽链中出现7个α螺旋的跨膜结构，每个疏水跨膜区段由20～25个氨基酸组成，但各区段之间由数目不等的氨基酸组成的环状结构连接，其中1-2，3-4，5-6环在胞内侧，2-3，4-5，6-7环在胞外侧,第7个跨膜螺旋是能够识别、即能结合某种特定外来化学信号的部位。C端氨基酸残基相差很大，位于胞内侧。比较大的5-6胞内侧环与C端都具有亲水性，它们是与G蛋白相互作用的区域。小分子配体是结合在受体跨膜部的疏水区域，多肽配体结合区既与跨膜部分有关也与胞外亲水环有关。 

    结构的相似之处表明可能来自同一祖先基因。但不能忽视此类受体各成员之间氨基酸顺序上的差别。例如β1与β2肾上腺素受体一级结构差别约50%，α与β受体的差别就更大了，这种差别显然与配体专一结合或与它们和不同的G蛋白类型相互作用特点有关。 

 

 

    很多其他激素类物质作用于相应的靶细胞时，都是先同膜表面的特异受体相结合，再引起膜内侧胞浆中cAMP含量的增加（有时是它的减少），实现激素对细胞内功能的影响。这样就把cAMP称作第二信使，这是相对于把激素分子这类外来化学信号看作第一信使而言的。

    导致cAMP产生的膜结构内部的过程颇为复杂：它至少与膜中三类特殊的蛋白质有关。第一类是能与到达膜表面的外来化学信号作特异性结合的受体蛋白质，这是一些真正可以称作受体的物质。目前已用分子生物学的方法证明，它们是一些独立的蛋白质分子；已经确定的近100种这类受体，都具有类似的分子结构，也属于同一蛋白质家族：即它们都由约300~400个氨基酸残基组成，有一个较长的细胞外N-末端，接着在肽链中出现7个由22~28个主要为疏水性氨基酸组成的α-螺旋，说明这肽链至少要反复贯穿膜7次，形成一个球形蛋白质分子，还有一段位于膜内侧的肽链C-末端。目前认为，受体分子中第7个跨膜螺旋是能够识别、即能结合某种特定外来化学信号的部位。

    在受体因结合了特异化学信号而激活时，将进而作用于膜中另一类蛋白质，即G-蛋白质。G-蛋白是鸟苷酸结合蛋白（guanine nucleotide-binding protein）的简称，也是存在于膜结构中的一类蛋白质家族，根据它们分子结构中少数氨基酸残基序列上的不同，已被区分出有数十种，但结构和功能极为相似。G-蛋白通常由α-、β-、和γ-3个亚单位组成；α-亚单位通常起催化亚单位的作用，当G-蛋白未被激活时，它结合了一分子的GDP（二磷酸鸟苷）；当G-蛋白与激活了的受体蛋白在膜中相遇时，α-亚单位与GDP分离而又与一分子的GTP（三磷酸鸟苷）结合，这时α-亚单位同其他两个亚单位分离，并对膜结构中（位置靠近膜的内侧面）的第三类称为膜的效应器酶的蛋白质起作用，后者的激活（或被抑制）可以引致胞浆中第二信使物质的生成增加（或减少）。上述肾上腺素的作用，就是先由激素激活膜上相应的受体后，通过一种称为Gs（兴奋性G-蛋白）的G-蛋白的中介，激活了作为效应器酶的腺苷酸环化酶，使胞浆中的ATP生成了起第二信使作用的cAMP。由于第二信使物质的生成经过多级催化作用，少数几个膜外化学信号分子同受体的结合，就可能在胞浆中生成数目众多的第二信使分子，这是这种类型的跨膜信号传递的重要特点之一。

    目前发现膜的效应器酶并不只腺苷酸环化酶一种，因而第二信使物质也不只cAMP一种，如近年来还发现，有相当数量的外界刺激信号作用于受体后，可以通过一种称为Go的G-蛋白，再激活一种称为磷脂酶C的膜效应器酶，以膜结构中称为磷脂酰肌醇的磷脂分子为间接底物，生成两种分别称为三磷酸酰肌醇（IP3）和二酰甘油（DG）的第二信使，影响细胞内过程，完成跨膜信号传递。虽然如此，对应于细胞所能接受的多种刺激和与它们相对应的受体数目而言，膜内G-蛋白、效应器酶和最后生成的第二信使类物质的种类，还是相对地少得多。这说明，上述由膜中蛋白质酶促反应生成第二信使的途径，具有相当程度的"通用"性质。

    由于上述这种G蛋白偶联受体介导的信号传导系统的跨膜信号传递的形式是在研究激素的作用机制时发现的，而且后来发现绝大多数肽类激素都是通过这一形式起作用的，因此曾一度错误地认为，这只是激素性化学信号跨膜信号传递方式。但近年的资料说明，事实并非如此：在神经递质类物质中，除了上述氨基酸类递质外，其余不论是小分子的经典递质还是后来发现的数量众多的神经肽类物质（目前已近50种），都主要是以在突触后细胞中产生第二信使类物质来完成跨膜信号传递的，这些第二信使物质通过在胞浆中的扩散，在膜的内侧面作用于某些特殊的离子通道（图2-9中箭头3），引起突触后膜较广泛而缓慢的电变化。最近证明，在视网膜信号转换过程中，光量子被作为受体的视色素如视紫红质（也具有7个跨膜α-螺旋的结构特点）吸收后，也是先激活称为Gt（转换蛋白）的G-蛋白，再激活作为效应器的磷酸二酯酶，使视杆细胞外段中cGMP的分解加强，最后使光刺激转变为外段膜的电变化。

 

 

 

    机体（特别是脑内）的蕈毒碱性、胆碱性、阿片能、肾上腺能、多巴胺能嘌呤能及五羟色胺能受体均可与G蛋白及偶受体结合而参与神经调节。图表1-1-1（图经典型神经递质受体的药理学效应分型）

    阿片类药和其内源性配体在中枢神经系统内的结合部发现是临床疼痛和神经生物学的里程碑，Zadine等发现从牛脑中分离出两种高度选择性作用μ受体的内源性阿片肽，译名为内吗啡肽-1和内吗啡肽-2。内吗啡肽1、2通选择性作用体内μ阿片受体引起镇痛作用，内吗啡肽激活μ受体通过Gi蛋白介导，可降低毛喉素，引起细胞内环腺苷酸（cAMP）水平的增加，并开放钾通道引起钾外流，呈剂量依赖性，这些效应可被纳络酮阻滞，随着分子生物学技术的发展，人们已在区分这些受体的各种亚型并使之克隆方面取得了显著的成就，κ受体的部分顺序δ受体的克隆的功能表达越来越多的阿片受体与细胞内作用偶联被确认。这些研究证明了G蛋白的介入并提出了细胞学为基础的药物耐受与戒断模型，利用NG108-15神经母细胞和神经胶质细胞的杂交系研究阿片类药成瘾性的细胞机理发现，这些细胞也可以表达与百日咳毒素敏感G蛋白相互作用的阿片受体（δ亚型）对腺苷酸环化酶的抑制作用相对细胞膜上离子通道的调节作用，NG108细胞也可表达前列腺素受体被其配体——前列腺素E1（PGE1）激活腺苷酸环化酶从而增高细胞内cAMP含量，同时使用阿片类药物和PGE于NG108细胞上可阻止细胞内cAMP的增高，若NG108细胞长时间暴露于阿片类24-28小时后，则PGE1作用引起cAMP升高又可恢复至原来水平，当去除NG108细胞上的阿片类后再以PGE1刺激，则产生高于正常的cAMP。我国细胞生物学家裴钢（在美国uker大学获博士后学位）主要从事细胞信号转导及其调控机理的研究，利用G蛋白偶联受体变异验证了受体激活平衡态的假说，发现阿片受体（G蛋白偶联）c末端的激动剂作用下发生的磷酸化与β-arrestin结合引起G蛋白解偶联和受体内化，而导致阿片受体脱敏，PKC在阿片受体的异源脱敏中起关键作用。

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