华南师范大学：《细胞生物学》课程教学资源（教案讲义）第八章 细胞信号转导 第三节 膜表面受体介导的信号转导

第八章细胞通讯第三节膜表面受体介导的信号转导亲水性化学信号分子（包括神经递质、蛋白激素、生长因子等）不能直接进入细胞，只能通过膜表面的特异受体传递信号，使靶细胞产生效应。膜表面受体主要有三类（图8-7）：①离子通道型受体（ion-channel-linkedreceptor）：②G蛋白耦联型受体（G-protein-linkedreceptor）；③酶耦联的受体（enzyme-linkedreceptor）。第一类存在于可兴奋细胞。后两类存在于大多数细胞，在信号转导的早期表现为激酶级联（kinasecascade）事件，即为一系列蛋白质的逐级磷酸化，籍此使信号逐级传送和放大。-ionsligandION-CHANNEL-LINKEDRECEPTOR(A)(B)G-PROTEIN-LINKEDRECEPTORligandGproteinactivatedactivatedGproteinenzymeorenzymeorion channetionchannelligandENZYME-LINKEDRECEPTOR(C)activeinactivecatalyticcatalyticdomaindomain图8-7膜表面受体主要有三类一、离子通道型受体离子通道型受体（图8-8）是一类自身为离子通道的受体，即配体门通道（ligand-gatedchannel）。主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，其信号分子为神经递质。神经递质通过与受体的结合而改变通道蛋白的构象，导致离子通道的开启或关闭，改变质膜的离子通透性，在瞬间将胞外化学信号转换为电信号，继而改变突触后细胞的兴奋性。如：乙酰胆碱受体（图8-9、10）以三种构象存在，两分子乙酰胆碱的结合可以使之处于通道开放构象，但该受体处于通道开放构象状态的时限仍十分短暂，在几十毫微秒内又回到关闭状态。然后乙酰胆碱与之解离，受体则恢复到初始状态，做好重新接受配体的准备

第八章 细胞通讯 第三节 膜表面受体介导的信号转导 亲水性化学信号分子（包括神经递质、蛋白激素、生长因子等）不能直接进入细胞，只能通 过膜表面的特异受体传递信号，使靶细胞产生效应。 膜表面受体主要有三类（图 8-7）：①离子通道型受体（ion-channel-linked receptor）；②G 蛋 白耦联型受体（G-protein-linked receptor）；③酶耦联的受体（enzyme-linked receptor）。第一类存 在于可兴奋细胞。后两类存在于大多数细胞，在信号转导的早期表现为激酶级联（kinase cascade） 事件，即为一系列蛋白质的逐级磷酸化，籍此使信号逐级传送和放大。 图 8-7 膜表面受体主要有三类 一、离子通道型受体 离子通道型受体（图 8-8）是一类自身为离子通道的受体，即配体门通道（ligand-gated channel）。 主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，其信号分子为神经递质。 神经递质通过与受体的结合而改变通道蛋白的构象，导致离子通道的开启或关闭，改变质膜 的离子通透性，在瞬间将胞外化学信号转换为电信号，继而改变突触后细胞的兴奋性。如：乙酰 胆碱受体（图 8-9、10）以三种构象存在，两分子乙酰胆碱的结合可以使之处于通道开放构象， 但该受体处于通道开放构象状态的时限仍十分短暂，在几十毫微秒内又回到关闭状态。然后乙酰 胆碱与之解离，受体则恢复到初始状态，做好重新接受配体的准备

离子通道型受体分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体，和阴离子通道，如甘氨酸和一氨基丁酸的受体。nerveterminalneurotransmitterinvesiclestarget collsynaptic cleftplasma membranetransmitter.gated小小channelpostsynaptictargot cellRESTINGCHEMICALSYNAPSEACTIVECHEMICALSYNAPSE图8-8离子通道型受体acetylcholinebindinglipidsitechannelbilayerRpore4nmCYTOSOLgate图8-9乙酰胆碱受体结构模型unoccupiedandclosedoccupiedoccupiedandclosedandopen图8-10乙酰胆碱受体的三种构象

离子通道型受体分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体，和阴离子通道， 如甘氨酸和 γ－氨基丁酸的受体。 图 8-8 离子通道型受体 图 8-9 乙酰胆碱受体结构模型 图 8-10 乙酰胆碱受体的三种构象

RESTINGNEUROMUSCULARJUNCTIONACTIVATEDNEUROMUSCULARJUNCTIONVOLTAGE-GATEDnerveterminalmpulsCoCHANNELacetylcholineACETYLCHOLINEGATEDCATIONVOLTAGE-GATEDCHANNELCaCHANNELVOLTAGE-GATED3Na"CHANNELGATEDCsarcoplasmicmuscleRELEASECHANNELreticulumplasmamembrane图8-11神经肌肉接点处的离子通道型受体二、G蛋白耦联型受体三聚体GTP结合调节蛋白（trimericGTP-bindingregulatoryprotein）简称G蛋白，位于质膜胞质侧，由α、β、三个亚基组成，α和亚基通过共价结合的脂肪酸链尾结合在膜上，G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用（图8-12），当α亚基与GDP结合时处于关闭状态，与GTP结合时处于开启状态，α亚基具有GTP酶活性，能催化所结合的ATP水解，恢复无活性的三聚体状态，其GTP酶的活性能被RGS（regulatorofGproteinsignaling）增强。RGS也属于GAP(GTPase activating protein)。G蛋白耦联型受体为7次跨膜蛋白（图8-13)，受体胞外结构域识别胞外信号分子并与之结合，胞内结构域与G蛋白耦联。通过与G蛋白耦联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内。G蛋白耦联型受体包括多种神经递质、肽类激素和趋化因子的受体，在味觉、视觉和嗅觉中接受外源理化因素的受体亦属G蛋白耦联型受体

图 8-11 神经肌肉接点处的离子通道型受体 二、G 蛋白耦联型受体 三聚体 GTP 结合调节蛋白（trimeric GTP-binding regulatory protein）简称 G 蛋白，位于质膜 胞质侧，由 α、β、γ 三个亚基组成，α 和 γ 亚基通过共价结合的脂肪酸链尾结合在膜上，G 蛋白 在信号转导过程中起着分子开关的作用（图 8-12），当 α 亚基与 GDP 结合时处于关闭状态，与 GTP 结合时处于开启状态，α 亚基具有 GTP 酶活性，能催化所结合的 ATP 水解，恢复无活性的 三聚体状态，其 GTP 酶的活性能被 RGS（regulator of G protein signaling）增强。RGS 也属于 GAP （GTPase activating protein）。 G 蛋白耦联型受体为 7 次跨膜蛋白（图 8-13），受体胞外结构域识别胞外信号分子并与之结 合，胞内结构域与 G 蛋白耦联。通过与 G 蛋白耦联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使， 从而将胞外信号跨膜传递到胞内。G 蛋白耦联型受体包括多种神经递质、肽类激素和趋化因子的 受体，在味觉、视觉和嗅觉中接受外源理化因素的受体亦属 G 蛋白耦联型受体

PlasmamembraneG-protein-linkedGDPreceptorGproteinEnzyme(a)G-proteinsystemininactiveformSignalmoleculeActivatedReceptorenzyme(activated)GTPGTPWGTPGDPActiveGproteinGDPdisplacedbyGTPCellularresponse(b)G-proteinsysteminactionGDP?(c)Returntoinactiveform图8-12G蛋白分子开关NH2EXTRACELLULARSPACECYTOSOLplasmamembraneICOOH图8-13G蛋白耦联型受体为7次跨膜蛋白

图 8-12 G 蛋白分子开关 图 8-13 G 蛋白耦联型受体为 7 次跨膜蛋白

由G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路主要包括：cAMP信号通路和磷脂酰肌醇信号通路。（一）cAMP信号途径在cAMP信号途径中，细胞外信号与相应受体结合，调节腺苷酸环化酶活性，通过第二信使cAMP水平的变化，将细胞外信号转变为细胞内信号。1、cAMP信号的组分①.激活型激素受体（Rs）或抑制型激素受体（Ri)；②，活化型调节蛋白（Gs）或抑制型调节蛋白（Gi)：③腺苷酸环化酶（Adenylylcyclase）：是相对分子量为150KD的糖蛋白，跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP（图8-14）。2349891011T.NHCOOHmmAdenylylcyclaseATPCAMPNH2NH2OOHCOOPOPOPOCH2+PPOTOHOHOHOHCopyngpe1vosJohnWaeyandSoneineAricrtereoerved图8-14腺苷酸环化酶④.蛋白激酶A（ProteinKinaseA，PKA）：由两个催化亚基和两个调节亚基组成（图8-15），在没有cAMP时，以钝化复合体形式存在。cAMP与调节亚基结合，改变调节亚基构象，使调节

由 G 蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路主要包括：cAMP 信号通路和磷脂酰肌醇信号通 路。 （一）cAMP 信号途径 在 cAMP 信号途径中，细胞外信号与相应受体结合，调节腺苷酸环化酶活性，通过第二信使 cAMP 水平的变化，将细胞外信号转变为细胞内信号。 1、cAMP 信号的组分 ①. 激活型激素受体（Rs）或抑制型激素受体（Ri）； ②. 活化型调节蛋白（Gs）或抑制型调节蛋白（Gi）； ③. 腺苷酸环化酶（Adenylyl cyclase）：是相对分子量为 150KD 的糖蛋白，跨膜 12 次。在 Mg2+或 Mn2+的存在下，腺苷酸环化酶催化 ATP 生成 cAMP（图 8-14）。 图 8-14 腺苷酸环化酶 ④. 蛋白激酶 A（Protein Kinase A，PKA）：由两个催化亚基和两个调节亚基组成（图 8-15）， 在没有 cAMP 时，以钝化复合体形式存在。cAMP 与调节亚基结合，改变调节亚基构象，使调节

亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基。活化的蛋白激酶A催化亚基可使细胞内某些蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，于是改变这些蛋白的活性，进一步影响到相关基因的表达。CyclicAMPinactiveA-kinaseregulatorycomplexofinactivesubunitcyclicAMPandcatalyticsubunitregulatory subunitsactive catalyticsubunits图8-15蛋白激酶A③.环腺苷酸磷酸二酯酶（cAMPphosphodiesterase）：可降解cAMP生成5'-AMP，起终止信号的作用（图8-16）。CAMPOHNHCyclicAMPphosphodiesteraseo05AMPOH OH图8-16cAMP的降解

亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基。活化的蛋白激酶 A 催化亚基可使细胞内某些蛋白的丝 氨酸或苏氨酸残基磷酸化，于是改变这些蛋白的活性，进一步影响到相关基因的表达。 图 8-15 蛋白激酶 A ⑤. 环腺苷酸磷酸二酯酶（cAMP phosphodiesterase）：可降解 cAMP 生成 5’-AMP，起终止信 号的作用（图 8-16）。 图 8-16 cAMP 的降解

2、Gs调节模型当细胞没有受到激素刺激，Gs处于非活化态，α亚基与GDP结合，此时腺苷酸环化酶没有活性；当激素配体与Rs结合后，导致Rs构象改变，暴露出与Gs结合的位点，使激素-受体复合物与Gs结合，Gs的α亚基构象改变，从而排斥GDP，结合GTP而活化，使三聚体Gs蛋白解离出α亚基和β基复合物，并暴露出α亚基与腺苷酸环化酶的结合位点；结合GTP的α亚基与腺苷酸环化酶结合，使之活化，并将ATP转化为cAMP。随着GTP的水解α亚基恢复原来的构象并导致与腺苷酸环化酶解离，终止腺苷酸环化酶的活化作用。α亚基与β亚基重新结合使细胞回复到静止状态。活化的亚基复合物也可直接激活胞内靶分子，具有传递信号的功能，如心肌细胞中G蛋白耦联受体在结合乙酰胆碱刺激下，活化的βy亚基复合物能开启质膜上的K+通道，改变心肌细胞的膜电位。此外βy亚基复合物也能与膜上的效应酶结合，对结合GTP的α亚基起协同或抗作用。霍乱毒素能催化ADP核糖基共价结合到Gs的α亚基上，致使α亚基丧失GTP酶的活性，结果GTP永久结合在Gs的α亚基上，使α亚基处于持续活化状态，腺苷酸环化酶永久性活化。导致霍乱病患者细胞内Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。该信号途径涉及的反应链可表示为：激素→G蛋白耦联受体→G蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP-→依赖cAMP的蛋白激酶A→基因调控蛋白→基因转录（图8-17）

2、Gs 调节模型 当细胞没有受到激素刺激，Gs 处于非活化态，α 亚基与 GDP 结合，此时腺苷酸环化酶没有 活性；当激素配体与 Rs 结合后，导致 Rs 构象改变，暴露出与 Gs 结合的位点，使激素-受体复合 物与 Gs 结合，Gs 的 α 亚基构象改变，从而排斥 GDP，结合 GTP 而活化，使三聚体 Gs 蛋白解 离出 α 亚基和 βγ 基复合物，并暴露出 α 亚基与腺苷酸环化酶的结合位点；结合 GTP 的 α 亚基 与腺苷酸环化酶结合，使之活化，并将 ATP 转化为 cAMP。随着 GTP 的水解 α 亚基恢复原来的 构象并导致与腺苷酸环化酶解离，终止腺苷酸环化酶的活化作用。α 亚基与 βγ 亚基重新结合， 使细胞回复到静止状态。 活化的 βγ 亚基复合物也可直接激活胞内靶分子，具有传递信号的功能，如心肌细胞中 G 蛋 白耦联受体在结合乙酰胆碱刺激下，活化的 βγ 亚基复合物能开启质膜上的 K+通道，改变心肌细 胞的膜电位。此外 βγ 亚基复合物也能与膜上的效应酶结合，对结合 GTP 的 α 亚基起协同或拮抗 作用。 霍乱毒素能催化 ADP 核糖基共价结合到 Gs 的 α 亚基上，致使 α 亚基丧失 GTP 酶的活性， 结果 GTP 永久结合在 Gs 的 α 亚基上，使 α 亚基处于持续活化状态，腺苷酸环化酶永久性活化。 导致霍乱病患者细胞内 Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。 该信号途径涉及的反应链可表示为： 激素→G 蛋白耦联受体→G 蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP→依赖 cAMP 的蛋白激酶 A→基因 调控蛋白→基因转录（图 8-17）

HoReceptorproteinExtePasmGaprotoinAderlylncyolasCytosolGGGOBinding of hormoGngeinteceptoDGubindstoadenvhytactivatirsynthesitofcAMp:hormon2Reptor binds toGgctGCCAMP-PPATPHydrolyaisofGTPtoGDPcauneeGwtodissociatGGfromadomylycyclaseandbindtoOptCO3Bindingtorecepptorinduoesormational chanpeGTPinGsaGDPbouncedbyGTPbunitdissatesfromGpy图8-17Gs调节模型不同细胞对cAMP信号途径的反应速度不同，在肌肉细胞1秒钟之内可启动糖原降解为葡糖1-磷酸（图8-18），而抑制糖原的合成。在某些分泌细胞，需要几个小时，激活的PKA进入细胞核，将CRE结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。CRE（cAMPresponseelement）是DNA上的调节区域（图8-19）。inactiveA-kinaseCAMP福active A-kinaseAactiveinactivephosphoryiasephosphorylasekinasekinasoATPADP式inactiveactiveglycogenglycogenphosphorylasophosphoryiaseATPADPGLUCOSE1-PHOSPHATEGLYCOGENGLYCOLYSIS图8-18cAMP信号与糖原降解

图 8-17 Gs 调节模型 不同细胞对 cAMP 信号途径的反应速度不同，在肌肉细胞 1 秒钟之内可启动糖原降解为葡 糖 1-磷酸（图 8-18），而抑制糖原的合成。在某些分泌细胞，需要几个小时，激活的 PKA 进入 细胞核，将 CRE 结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。CRE（cAMP response element ）是 DNA 上的调节区域（图 8-19）。 图 8-18 cAMP 信号与糖原降解

AMPProteinkinaseACytoplasm福ENucleus1CREBCREBCRE+Transcriptionn图8-19cAMP信号与基因表达3、Gi调节模型Gi对腺苷酸环化酶的抑制作用可通过两个途径：①通过α亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性；②通过βy亚基复合物与游离Gs的α亚基结合，阻断Gs的α亚基对腺苷酸环化酶的活化（图8-20）。百日咳毒素催化Gi的α亚基ADP-核糖基化，结果降低了GTP与Gi的α亚基结合的水平，使Gi的α亚基不能活化，从而阻断了Ri受体对腺苷酸环化酶的抑制作用，但尚不能解释百日咳症状与这种作用机理有关

图 8-19 cAMP 信号与基因表达 3、Gi 调节模型 Gi 对腺苷酸环化酶的抑制作用可通过两个途径：①通过 α 亚基与腺苷酸环化酶结合，直接 抑制酶的活性；②通过 βγ 亚基复合物与游离 Gs 的 α 亚基结合，阻断 Gs 的 α 亚基对腺苷酸环化 酶的活化（图 8-20）。 百日咳毒素催化 Gi 的 α 亚基 ADP-核糖基化，结果降低了 GTP 与 Gi 的 α 亚基结合的水平， 使 Gi 的 α 亚基不能活化，从而阻断了 Ri 受体对腺苷酸环化酶的抑制作用，但尚不能解释百日咳 症状与这种作用机理有关

PlasmaInhibitoryEpinephrinePGE1StimulatorymembraneGlucagonAdenosineligandligandof livercellACTHActivationInhibitionExterior/ofEofENECytosolGsaGioReceptorAdenylylGReceptorforG.GBforcyclaseGstimulatoryGDPGDPinhibitoryhormonehormoneStimulatoryInhibitoryGproteinGproteincomplexcomplex图8-20Gi调节模型（二）磷脂酰肌醇途径在磷脂酰肌醇信号通路中胞外信号分子与细胞表面G蛋白耦联型受体结合，激活质膜上的磷脂酶C（PLC-β），使质膜上4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG）两个第二信使，胞外信号转换为胞内信号（图8-21），这一信号系统又称为“双信使系统”（doublemessengersystem）。nalingmactivatedphospholipaseCpdiacyiglycerolPIP,EXTRACELLULARSPACEPUASMAMEMBRANEYCYTOSOL金Cetaidnimicked try[CLEAVAGE]activatedhosboleitersreceptorPrPactivatedGuproteinedbyRELEASESCPHOSPHORYLATESCELLPROTEINSENDOPLACMICRETICULUM图8-21磷脂酰肌醇途径IP3与内质网上的IP3配体门钙通道结合，开启钙通道，使胞内Ca2+浓度升高。激活各类依赖钙离子的蛋白。用Ca2+载体离子霉素（ionomycin）处理细胞会产生类似的结果（图8-22）。DG结合于质膜上，可活化与质膜结合的蛋白激酶C（ProteinKinaseC，PKC）。PKC以非活性形式分布于细胞溶质中，当细胞接受刺激，产生IP3，使Ca2+浓度升高，PKC便转位到质膜内表面，被DG活化（图8-22），PKC可以使蛋白质的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化是不同的细胞产

图 8-20 Gi 调节模型 （二）磷脂酰肌醇途径 在磷脂酰肌醇信号通路中胞外信号分子与细胞表面 G 蛋白耦联型受体结合，激活质膜上的 磷脂酶 C（PLC-β），使质膜上 4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成 1，4，5-三磷酸肌醇（IP3） 和二酰基甘油（DG）两个第二信使，胞外信号转换为胞内信号（图 8-21），这一信号系统又称为 “双信使系统”（double messenger system）。 图 8-21 磷脂酰肌醇途径 IP3 与内质网上的 IP3 配体门钙通道结合，开启钙通道，使胞内 Ca2+浓度升高。激活各类依 赖钙离子的蛋白。用 Ca2+载体离子霉素（ionomycin）处理细胞会产生类似的结果（图 8-22）。 DG 结合于质膜上，可活化与质膜结合的蛋白激酶 C（Protein Kinase C，PKC）。PKC 以非活 性形式分布于细胞溶质中，当细胞接受刺激，产生 IP3，使 Ca2+浓度升高，PKC 便转位到质膜 内表面，被 DG 活化（图 8-22），PKC 可以使蛋白质的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化是不同的细胞产