二、由膜的特異受體蛋白質(zhì)、G-蛋白和膜的效應(yīng)器酶組成的跨膜信號傳遞系統(tǒng)

　　這是另一類型的跨膜信號傳遞。最初是從對激素作用機制的研究開始的。60年代在研究腎上腺素引起肝細(xì)胞中糖原分解為葡萄糖的作用機制時，發(fā)現(xiàn)如果使腎上腺素單獨和分離出的細(xì)胞膜碎片相互作用，可以生成一種分子量小、能耐熱的物質(zhì)，當(dāng)把這種物質(zhì)同肝細(xì)胞的胞漿單獨作用時，也能引起其中糖原的分解，同腎上腺素作用于完整的肝細(xì)胞時有類似的效應(yīng)。實驗提示，在腎上腺素正常起作用時，它只是作用于肝細(xì)胞的膜表面。通過某種發(fā)生在膜結(jié)構(gòu)中的過程，先在胞漿中生成一種小分子物質(zhì)，后者再實現(xiàn)腎上腺素分解糖原的作用。這種小分子物質(zhì)不久被證明是環(huán)-磷酸腺苷（即cAMP，環(huán)磷腺苷)。以后又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，很多其他激素類物質(zhì)作用于相應(yīng)的靶細(xì)胞時，都是先同膜表面的特異受體相結(jié)合，再引起膜內(nèi)側(cè)胞漿中cAMP含量的增加（有時是它的減少)，實現(xiàn)激素對細(xì)胞內(nèi)功能的影響。這樣就把cAMP稱作第二信使，這是相對于把激素分子這類外來化學(xué)信號看作第一信使而言的。

　　導(dǎo)致cAMP產(chǎn)生的膜結(jié)構(gòu)內(nèi)部的過程頗為復(fù)雜：它至少與膜中三類特殊的蛋白質(zhì)有關(guān)。第一類是能與到達(dá)膜表面的外來化學(xué)信號作特異性結(jié)合的受體蛋白質(zhì)，這是一些真正可以稱作受體的物質(zhì)。目前已用分子生物學(xué)的方法證明，它們是一些獨立的蛋白質(zhì)分子；已經(jīng)確定的近100種這類受體，都具有類似的分子結(jié)構(gòu)，也屬于同一蛋白質(zhì)家族：即它們都由約300~400個氨基酸殘基組成，有一個較長的細(xì)胞外N-末端，接著在肽鏈中出現(xiàn)7個由22~28個主要為疏水性氨基酸組成的α-螺旋，說明這肽鏈至少要反復(fù)貫穿膜7次，形成一個球形蛋白質(zhì)分子，還有一段位于膜內(nèi)側(cè)的肽鏈C-末端。目前認(rèn)為，受體分子中第7個跨膜螺旋是能夠識別、即能結(jié)合某種特定外來化學(xué)信號的部位；在受體因結(jié)合了特異化學(xué)信號而激活時，將進而作用于膜中另一類蛋白質(zhì)，即G-蛋白質(zhì)。

　　G-蛋白是鳥苷酸結(jié)合蛋白（guanine nucleotide-binding protein)的簡稱，也是存在于膜結(jié)構(gòu)中的一類蛋白質(zhì)家族，根據(jù)它們分子結(jié)構(gòu)中少數(shù)氨基酸殘基序列上的不同，已被區(qū)分出有數(shù)十種，但結(jié)構(gòu)和功能極為相似。G-蛋白通常由α-、β-、和γ-3個亞單位組成；α-亞單位通常起催化亞單位的作用，當(dāng)G-蛋白未被激活時，它結(jié)合了一分子的GDP（二磷酸鳥苷)；當(dāng)G-蛋白與激活了的受體蛋白在膜中相遇時，α-亞單位與GDP分離而又與一分子的GTP（三磷酸鳥苷)結(jié)合，這時α-亞單位同其他兩個亞單位分離，并對膜結(jié)構(gòu)中（位置靠近膜的內(nèi)側(cè)面)的第三類稱為膜的效應(yīng)器酶的蛋白質(zhì)起作用，后者的激活（或被抑制)可以引致胞漿中第二信使物質(zhì)的生成增加（或減少)。上述腎上腺素的作用，就是先由激素激活膜上相應(yīng)的受體后，通過一種稱為G_s（興奮性G-蛋白)的G-蛋白的中介，激活了作為效應(yīng)器酶的腺苷酸環(huán)化酶（圖2-9箭頭1)，使胞漿中的ATP生成了起第二信使作用的cAMP（圖2-9中箭頭2)。由于第二信使物質(zhì)的生成經(jīng)過多級催化作用，少數(shù)幾個膜外化學(xué)信號分子同受體的結(jié)合，就可能在胞漿中生成數(shù)目眾多的第二信使分子，這是這種類型的跨膜信號傳遞的重要特點之一。

圖2-9 由膜受體-G-蛋白-膜效應(yīng)器酶組成的跨膜信號
傳遞系統(tǒng)和第二信使類物質(zhì)的生成

　　目前發(fā)現(xiàn)膜的效應(yīng)器酶并不只腺苷酸環(huán)化酶一種，因而第二信使物質(zhì)也不只cAMP一種，如近年來還發(fā)現(xiàn)，有相當(dāng)數(shù)量的外界刺激信號作用于受體后，可以通過一種稱為G_o的G-蛋白，再激活一種稱為磷脂酶C的膜效應(yīng)器酶，以膜結(jié)構(gòu)中稱為磷脂酰肌醇的磷脂分子為間接底物，生成兩種分別稱為三磷酸酰肌醇（IP₃)和二酰甘油（DG)的第二信使，影響細(xì)胞內(nèi)過程，完成跨膜信號傳遞。雖然如此，對應(yīng)于細(xì)胞所能接受的多種刺激和與它們相對應(yīng)的受體數(shù)目而言，膜內(nèi)G-蛋白、效應(yīng)器酶和最后生成的第二信使類物質(zhì)的種類，還是相對地少得多。這說明，上述由膜中蛋白質(zhì)酶促反應(yīng)生成第二信使的途徑，具有相當(dāng)程度的“通用”性質(zhì)。

　　由于上述這種跨膜信號傳遞的形式是在研究激素的作用機制時發(fā)現(xiàn)的，而且后來發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)肽類激素都是通過這一形式起作用的，因此曾一度錯誤地認(rèn)為，這只是激素性化學(xué)信號跨膜信號傳遞方式。但近年的資料說明，事實并非如此：在神經(jīng)遞質(zhì)類物質(zhì)中，除了上述氨基酸類遞質(zhì)外，其余不論是小分子的經(jīng)典遞質(zhì)還是后來發(fā)現(xiàn)的數(shù)量眾多的神經(jīng)肽類物質(zhì)（目前已近50種)，都主要是以在突觸后細(xì)胞中產(chǎn)生第二信使類物質(zhì)來完成跨膜信號傳遞的，這些第二信使物質(zhì)通過在胞漿中的擴散，在膜的內(nèi)側(cè)面作用于某些特殊的離子通道（圖2-9中箭頭3)，引起突觸后膜較廣泛而緩慢的電變化。最近證明，在視網(wǎng)膜信號轉(zhuǎn)換過程中，光量子被作為受體的視色素如視紫紅質(zhì)（也具有7個跨膜α-螺旋的結(jié)構(gòu)特點)吸收后，也是先激活稱為G_t（轉(zhuǎn)換蛋白)的G-蛋白，再激活作為效應(yīng)器的磷酸二酯酶，使視桿細(xì)胞外段中cGMP的分解加強，最后使光刺激轉(zhuǎn)變?yōu)橥舛文さ碾娮兓ㄒ姷诰耪?。

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