细胞表面受体

这类受体位于细胞膜上，也称为细胞膜受体（cell membrane receptor）。其配体大多是亲水性的生物大分子，如细胞因子、多肽类激素、水溶性激素或亲水性神经递质，也可以是位于邻近细胞表面分子的信号（如黏附分子等）。一种细胞膜可以含有几种不同的受体，如脂肪细胞膜上含有肾上腺素、胰高血糖素、胰岛素等近10种激素受体，它们的数目互不相同，同一受体在不同细胞膜上的数目也是不同的。另外，受体在膜表面的分布是不均匀的，经常相互聚集成簇。可以通过同位素、荧光染料等标记的配体测定其分布和数目。

根据结构、接收信号的种类、转换信号方式的不同将膜受体可以分为离子通道受体、G蛋白偶联受体和单个跨膜α螺旋受体三类（图11-3）。这三类膜受体的结构和功能各有不同（表11-1）。

表11-1　三种膜受体的结构和功能特点

图11-3　膜表面受体分类

A．离子通道受体；B．G蛋白偶联受体；C．单个跨膜α螺旋受体

（一）离子通道受体

离子通道受体（icn-channel-linked receptor）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，在神经冲动的快速传递中发挥作用。与受电位控制的离子通道不同，它们的开放或关闭直接受化学配体的控制，这些配体主要是神经递质。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，改变细胞膜的通透性，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（图11-4）。可以认为离子通道受体是通过将化学信号转变为电信号而影响细胞功能的，因为这种信号的转变不依赖任何细胞内或细胞膜的可扩散因子，所以传递信息速度很快。

存在于加州电鳗（Torpedo Californica）带电器官中的烟碱型乙酰胆碱受体是离子通道受体的典型代表。该受体是由5个同源性很高的亚基构成的五聚体（α2βγδ）（图11-5）。每一个亚基都是一个四次跨膜蛋白，分子量约60ku，由约500个氨基酸残基构成。跨膜部分为四个α螺旋结构，其中一条α螺旋含较多的极性氨基酸，正是由于这个亲水区的存在，使得五个亚基共同在膜中形成一个亲水性的通道。乙酰胆碱的结合部位位于α亚基上。乙酰胆碱受体以三种构象存在。两分子乙酰胆碱的结合可以使之处于通道开放构象，但即使有乙酰胆碱的结合，该受体处于通道开放构象状态的时限仍十分短暂，在几个毫微秒内又回到关闭状态。然后乙酰胆碱与之解离，受体恢复到初始状态，做好重新接受配体的准备（图11-6）。

图11-4　离子通道受体

图11-5　乙酰胆碱受体结构模型

图11-6　乙酰胆碱受体的功能

由于构成亲水性通道的氨基酸组成不同造成通道表面携带的电荷不同，所以离子通道受体可分为阳离子通道受体（如乙酰胆碱、谷氨酸和5-羟色胺的受体）和阴离子通道受体（如甘氨酸和γ-氨基丁酸受体）。目前已发现13种离子通道受体，不同受体所含亚基数目和种类不同，但基本结构相似。

（二）G蛋白偶联受体

G蛋白偶联受体（G protein coupled receptor，GPCR）是迄今发现的最大的受体超家族，其成员有1 000多个，分布广泛，主要参与调节物质代谢和调控基因转录。GPCR是由一条多肽链组成的糖蛋白，氨基末端位于细胞外表面含有糖基化位点，不同的受体糖基化模式不同。羧基末端在细胞膜内侧，肽链形成7个跨膜α螺旋结构，故又被称为7跨膜受体（serpentine receptor）。由于肽链反复跨膜，在膜外侧或内侧共形成了6个环状结构，其中3个胞内环，3个胞外环，分别负责结合配体和传递胞内信号等。在与配体结合后，胞内第2个和第3个环状结构能与G蛋白结合（图11-7）。形成配体-受体-G蛋白复合物，调节腺苷酸环化酶或磷脂酶C等的活性，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内。其信息传导过程为：激素→受体→G蛋白→酶→第二信使→蛋白激酶→酶或功能蛋白→生物学效应。

图11-7　G蛋白偶联受体结构模式

在G蛋白偶联受体的氨基酸序列中有一些保守的半胱氨酸残基，对维持受体的结构起关键作用。如胞外的第2个和第3个环有两个高度保守的半胱氨酸残基，参与这两个环二硫键的形成，有助于维持蛋白质胞外结构域的正确构象。另外，羧基末端保守的半胱氨酸残基被棕榈酰化，能使受体的胞内部分锚定于细胞膜，从而稳定其三级结构。

G蛋白偶联受体能接受多种配体，包括：①生物胺，如乙酰胆碱、肾上腺素、组胺、5-羟色胺等；②脂质衍生物，如前列腺素、白三烯等；③肽类，如ACTH、甲状旁腺素等。此外，在味觉、视觉和嗅觉中接受外源理化因素的受体也属于这一类型。

（三）单跨膜α螺旋受体

这类受体的跨膜区仅为一次α螺旋结构，而不像GPCR那样有反复的跨膜区段。大多为糖蛋白，本身具有或不具有酶活性，但与酶分子结合存在。能与配体结合，磷酸化靶蛋白的特定氨基酸残基。在信号传递的过程中，需要直接依赖酶的催化作用，故又称为酶偶联受体（enzyme-linked receptor）。其配体主要为生长因子和细胞因子，在调节细胞内蛋白质的功能和表达水平、调节细胞增殖和分化中起重要作用。

根据受体结构的差异，可将其分为受体型蛋白酪氨酸激酶、受体型蛋白丝氨酸／苏氨酸激酶、蛋白酪氨酸激酶偶联受体、受体型蛋白酪氨酸磷酸酶和受体型鸟苷酸环化酶五类（表11-2）。

表11-2　具有各种催化活性的受体

1．受体型蛋白酪氨酸激酶 RTKs是最大的一类酶偶联受体，能将靶蛋白的酪氨酸残基磷酸化。酪氨酸磷酸化一般对细胞增殖具有正向调节作用，无论是生长因子作用后正常细胞的增殖、恶性肿瘤细胞的增殖，还是T细胞、B细胞或肥大细胞的活化都与多种蛋白质分子的酪氨酸磷酸化有关。

（1）主要种类：目前已发现50多种不同的RTKs，主要有以下几种。①表皮生长因子受体家族：包括表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）、erbB2／neu及erbB3基因表达产物；②PDGF／M-CSF／SCF受体家族：包括血小板衍生生长因子受体α（platelet-derived growth factor receptorα，PDGFRα）、PDGFRβ、巨噬细胞集落刺激因子受体（macrophage-colony stimulating factor receptor，M-CSFR）和肝细胞生长因子受体（stem cell factor receptor，SCFR）；③胰岛素受体家族：包括胰岛素受体（insulin receptor，IR）、胰岛素样生长因子-1受体（insulin-like growth factor-1receptor，IGF-1R）及胰岛素相关受体（insulin related receptor，IRR）；④神经生长因子受体（nerve growth factor receptor，NGFR）；⑤成纤维细胞生长因子受体（fibroblast growth factor receptor，FGFR）家族：包括FGFR1、FGFR2、FGFR3和FGFR4；⑥血管内皮生长因子受体（vascularendothelial growth factor receptor，VEGFR）和肝细胞生长因子受体（hepatocyte growth factor receptor，HGFR）；⑦Ephrin（Eph family receptor interacting proteins）的受体Eph等。

（2）结构共同性：虽然RTKs成员众多，但它们在结构上具有一定的共同性，都包括N-末端含有配体结合位点的结构域、单跨膜的疏水α螺旋区、胞内近膜结构域、蛋白酪氨酸激酶（protein tyrosine kinase，PTK）催化结构域和C-末端（图11-8）。①N末端含有配体结合位点的结构域：细胞外区一般由500～850个氨基酸残基组成，包含1个或多个不同的同源结构模体。如富含Cys区域、纤维结合蛋白Ⅲ样结构域、EGF样结构域等。EGFR在该区域有两个富含半胱氨酸的区域，PDGF／M-CSF／SCF受体家族含有5个免疫球蛋白样结构域，而FGFR家族含有3个免疫球蛋白样结构域。②单跨膜的疏水α螺旋区：由22～26个氨基酸残基组成。③胞内近膜结构域：不同亚类RTK的胞内近膜结构域序列差异较大，但同一亚类之间相当保守。不同的刺激能作用于该结构域，调节受体功能，这一过程称为受体反式调节。④PTK催化结构域：PTK区或连续（如EGFR），或不连续（如PDGFR）。不连续的PTK区是被一段亲水性的氨基酸序列分开，这段序列称为激酶插入序列（kinase insert domain，KID）。PDGF／M-CSF／SCF受体家族及FGFR家族都含有两个串联的PTK催化结构域。

图11-8　部分RTK结构

EGF：表皮生长因子；TGF-1：胰岛素样生长因子；PDGF：血小板衍生生长因子；FGF：成纤维细胞生长因子

（3）各结构域的一级结构比较保守：通过氨基酸序列分析发现，RTK家族的各结构域的一级结构比较保守，这就决定了它们可形成相似的空间结构，并通过相同的机制催化底物蛋白磷酸化。RTKs是糖蛋白，大多由一条多肽链构成。未与配体结合时，一般以无活性的单体存在。当配体与受体的细胞外结构域结合时，两个单体受体分子在膜上形成二聚体，两个受体的细胞内结构域的尾部相互接触，激活它们的蛋白激酶功能，使尾部的酪氨酸残基磷酸化（图11-9）。磷酸化导致受体细胞内结构域的尾部装配成一个信号复合物（signaling complex）。刚刚磷酸化的酪氨酸部位立即成为细胞内信号蛋白（signaling protein）的结合位点，可能有10～20种不同的细胞内信号蛋白同受体尾部磷酸化部位结合后被激活。信号复合物通过几种不同的信号转导途径，扩大信息，激活细胞内一系列的生化反应；或者将不同的信息综合起来引起细胞的综合性应答（如细胞增殖）。胰岛素受体例外，它由2条胞外α链和2条跨膜的β链形成异源四聚体，并由不同的二巯键连接固定。α链中有富含半胱氨酸的区域，决定结合配体的特异性，β链的胞内部分包括高度保守的酪氨酸激酶结构域和激酶作用的靶酪氨酸残基。

图11-9　受体酪氨酸激酶的二聚化和自磷酸化

A．EGF受体结构；B．活化的EGF受体

（4）非受体型蛋白酪氨酸激酶：胞质内或细胞核内还有多种非受体型蛋白酪氨酸激酶（non-receptor protein tyrosine kinases，nPTK），主要由激酶结构域、SH2和SH3结构域组成，没有跨膜肽段（图11-10）。可通过直接与受体结合、与活化的受体结合或间接结合于其他信号转导分子而发挥信号转导作用。

图11-10　非受体型PTK的结构

已知的非受体型PTK主要分为11个家族，如Src家族、Syk／ZAP70家族、Csk家族、Tec家族、JAK家族、FAK家族等（表11-3）。这些PTK可直接与受体形成复合物，或间接依次被激活，介导生长因子受体、细胞因子受体、淋巴细胞抗原受体及黏附分子整合素的信号转导，在信号转导过程中起着接力棒的作用。

表11-3　非受体型蛋白酪氨酸激酶的主要作用

2．受体型蛋白丝氨酸／苏氨酸激酶 除了具有内在的酪氨酸蛋白激酶活性的跨膜受体外，细胞还含有内在丝氨酸／苏氨酸蛋白激酶活性的跨膜受体，即受体型蛋白丝氨酸／苏氨酸激酶（receptor serine／threonine kinases，RSTK）。主要配体是转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）家族成员，包括TGF-β1～5，这些成员具有类似的结构与功能，对细胞具有多方面的效应。依细胞类型不同，可能抑制细胞增殖、刺激胞外基质合成、刺激骨骼的形成、通过趋化性吸引细胞和作为胚胎发育过程中的诱导信号等。

TGF-β受体家族分为TβRⅠ和TβRⅡ两个亚家族（图11-11）。在人类，TGF-β受体包括12个成员，其中有7个TβRⅠ和5个TβRⅡ。这两类受体均属于糖蛋白，由大约500个氨基酸残基组成，包括胞外区、跨膜区和胞内区，分子量分别为55ku和70ku。TβRⅠ的胞外区较短，仅占全长的1／5。在胞外近膜区有保守的由9个氨基酸残基组成的富含半胱氨酸盒，具有亲水性。胞内为蛋白丝氨酸／苏氨酸激酶结构域，在近膜区有一段约由30个氨基酸组成的高度保守区，包含TTSGGSGSGLP序列，称为GS模体。该结构为TβRⅠ所特有，对TβRⅠ的激活起至关重要的作用。TβRⅠ亚家族的氨基酸序列具有高度相似性，特别是激酶结构域。TβRⅡ变异较大，其胞外区较Ⅰ型受体长，不含GS结构域，具有不依赖配体的组成型激酶活性区，但在与配体结合后可与TβRⅠ形成寡聚体。

3．受体型鸟苷酸环化酶 受体型鸟苷酸环化酶（receptor guanylate cyclase，RGC）可分为膜受体和可溶性受体两类。膜受体主要分布在心血管组织、小肠、精子及视网膜杆状细胞，其配体包括心钠素（atrial natriuretic peptide，ANP）和鸟苷蛋白。可溶性受体分布在脑、肺、肝及肾等组织中，配体是NO和CO。

膜受体由同源三聚体或四聚体组成。每一条亚基包括N-末端的胞外结构域、跨膜区、胞内蛋白激酶样结构域和C-末端的鸟苷酸环化酶催化结构域。单个跨膜区和胞内近膜区长约37个氨基酸残基。蛋白激酶样结构域无激酶活性，功能不详。当受体与ANP结合后，GC活性大大提高，随后迅速去磷酸化而复原。可溶性受体是由分子量分别为76ku和80ku的α、β亚基组成的二聚体（图11-12）。每个亚基具有一个鸟苷酸环化酶催化结构域和血红蛋白结合结构域。当二聚体解聚后，酶活性丧失。酶活性依赖于Mn2＋。NO通过与血红蛋白相互作用激活可溶性RGC，可极大地增强酶活性，但它对酶的激活作用还需依赖Mg2＋。

图11-11　TGF-β的Ⅰ型、Ⅱ型受体

图11-12　受体型鸟苷酸环化酶结构

当血压升高时，心房肌细胞分泌ANP，促进肾细胞排水、排钠，同时导致血管平滑肌细胞松弛，结果使血压下降。介导ANP反应的受体分布在肾和血管平滑肌细胞表面。ANP与受体结合直接激活胞内段鸟苷酸环化酶的活性，使GTP转化为cGMP，cGMP作为第二信使结合并激活依赖cGMP的蛋白激酶G（PKG），导致靶蛋白的丝氨酸／苏氨酸残基磷酸化而活化。