某医学部生物物理学系课件.ppt
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- 医学部 生物 物理 学系 课件
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1、 Techniques in receptor research n尹长城尹长城n北京大学医学部生物物理学系北京大学医学部生物物理学系参考资料n参考书n受体研究技术 贺师鹏 胡雅儿 夏宗勤 主编北京大学医学出版社 2004n实验室网页nhttp:/ 1.受体概论受体概论1.1 受体概念的形成与发展受体概念的形成与发展1.1.1 受体概念的发展历史受体概念的发展历史n100多年前,多年前,J.N.Langley发现箭毒能明显发现箭毒能明显对抗烟碱的收缩效应对抗烟碱的收缩效应n指出药物可能和细胞中某种特异成分结合而指出药物可能和细胞中某种特异成分结合而发挥作用,当箭毒与这种接受物质结合就阻发挥作用
2、,当箭毒与这种接受物质结合就阻断了烟碱的作用断了烟碱的作用n他称这种特异成分为接受物质他称这种特异成分为接受物质(receptive substance)1.1 受体概念的形成与发展受体概念的形成与发展1.1.1 受体概念的发展历史受体概念的发展历史nP.Ehrlich认为细胞上有许多侧链,当细胞上认为细胞上有许多侧链,当细胞上的侧链基团和毒素分子的基团结构上互补形成的侧链基团和毒素分子的基团结构上互补形成类似钥匙和锁的关系,两个基团可相互结合类似钥匙和锁的关系,两个基团可相互结合nP.Ehrlich将将细胞上的这些侧链称之为受体细胞上的这些侧链称之为受体(receptor)n根据受体理论,研
3、究不同类型化学物质对锥虫根据受体理论,研究不同类型化学物质对锥虫的作用,提出了化学受体的作用,提出了化学受体(chemoreceptor)的概念的概念 1.1 受体概念的形成与发展受体概念的形成与发展1.1.1 受体概念的发展历史受体概念的发展历史n20世纪世纪20年代末,年代末,A.J.Clark提出了提出了“占领理论占领理论”(occupancy theory)n生物活性通过生物活性通过“占领占领”受体结合位点而起作用,生物活性受体结合位点而起作用,生物活性物质与其特异性受体之间的反应是一个可逆的处于动态平物质与其特异性受体之间的反应是一个可逆的处于动态平衡的过程,符合质量作用定律衡的过程
4、,符合质量作用定律n提出了生物活性物质与相应受体亲和力的概念提出了生物活性物质与相应受体亲和力的概念n提出了药物产生的效应与受体的结合量呈正比关系的概念提出了药物产生的效应与受体的结合量呈正比关系的概念n缺陷:不能解释不同药物作用于同一类受体会诱发缺陷:不能解释不同药物作用于同一类受体会诱发不同的反应不同的反应 1.1 受体概念的形成与发展受体概念的形成与发展1.1.1 受体概念的发展历史受体概念的发展历史n1954年,年,E.J.Ariens提出内在活性提出内在活性(intrinsic activity)的概念的概念n活性物质所产生的最大效应取决于分子本身的性质活性物质所产生的最大效应取决于
5、分子本身的性质n完全激动剂完全激动剂n部分激动剂部分激动剂n完全拮抗剂完全拮抗剂n1956年,年,R.P.Stephenson提出药物效能提出药物效能(efficacy)的概念的概念n一种物质与受体结合所产生的效应取决于该物质的效能而一种物质与受体结合所产生的效应取决于该物质的效能而不取决于占领受体的量不取决于占领受体的量n1961年,年,W.D.M.Paton提出速率理论提出速率理论(rate theory)n配基与受体相互作用,所引起的效应与其占领受体的速率配基与受体相互作用,所引起的效应与其占领受体的速率成正比成正比 1.1 受体概念的形成与发展1.1.1 受体概念的发展历史受体概念的发
6、展历史n直到直到20世纪世纪60年代前受体还基本上是一个年代前受体还基本上是一个理论上的概念理论上的概念n受体是什么物质?受体是什么物质?n位于细胞的什么部位?位于细胞的什么部位?n如何发挥作用?如何发挥作用?1.1 受体概念的形成与发展1.1.1 受体概念的发展历史受体概念的发展历史20世纪世纪60年代,受体研究进入新的阶段年代,受体研究进入新的阶段n首先,放射性同位素技术开始用于受体的研究,建首先,放射性同位素技术开始用于受体的研究,建立了放射性配基结合分析法立了放射性配基结合分析法(radioligand binding assay,RBA)n使人们能够在实际上接触到受体分子,为受体亲和
7、力与受使人们能够在实际上接触到受体分子,为受体亲和力与受体数量的定量研究提供了可靠和灵敏的方法体数量的定量研究提供了可靠和灵敏的方法n可以对受体分子进行纯化,从而了解到受体分子都是有特可以对受体分子进行纯化,从而了解到受体分子都是有特定结构的蛋白质分子;为从分子水平上研究配基与受体的定结构的蛋白质分子;为从分子水平上研究配基与受体的相互作用打下了基础相互作用打下了基础nRBA的出现大大推进了受体的研究,具有划时代的意义的出现大大推进了受体的研究,具有划时代的意义1.1 受体概念的形成与发展1.1.1 受体概念的发展历史受体概念的发展历史n其次,20世纪70年代Sutherland发现环核苷酸(
8、cAMP 或cGMP)在激素与细胞反应的效应之间充当信使作用,从而提出第二信使学说n阐明了神经递质和激素作用于受体,引发信号转导机制并引起细胞功能的变化1.1 受体概念的形成与发展1.1.1 受体概念的发展历史受体概念的发展历史n 第三,分子生物学技术推动了受体研究第三,分子生物学技术推动了受体研究n通过通过DNA分子克隆技术阐明受体蛋白质的分子克隆技术阐明受体蛋白质的一级结构一级结构n通过基因同源性的研究找到很多过去用其它通过基因同源性的研究找到很多过去用其它方法难于发现的受体或受体的新亚型方法难于发现的受体或受体的新亚型n为研究受体结构和功能的关系提供了必不可为研究受体结构和功能的关系提供
9、了必不可少的前提少的前提1.1 受体概念的形成与发展1.1.1 受体概念的发展历史受体概念的发展历史n第四,结构生物学的发展推动了受体研第四,结构生物学的发展推动了受体研究究n通过结构生物学获得受体蛋白的三维结构信通过结构生物学获得受体蛋白的三维结构信息息n阐明受体阐明受体-配体相互作用的本质配体相互作用的本质n阐明受体疾病的分子机理阐明受体疾病的分子机理n辅助受体药物的设计辅助受体药物的设计1.1.2 受体的现代概念受体的现代概念n受体是存在于细胞表面或细胞内的,具有特异受体是存在于细胞表面或细胞内的,具有特异识别和结合细胞内外某些特定化学信号物质的识别和结合细胞内外某些特定化学信号物质的蛋
10、白质分子蛋白质分子n化学信号物质化学信号物质(通常也称配基通常也称配基)可以是激素、神经可以是激素、神经递质、细胞因子和生长因子、某些药物等递质、细胞因子和生长因子、某些药物等n配基与受体结合,使受体激活并产生信号转导,启配基与受体结合,使受体激活并产生信号转导,启动细胞内相应的生物效应动细胞内相应的生物效应n受体研究的内容不仅仅限于受体与配基的相互作用,受体研究的内容不仅仅限于受体与配基的相互作用,而且还包括受体的激活机制,受体激活后如何启动而且还包括受体的激活机制,受体激活后如何启动后续信号转导机制,信号转导的具体途径,以及如后续信号转导机制,信号转导的具体途径,以及如何引起相应的生物学效
11、应等等何引起相应的生物学效应等等1.2 受体与配基结合反应的基受体与配基结合反应的基本特性本特性 1.饱和性n对某种特定的细胞来说,每种特定的受体,其数量有一定限度n因此,配基与受体结合的反应具有饱和性 n当配基浓度逐步增加,它和受体的特异结合也会逐步增加,但是当升高到一定浓度,会使绝大多数受体都被配基结合,再增加浓度,复合物的升高就很有限,表现出受体被饱和的现象。n特异的受体结合反应其受体呈高亲和性和低容量,非特异结合则呈低亲和性和高容量1.2 受体与配基结合反应的基受体与配基结合反应的基本特性本特性2.可逆性n内源性配基和特异受体的结合反应属于可逆反应n当周围的配基浓度降低时,形成的复合物
12、就会解离,重新变成游离的配基和受体n这种可逆性是受体对周围环境变化快速和正确反应的基础n外源性配基则有两类不同的情况n很多外源性配基和受体的结合也是可逆反应,解离后的配基是原形n另有一类不可逆阻断剂与受体形成的复合物是不可逆的,最终导致受体分子的破坏和配基的代谢变化1.2 受体与配基结合反应的基受体与配基结合反应的基本特性本特性 3.特异性n受体具有特异识别配基的性能,特定的受体只识别特定的配基n受体识别配基的基础是受体某个部位的立体结构,即受体蛋白的构象n各种受体的识别能力是不同的,受体识别能力强,受体特异性就好n受体的识别还和配基的构型和构象有关,只有存在严格构型和构象的配基分子才能选择性
13、地与其受体结合n受体的特异性还表现在器官或组织的专一性(称靶器官),如子宫、阴道、乳腺等器官对雌激素敏感,因为这些器官上雌激素体受体的数量明显高于非靶器官1.2 受体与配基结合反应的基受体与配基结合反应的基本特性本特性n 受体的亲和力n受体和配基的结合能力,受体亲和力高说明受体和配基容易结合而不容易解离n受体亲和力的定量指标是受体的解离平衡常数Kd(亲和常数Ka的倒数),Kd越大则亲和力越小n受体的Kd值一般在10-8-10-12molL之间。Kd值小于10-9mol/L的通常称为高亲和力n受体的亲和力和配基种类有关,评价Kd 值的绝对值大小必须指明配基的种类1.2 受体与配基结合反应的基受体
14、与配基结合反应的基本特性本特性4.生物效应的相关性n受体的主要功能是介导配基的生物学效应,如果一种蛋白能与某种物质相结合而并不介导特定的生物学效应,那么这种蛋白不能称之为受体n生物效应和受体结合反应需有两方面的匹配:一是浓度上的匹配,二是组织分布的匹配n如果某种化合物与某种受体有结合,但该化合物的结合浓度明显不同于它引起生物效应的浓度,或者它引起生物效应的组织和它结合的组织不一致,那么这种化合物和受体的结合是否属于特异结合就有疑问1.3 受体与配基相互作用受体与配基相互作用1.3.1 受体和配基的相互作用力和结合能受体和配基的相互作用力和结合能n受体与配基的相互作用的本质为物理化学过程n作用力
15、源自于带电荷基团间的静电作用或者非极性分子间的吸引作用n配基与受体的相互作用既然是一种物理化学过程,必然有成键过程,一定有能量释放1.3 受体与配基相互作用受体与配基相互作用n根据Hammett方程nR是气体常数,T是绝对温度,Ka是结合平衡常数 nG是成键时释放的自由能,其值与Ka的对数成正比,所以Ka值是评估成键作用能力的物理量,是受体和配基的结合能力的物理量 aoKRTGln化学键类型与自由能的关系化学键类型 G(KJmol-1)n共价键 -(170420)n离子键 -(2142)n偶极键 -(429)n氢键 -(429)n疏水键 -4n范特华力 -(24)1.3 受体与配基相互作用受体
16、与配基相互作用n实验证据表明,配体与受体相互作用是可逆反应n它们之间的作用力是属于较弱的次级键n静电作用n氢键n范德华力n疏水键等1.3 受体与配基相互作用受体与配基相互作用1.静电作用n静电作用是指荷电基团、偶极以及诱导偶极之间的静电吸引力n静电作用包括离子键、离子-偶极相互作用和偶极-偶极相互作用等三个方面 n受体蛋白质的表面都有可电离的基团和偶极基团,受体蛋白质的活性中心大都有极性区域,易与含极性基团的配基生成离子键和其他静电作用n就药物而言,它和受体的最初作用通常是由于受体的活性中心极性基团对它的吸引所引起。许多药理效应的关键作用步骤要求通过电荷中心的作用来实现离子键n在生理条件下,一
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