第六部分_生物膜与信号转导途径.doc

第六部分：生物膜与细胞信号转导（申业老师） -橄榄枝整理名词解释：生物膜：指细胞内的膜系统与细胞质膜的统称，包括细胞膜、内膜系统、线粒体、叶绿体内外膜。膜骨架：指细胞膜下与膜蛋白相连的由纤维蛋白组成的网架结构，它参与维持细胞膜的形状并协助细胞膜完成许多生理功能。主动运输：指由载体蛋白介导的物质逆浓度梯度或化学梯度由低浓度一侧向高浓度一侧进行跨膜转运的方式。细胞信号转导：广义：包括生物体与环境之间，生物体细胞之间，以及细胞内以各种物理化学物质为载体的所有信息交流系统。指细胞受到环境和胞间化学信号刺激后，引起的胞内的生物化学信号传递过程。狭义：细胞感受、转导及传递内外环境刺激并调节细胞反应的生物化学分子机制。简答题：1 组成生物膜的蛋白种类和结构根据与脂双层的紧密程度，可将膜蛋白分为三类：（1） 整合蛋白(Integral proteins)： 穿透脂双层，所有整合蛋白都是跨膜蛋白穿过整个脂双层，具有突出于膜的胞外和胞质两侧的结构域。某些整合蛋白只有一个跨膜区，有些具有多次跨膜。含有一个或多个跨膜双螺旋，也是兼性的，即兼有亲水和疏水部分，跨膜结构域的氨基酸残基与脂双层的脂酰键之间形成疏水的相互作用，整合膜蛋白伸入胞质或胞外间隙的部分具有亲水性质，可与水溶性物质相互作用。（2） 外周蛋白(Peripheral proteins)： 完全位于脂双层之外，分布在胞质侧或胞外侧，与质膜表面都以非共价键形式连接。研究最好的是位于质膜内表面(胞质面)的外周蛋白，它们在该处形成一个纤维网络，即膜“骨架”，这些蛋白给膜提供机械支持，并为整合蛋白提供锚定位点。（3） 脂锚定蛋白(Lipid-anchored proteins)： 位于脂双层之外，在胞质侧或胞外侧，与相连的脂分子呈共价连接。蛋白质通过与甘油磷脂酰肌醇(GPI)分子连接的寡糖链结合到膜上，GPI包埋在脂双层外小叶中 质膜胞质侧的蛋白质通过长的包埋在脂双层内小叶中的碳氢链锚定在膜上。2 试述溶质分子跨膜运动的基本机制(a)简单扩散(Simple diffusion)：总是从高浓度到低浓度 (b)简单扩散：通过整合蛋白组成的亲水通道，从高浓度到低浓度 (c) 易化扩散(Facilitated diffusion)：溶质分子特异结合到膜蛋白载体(facilitative transporter)上，运动方向从高浓度到低浓度 (d) 主动运输(Active transport )：通过蛋白运输体(protein transporter )由放能过程(如ATP水解)释放的能量，使蛋白运输体上特异结合位点亲和性改变。运动方向总是逆浓度梯度，从低浓度到高浓度。3 水分子是怎样跨膜运输？（1） 渗透作用：水分子从溶质浓度低的区域向溶质浓度高的区域穿过半透膜，从而进行跨膜运输。（2） 水孔蛋白：a. 水孔蛋白能使水分子从一侧被动运输到另一侧，其含有水分子高度特异的亲水通道。b. 水孔蛋白由4个亚基组成，每个亚基由6个跨膜双螺旋和2个短的螺旋组成(Asn-Pro-Ala)，每个亚基含有一个由疏水氨基酸排列组成的中心通道， 每秒钟能通过约成十亿水分子。c. 水孔蛋白通道含有一组精确定位的带正电荷的氨基酸，当水通过时，吸引每个水分子中的氧原子，这种相互作用，将水分子在通道内重新定向. d. 在水分子通过水孔蛋白通道时，H+也会沿着水分子链跳跃，但是，H+却不会穿过通道。原因：9个水分子沿通道排列，在通道中顶部和底部4个水分子是有方向的 ，与蛋白质的骨架的羧基基团相互作用，水分子之间彼此形成氢键，但在通道中心水分子不能与其它水分子形成氢键，打断了通道中质子流动，保证水分子定向流动。4 以细菌KcsA钾离子通道为例说明钾离子通道结构与运输的关系细菌KcsA通道是由四个亚基组成，每个亚基由两个跨膜的螺旋(M1和M2)和通道胞外的孔区域(P)组成，P(a pore region)是由一个长约1/3通道宽度的短的螺旋和一个能形成“衬里的”狭窄的选择性过滤器(selectivity filter)的无螺旋的环(loop)，允许K+通过。选择性过滤器的衬里含有高度保守的Gly-Tyr-Gly-Val-Thr，这五肽骨架的羧基(C=O)形成四个连续的羰基氧原子环和一个Thr侧链产生的氧原子环。产生5个连续排列的氧原子环。每个环由四个氧原子组成(四个亚基，各贡献一个)，直径是3nm，而失水K+直径是2.7nm。当K+进入通道时，电负性的氧原子替代了与K+结合的水分子。 尽管选择性过滤器具有4个K+结合位点，但实际上只能同时结合2个K+。 脱水的Na+的直径是1.9nm，此通道不能稳定地与氧原子相互作用.bacterial KcsA channel的开关：可以用hinge-bending model 解释具有“门”， 每个亚基的M2 helices 与另一个亚基的M2相互交叉形成一个 “helix bundle”，封闭了面向质膜的孔；M2 helices 可以在具有甘氨酸(glycine) 残基的位点弯曲，将通道门打开。5 乙酰胆碱受体门控通道结构及离子运输乙酰胆碱(Acetylcholine)是由运动神经元释放到肌细胞质膜，与乙酰胆碱受体结合，它可以改变受体的构象，引起离子通道打开。乙酰胆碱受体允许Na+，Ca2+和K+ 通过。Nicotinic acetylcholine receptor(烟碱乙酰胆碱受体) 由5个亚基组成：，和各 1个，2个亚基，每个亚基带有1个乙酰胆碱结合位点。 每个亚基含有4个跨膜双螺旋，5个亚基围成1个中心孔，孔直径约20 ，突出在胞质和细胞表面 ，2个乙酰胆碱结合到2个subunits 上，引起构象发生变化，使疏水侧链远离通道的中心，打开离子通道，让离子通过。组成5个亚基的M2 helices所含有的共5个 Leu 侧链突出在通道，限制了通道的直径，只允许Ca2+，Na+和 K+离子通过。当两个乙酰胆碱受体位点被占据，构象发生变化，随着M2 helices的轻微扭曲，5个 Leu residues (yellow)旋转，远离通道中心，由较小的极性氨基酸 (blue)代替，通道门打开，允许 Ca2+，Na+和K+通过。6 试述Na+/K+运输过程Na+-K+泵：只在动物细胞中发现，维持细胞产生高Na+和K+梯度，在神经和肌肉细胞的冲动形成中起关键作用。研究表明Na+/K+-ATPase转运Na+和K+的比不是1：1而是 3：2；即每水解1个ATP泵出3个Na+，泵入2个K+。Na+/K+-ATPase是P型离子泵，P代表磷酸化，ATP水解释放的磷酸基团被转移到转运蛋白的天冬氨酸残基上，使转运蛋白构象发生改变，导致对两种离子的亲和性的改变。Na+/K+-ATPase必须从低浓度区获取Na+/K+，在浓度高一侧释放，该蛋白在膜的两侧对每一种离子的亲和性是不同的，这是通过磷酸化改变泵蛋白分子的构象而实现的。The Na+/K+-ATPase转运循环过程： 泵蛋白在胞内结合3个Na+，ATP水解 泵蛋白被磷酸化 构象发生变化由E1E2，此时Na+结合位点暴露在保外，蛋白失去对Na+的亲和性，将Na+释放到胞外 3个Na+被释放后，泵蛋白就获得2个K+ 去磷酸化 构象恢复到初始E1，结合位点在内表面打开，并失去对K+的亲和性，将K+释放到胞内。7 G蛋白偶联受体的结构与功能G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptors, GPCRs)：指配体-受体复合物与靶蛋白的作用要通过与G蛋白的耦联，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内影响细胞的行为。结构：GPCRs含有7个跨膜双螺旋，N-末端在细胞外侧，C-末端在细胞质侧，每个跨膜-螺旋由22-24个氨基酸残基组成，-螺旋之间由长度可变的loop相连。3个loop在胞外，形成配体结合位点，同时，有3个loop在胞内，提供细胞内信号蛋白结合位点。G 蛋白与胞内第3个loop结合。 功能：C-末端与分子支架(molecular scaffolds)结合，可与许多信号蛋白和效应器相互作用。G蛋白的和亚基通过脂类基团嵌合在质膜脂双层上。8 异源三聚体G蛋白受体介导激活或抑制机制1） 配体与受体结合，受体构象改变，增加了与G蛋白结合的亲和性；2） G蛋白的亚基释放GDP，由 GTP代替；3） G蛋白的亚基从G蛋白复合体上解离下来，与效应子结合(腺苷酸环化酶)，激活效应子；4） 激活的腺苷酸环化酶产生了cAMP；5） G蛋白的GTPase 活性水解结合的GTP，使G蛋白失活；6） G蛋白的亚基重新与G蛋白的二聚体结合，又形成三聚体G 蛋白，效应子的活性丧失；7） 受体可以被GRK(G protein-coupled receptor kinase)磷酸化；8） 磷酸化的受体可以被一个抑制蛋白分子结合，阻止与其它的激活的G蛋白结合。9 试述以cAMP为第二信使的信号转导途径的作用机制以cAMP为第二信使的信号通路反应链：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(1) cAMP的生成与降解：环式腺嘌呤单核苷酸(cyclicAMP)是由腺苷酸环化酶产生，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。(2)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，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。（3）cAMP为第二信使的信号通路 两条途径分述如下：血液中葡萄糖水平的调控：两个关键的酶：糖原磷酸化酶(Glycogen phosphorylase)和糖原合成酶(glycogen synthase)。由激素通过信号途径调控，糖原磷酸化酶由胰高血糖素和肾上腺素控制，糖原合成酶由胰岛素调控。信号扩增：1个激素分子可激活许多G 蛋白，每个G蛋白能激活1个腺苷酸环化酶效应子，短时间内，产生大量的cAMP 信使。这样，第二信使的产生使原始的信号得以放大。cAMP 分子激活PKA，每个PKA催化亚基磷酸化大量的磷酸酶激酶分子，依次磷酸化糖原磷酸酶分子，催化大量葡萄糖的形成。这样，细胞表面几乎觉察不到的刺激，可以快速转化成胞内产生大量的葡萄糖。10 IP3和DAG双信使磷脂酰肌醇信号途径（一）肌醇-1,4,5-三磷酸(IP3)和二酰甘油(DAG)的生成：1）PH结构域蛋白- PLC（DAG and phospholipases）酶：PLC 酶分子含有PH结构域， PH domain可与磷酸肌醇的磷酸化的肌醇环结合。这种相互作用使酶存在于质膜内表面，可能改变它的酶活性。2）磷酸肌醇的代谢：当乙酰胆碱(acetylcholine) 与受体结合激活异三聚体G 蛋白，依次激活效应子磷脂酶C (phosphatidylinositol-specific phospholipase C-，PLC) ，PLC 定位在质膜的内表面，通过PH domain与嵌入在脂双层中的磷酸肌醇相互作用。PLC使PIP2分解成两个分子： inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3) 和diacylglycerol (DAG)，它们作为第二信使。（3）第二信使：二酰甘油(DAG)是一种脂类分子，仍存留在质膜里，募集和激活蛋白激酶C (protein kinase C，PKC)效应蛋白，PKC可以磷酸化靶蛋白的丝氨酸和苏氨酸。和蛋白激酶A(PKA，cAMP激活的酶)一样，PKC是一种多功能的丝氨酸/苏氨酸激酶，能够磷酸化多种不同的蛋白质。1,4,5-三磷酸肌醇(IP3)是一种能快速扩散的水溶性磷酸糖小分子，IP3在质膜上形成后，快速扩散到细胞质基质中，与光面内质网(SER)表面的特异IP3受体结合。SER中贮存大量的Ca2+，IP3受体不只是结合配体，本身是一个四聚体的Ca2+通道。 IP3的结合使通道开放，让Ca2+离子扩散到细胞质中。 Ca2+是细胞内信使或第二信使，与各种靶分子结合，激发各种特异反应。（二）肌醇-1,4,5-三磷酸(IP3)和二酰甘油(DAG)的双信使磷脂酰肌醇信号通路：当膜受体接受胞外信号后，通过G蛋白偶联激活磷脂酶C，引起磷酸酰肌醇二磷酸(PIP2)的水解反应,产生肌醇三磷酸（IP3）和二酰甘油（DAG）两个胞内信使，IP3与内质网或液泡膜上的IP3-Ca2+通道结合，使通道打开；DAG与蛋白激酶C（PKC）结合并激活之，PKC进一步使其他激酶磷酸化，即引发IP3Ca2+和DAGPKC两条信号转导途径。11 受体酪氨酸激酶信号途径1 蛋白酪氨酸激酶(Protein-tyrosine kinases)：磷酸化底物蛋白质特异酪氨酸残基的酶。1.分类：受体蛋白-酪氨酸激酶( Receptor protein-tyrosine kinases，RTKs)：是一个整合膜蛋白，含有一个跨膜双螺旋，一个胞外配体结合结构域，胞质部分具有酪氨酸激酶活性和含酪氨酸的尾巴。非受体/胞质蛋白-酪氨酸激酶(Nonreceptor or cytoplasmic protein-tyrosine kinases)受体酪氨酸激酶(RTKs)的自激活和二聚体化：受体酪氨酸激酶(RTKs)的胞外区是结合配体结构域，配体包括胰岛素和多种生长因子。胞内段是酪氨酸蛋白激酶的催化部位，并具有自磷酸化位点。配体(如EGF)在胞外与受体结合并引起构象变化，导致受体二聚化(dimerization)形成同源或异源二聚体，激活受体本身的酪氨酸蛋白激酶活性，在二聚体内彼此相互磷酸化胞内段的酪氨酸残基。RTKs自激活执行两种不同的功能： 调控受体激酶活性提供胞质信号分子的结合位点。受体二聚体 (Receptor Dimerization) 形成机制：配体介导的二聚化： 早期认为RTK的配体含有两个受体结合位点，这样可以同时结合两个受体。受体介导的二聚化：表皮生长因子(EGF) 含有一个受体结合位点，配体-EGF 与受体结合，使得受体胞外结构域的构象发生变化，形成受体二聚体。同时，受体的二聚体化，使得受体蛋白酪氨酸激酶结构域在胞内并列排列，这样两个激酶结构域可以相互磷酸化酪氨酸。2 信号蛋白1 接头蛋白：接头蛋白的功能是作为接头(linker)连接多个信号蛋白，形成一个信号复合体。2 停靠蛋白或对接蛋白(docking protein)：含有一个PTB domain或一个SH2 domain，同时含有许多酪氨酸的磷酸化位点。3 转录因子(transcription factors)：如在免疫系统中起重要作用的STAT转录因子家族。4 信号酶：包括蛋白激酶、蛋白磷酸酶、脂类激酶、磷脂酶和GTPase激活蛋白3 信号终止： RTKs信号传导可以通过受体的internalization终止，比如泛素化。RTKs由配体结合激活，酪氨酸自磷酸化，为含有SH2结构域的Cbl提供结合位点，Cbl与受体结合，催化泛素结合到受体上，受体被泛素化，随后被降解。12 Ras-MAP激酶途径信号通路可概括如下： 配体RTK信号蛋白adapto