激素作用机制.ppt

1、激素及其作用机制,Hormones and Their Mechanism of Action,南方医科大学基因工程研究所 生物化学与分子生物学教研室 朱利娜 ,第七章,概述 主要激素的化学与生理生化功能 激素作用机制与受体 细胞膜受体作用机制 细胞内受体作用机制,内容提纲,细胞信息传递(Signal Transduction),细胞外信息如何传入细胞内并 引起细胞反应 不同亚群细胞之间的协调配合,信息物质（signal molecules）： 调节细胞生命活动的化学物质,信息物质经扩散或血循环到达靶细胞,与靶细胞的受体特异性结合,受体对信号进行转换并启动靶细胞内信使系统,靶细胞产生生物学效应

2、,细胞信息转导的过程,特定的细胞释放信息物质,细胞间信息物质(extracellular signal molecules) 由细胞分泌的调节靶细胞生命活动的化学物质，又称为第一信使(first messenger) 细胞内信息物质(intracellular signal molecules) 在细胞内传递细胞调控信号的化学物质，由第一信号物质经转导刺激在细胞内产生，包括第二信使及第三信使,信息物质的分类,神经递质 内分泌激素 局部化学介质 气体信号 其他,细胞间信息物质,蛋白质及肽类 氨基酸及其衍生物 类固醇激素 脂酸衍生物 气体,化学本质,作用方式,细胞间信息物质影响细胞功能的途径,无机

3、离子：如Ca2+ 脂类衍生物： 如DAG，花生四烯酸及其代谢产物， Cer（神经酰胺）等 糖类衍生物：如IP3 核苷酸：如cAMP，cGMP 信号蛋白分子：如Ras和底物酶,细胞内信息分子,化学本质,第二信使(secondary messenger) Ca2+、 DAG、 IP3、 Cer、cAMP、cGMP、花生四烯酸及其代谢产物等这类在细胞内传递信息的小分子化合物。 第三信使(third messenger) 负责细胞核内外信息传递的物质，又称为DNA结合蛋白，是一类可与靶基因特异序列结合的核蛋白，能调节基因的转录。,第三节 受 体Receptor,受体与配体的概念 受体-配体结合的特性

4、受体的分类、一般结构及功能 （一）受体的分类 （二）膜受体类型 （三）胞内受体,一、受体与配体的概念,受体(receptor)是细胞膜上或细胞内能特异识别生物活性分子并与之结合，然后将识别和接受的信号正确无误地放大并传递到细胞内部，进而引起生物学效应的特殊蛋白质，个别是糖脂。,（一）受体的概念,（二）配体的概念,对受体具有选择性结合能力，结合后使该细胞产生特定生物效应的生物活性化学信号分子，称为配体（ligand）,激动剂(agonist) 拮抗剂(antagonist) - 虽然能与受体结合，但并不使靶细胞产生生物效应的配体，它可拮抗激动剂的作用 部分激动剂(partial agonist)

5、 - 既具有激动作用，又具有拮抗作用的配体 反向激动剂(inverseagonist) - 又称为负性拮抗剂(negative antagonist)或抑制激动剂(inhibitory agonist)，使靶细胞产生的生物效应与激动剂引起的效应正好相反,可饱和性 高度亲和力 高度专一性 可逆性 结合的生物学效应 体外重组受体的功能再现性,二、受体-配体结合的特性,1. 膜受体绝大部分是镶嵌糖蛋白,（一）受体的分类,三、受体的分类、结构及功能,其配体信号分子为亲水性物质，如细胞因子，蛋白多肽类激素，水溶性激素，前列腺素，亲水性神经递质等，不能通透靶细胞膜进入胞内,2. 胞内受体全部为DNA结合蛋

6、白,某些配体信号分子可以直接穿过靶细胞膜，与细胞浆或细胞核受体相互作用，通过调控特定基因的转录，利用基因表达产物的表达上调或下调，由此启动一系列的生化反应，最终导致靶细胞产生生物效应。,1. G蛋白耦联受体 2. 离子通道受体 3. 具有内在酶活性的受体 4. 与酪氨酸蛋白激酶活性相关的受体,（二）膜受体类型,1. G 蛋白偶联受体 (G-protein coupled receptors，GPCRs),G蛋白 (guanylate binding protein) 鸟苷酸结合蛋白,是一类与GTP或GDP相结合、位于细胞膜胞浆面的外周蛋白，由、 三个亚基组成。,有两种构象： 非活性型： 亚基与

7、GDP结合，并与、亚基 形成异源三聚体 活性型： 亚基与GTP结合，并与、亚基 二聚体分离,G蛋白的主要类型,GRCPs的信息转导途径,两种G蛋白的活性型和非活性型的互变,2. 离子通道受体 (Ion-channel receptors) 受神经递质等信息 物质调节。当神经递质与他们结合后，可使细胞膜上的离子通道打开或关闭，从而改变膜的通透性。,（1）受体酪氨酸蛋白激酶(tyrosine-protein kinase, TPK )系统 （2）受体丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶系统 （3）受体鸟氨酸环化酶系统 （4）受体NO合酶系统,3. 具有内在酶活性的受体 (receotors with intri

8、nsic enzymatic activity),含TPK结构域的受体 EGF:表皮生长因子 IGF-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,细胞膜,TGF的型和型受体,丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性,* 非催化性受体 * JAKs (janus kinases) * 信号转导子和转录激动子 (signal transductors and activators of transcription ，STAT),4. 与酪氨酸蛋白激酶活性相关的受体,干扰素激活JAK、STAT，并诱导STAT复合体核内转移及调节基因转录机制,位于胞浆和细胞核内，多为DNA结合蛋

9、白，当与相应配体结合后，能与DNA分子结合，调节基因转录。 能与此型受体结合的信息物质有类固醇激素、甲状腺素和维甲酸等。,（三）胞内受体（intracellular receptor）,(1) DNA结合区：含锌指结构，与DNA结合 (2) 核定位序列：引导受体向核内移动 (3) 激素结合区：使受体二聚化；激活转录 (4) 受体调节区：具转录激活作用,受体调节区,DNA结合区,激素结合区,NH2,COOH,核定位序列,不同类型受体介导的信号转导模式,第四节 细胞膜受体作用机制,Mechanism of Signal Transduction by Membrane Receptors,通过第二

10、信使介导的信号转导 cAMP-蛋白激酶途径 Ca2+-依赖性蛋白激酶途径 cGMP-蛋白激酶途径 通过相关蛋白激酶的信号转导 有丝分裂原激活蛋白激酶的信号转导 靶细胞对配体信号的响应,（一）cAMP-蛋白激酶途径,胰高血糖素、肾上腺素促肾上腺皮质激素,ATP,cAMP,5-AMP,磷酸二酯酶,胰岛素等,G蛋白(Gi),一、通过第二信使介导的信号转导,+,cAMP,ATP,AMP,磷酸二酯酶 (phosphodiesterase, PDE),腺苷酸环化酶 (adenylate cyclase,AC),cAMP的作用机制,cAMP 对细胞的调节作用是通过激活cAMP 依赖性蛋白激酶(蛋白激酶A,

11、PKA)系统来实现的。,PKA的作用 （1）对代谢的调节作用 PKA催化代谢酶磷酸化，通过共价修饰作用调节酶的活性，从而调节物质代谢 （2）对基因表达的调节作用 PKA催化CREB中特定的丝/苏氨酸残基磷酸化，使CREB形成同源二聚体，与DNA上的CRE结合，从而激活受CRE调控的基因转录。,ATP,cAMP,酶或功能蛋白磷酸化,cAMP-蛋白激酶途径,(cAMP response elemnet binding protein,cAMP反应元件结合蛋白）,PKA,结构基因, ,细胞核,DNA,蛋白质, ,核膜,PKA对基因表达的调节作用,PKA对底物蛋白的磷酸化作用,ATP,cAMP,细胞膜

12、,胰高血糖素是如何升高血糖的？,血 糖,血糖的来源和去路,糖原合酶,糖原 磷酸化酶,丙酮酸激酶等,乙酰CoA羧化酶,-P,-P,-P,-P,（二）Ca2+-依赖性蛋白激酶途径,Ca2+-磷脂依赖性蛋白激酶途径 Ca2+-钙调蛋白(Ca2+- CAM)依赖性途径,Ca2+-磷脂依赖性蛋白激酶途径,促甲状腺素释放激素、去甲肾上腺素、抗利尿激素,磷脂酰肌醇 4,5-二磷酸(PIP2),IP3+ DAG,DAG，IP3的生物合成,DAG生成后仍留在质膜上，在磷脂酰丝氨酸和Ca2+的配合下，激活蛋白激酶C（PKC）。 IP3生成后，从膜上扩散至胞浆中与内质网和肌浆网上的受体结合，从而促进这些钙储库内的C

13、a2+迅速释放，使胞浆内Ca2+浓度升高。在DAG和膜磷脂共同诱导下，PKC被激活。,PKC的结构与生理功能 （1）PKC的结构与分型 其氨基酸序列有四个保守区（C1、C2、C3、C4 )和可变区（），分为调节结构域和催化结构域。,调节 结构域,催化 结构域,（2）PKC的生理功能 对代谢的调节作用 催化一系列靶蛋白的丝/苏氨酸残基磷酸化而改变功能蛋白的活性和性质。 靶蛋白包括质膜受体、膜蛋白和多种酶，从而影响细胞内信息的传递，启动一系列生理、生化反应。 对基因表达的调节作用,Ca2+-钙调蛋白(CAM)依赖性蛋白激酶途径,Ca2+浓度10-2 mmol/L,Ca2+与CaM结合,Ca2+-C

14、aM激酶,磷酸化蛋白质的丝/苏氨酸残基,激活功能蛋白或使之失活,（三）cGMP-蛋白激酶途径,信息分子,靶细胞膜受体/胞内可溶性受体,鸟苷酸环化酶(GC),GTP,cGMP,cGMP依赖性蛋白激酶（蛋白激酶G）,有关蛋白或有关酶类的丝/苏氨酸残基磷酸化,使有关蛋白或酶类的丝、苏氨酸残基磷酸化,PKG的功能,NO,GC,GTP,cGMP,R,胞 膜,* 生理效应：如心钠素、NO舒张血管平滑肌。,可溶性受体,酪氨酸蛋白激酶(tyrosine-protein kinase, TPK ),1. 受体型TPK： 催化型受体，位于细胞质膜上。当与配体结合后，大多数发生二聚化而被激活，自身磷酸化 2. 非受

15、体型TPK： 位于胞浆中，常与非催化型受体偶联而发挥作用。,二、通过相关蛋白激酶的信号转导,组成：催化性受体，GRB2, SOS, Ras蛋白, Raf蛋白，MAPK系统,GRB2 (growth factor receptor bound protein 2)： 接头蛋白，含有SH2和SH3结构域 SOS (son of sevenless)：富含脯氨酸，可与SH3结合；并具有核苷酸转移酶活性，促使Ras的GDP换成GTP Ras蛋白：原癌基因产物，类似于G蛋白的G亚基 Raf蛋白：具有丝/苏氨酸蛋白激酶活性 MAPK (mitogen-activated protein kinase)系统

16、,三、有丝分裂原激活蛋白激酶的信号转导,细胞外信号,受体型TPK,自身磷酸化，并磷酸化中介分子GRB2和SOS,激活Ras蛋白(Ras-GTP),活化Raf蛋白(丝氨酸/苏氨酸激酶活性),激活有丝分裂原蛋白激酶系统（mitogen-activated protein kinase, MAPK）,细胞外信号 EGF、PDGF等,具TPK活性的受体,Ras-GTP,调节其他蛋白活性,细胞核,调控基因表达,细胞膜,二聚化,第五节 细胞内受体作用机制,Mechanism of Signal Transduction by Intracellular Receptors,细胞内受体 （1）核内受体 （2）胞浆内受体 通过细胞内受体调节的激素 （1）类固醇激素： （2）甲状腺素（T3及T4）,类固醇激素、甲状腺素等,核内受体,胞浆内受体,受体构象改变， 暴露出DNA结合区,激素-受体复合物二聚体,激素-受体复合物作为反式作用因子与DNA特异基因的激素反应元件(hormone response element,HRE)结合,特异基因易于(或难于)转录,家族性高胆固醇血症