三磷酸肌醇-生物化学与分子生物学.ppt

1、生物化学,李 恩 民,细胞间信息传递 第一节 细胞间信息传递的方式 第二节 信息物质与受体 第三节 主要的信息传递途径 第四节 信息传递与疾病,细胞间信息传递的原动力 1 漫长进化所致 2 生活竞争所迫 3 环境压力所逼 4 功能整合所需,是单细胞生物不需细胞间信息传递? 还是单细胞生物细胞间的信息传递相对不发达？,物质流,能量流,信息流,第一节 细胞间信息传递的方式 一 神经传导 二 体液传导,图102 外周神经纤维的髓鞘结构,(二) 神经传导信息的过程(以乙酰胆碱相关信 息传导过程为例) 1 神经元形成动作电位，即电信号。 2 电信号沿轴突传导到达突触部位。 3 在突触部位，电信号导致突触

2、前膜释放神经递质到突 触间隙。 4 在突触间隙，神经递质弥散到达突触后膜，并与突触 后膜上的受体结合。 5 突触后膜上的离子通道开放，钠离子内流，钾离子外 流，引发突触后膜细胞形成新的动作电位。 6 ，神经信号继续向前传导。,电压敏感钠通道,. . .,. .,乙酰胆碱,神经末梢,电压敏感钙通道,乙酰胆碱敏感离子通道,电压敏感钙通道,静止状态,激活状态,神经肌肉突触乙酰胆碱信号传导过程,钙释放通道,肌浆网,肌细胞,Na+,Na+,Ca2+,Ca2+,.,1,2,3,4,4,4,4,（三）神经递质 1 按理化性质分类 （1）氨基酸类：谷氨酸、甘氨酸 （2）氨基酸衍生物类： 氨基丁酸 （3）胺类：

3、多巴胺、肾上腺素、去甲肾上腺素 （4）其他含氮化合物类：一氧化氮、乙酰胆碱 （5）神经肽类：脑啡肽、内啡肽,2 按功能分类 （1）激动性神经递质(excitatory neurotransmitters)： 谷氨酸、乙酰胆碱、5 羟色胺等。使阳离子 通道开放，钠离子内流，突触后膜去极化，接 近或触发阈电位。 （2）抑制性神经递质(inhibitory neurotransmitters)： 氨基丁酸、甘氨酸等，氯离子通道开放， 氯离子内流，突触后膜超极化，抑制触发。,3 作用特点 （1）半寿期一般比较短：通过酶催化水解，迅 速清除神经递质，有利于神经递质浓度的 调节。 （2）作用特异性强：不同

4、类型的离子通道受体 对相应类型的神经递质和离子具有高度选 择性。而神经递质本身也具有较高的组织 特异性。 （3）一氧化氮等特殊神经递质的作用 ：小分子 、疏水、通透性强，可直接调节细胞内某 些酶的活性。,二 体液传导 细胞分泌的信息物质，不受细胞膜局限，分泌到细胞 外后，通过机体体液途径，到达并作用于靶细胞，产生效应。,神经传导，受细胞膜局限,体液传导，不受细胞膜局限,（一） 体液传导与神经传导之间特点的比较,（二） 体液传导过程 1 内分泌传导：,靶细胞,分泌细胞,信息物质,血流,远距离体液传导,旁分泌传导,2-1,2-1,2-2,3-2,3-2,3 自分泌传导,局部近距离组织液 和细胞间液

5、传导， 作用于非自细胞,局部近距离组织液 和细胞间液传导， 作用于自身细胞,3-1,第二节 信息物质与受体 一、信息物质 （一） 信息物质的定义 在生物体细胞外或细胞间以及细胞内负责传递信息的物质 被称之为信息物质。 为了易于理解，信息物质按照生成以及发挥作用时所处的 空间位置又被逐步区分为第一信使、第二信使和第三信使。 第一信使（first messenger）：在细胞外或细胞间负责传递信息的物质。 第二信使（second messenger）：在细胞浆负责传递信息的物质。 第三信使（third messenger）：在细胞核负责传递信息的物质。,练习题 三个重要概念： 第一信使(first

6、 messenger) 第二信使(second messenger) 第三信使(third messenger),第一信使（first messenger） 答案：在细胞外或细胞间负责传递信息的物质。 两个关键点 关键点1：细胞外或细胞间是第一信使生成以及发挥作用的空间位置 关键点2：对细胞发挥作用的一束光、一种声音，甚至一种机械刺激依然为第一信使。信息物质与信息分子两个概念的范畴是有区别的。前者的范畴更大，前者包含后者，后者是某种具明确结构的化学物质。,第二信使（second messenger） 标准答案：在细胞浆负责传递信息的物质。 不确切答案：在细胞内负责传递信息的物质。 两点疑问：

7、疑问1：细胞内有光、声音或机械刺激的直接传递吗？ 疑问2：这是否可归于第二或第三信使？,（二） 信息物质的分类 根据信息物质的理化性质分类 1 蛋白质多肽：促甲状腺释放激素等 2 氨基酸衍生物：多巴胺、肾上腺素等 3 脂类化合物：糖皮质激素、性激素、溶血 磷脂酸、甘油二脂、1磷酸 神经酰胺等 4 核苷酸衍生物: cAMP、cGMP等 5 无机盐离子：Ca2+等 6 其它：一束光、一种声音和一种机械刺激等,根据信息物质的来源分类 1 激素：（1）来源于经典内分泌腺细胞 （2）来源于非内分泌腺细胞 2 神经递质：来源于神经细胞 3 细胞因子：来源于基质细胞、淋巴细胞和巨 噬细胞等 4 其它：来源于

8、体外，如一束光、一种声音和 一种机械刺激等。,（二） 信息物质的作用特点 1 亲水性信息物质：与细胞膜上的受体结合， 而不是穿过细胞膜，把 信息传递进入细胞内， 引发生物效应。 2 亲脂性信息物质：穿过细胞膜，与细胞内 受体直接结合，引发生 物效应。,二 受体（receptor）的概念 所谓受体是指靶细胞膜上或靶细胞中一类特殊的分子或分 子复合物，它们能够识别信息物质，并与之结合，产生信 息传递效应。简言之，受体即细胞的外界信息接受装置。 两个关键点： 大部分受体的化学本质为蛋白质，个别受体的化学本质为 多糖。质膜上的受体是糖基化蛋白（胰岛素受体、促甲状腺 激素受体）、蛋白聚糖（某些细胞因子受

9、体）或脂蛋白（胰 高血糖素受体）。 有些受体位于质膜，有些受体位于胞内。胞内受体主要位于核内，少量位于胞浆。,概念题与填空题 受体（receptor）：靶细胞膜上或靶细胞中一类特殊的 分子或分子复合物，它们能够识别信息物质，并与之 结合，产生信息传递效应。,受体的结构与功能 （一）离子通道偶联受体（direct ligand-gated channel receptor）,图105 离子通道偶联受体结构示意图,快速传递，数毫秒内,图106 乙酰胆碱受体结构模式图,通道孔径小于0.65nm，只允许阳离子通过,每个亚基有4个跨膜-螺旋区,填空题 G蛋白是一类GTP或GDP结合蛋白，位于细胞膜胞液面

10、，由亚基（45kD）、亚基（35kD） 和亚基（7kD）组成，通过 亚基的异戊二烯基团或亚基的豆蔻酰基团锚定于细胞膜。 各种G蛋白的亚基均有一个可被霍乱毒素或百日咳毒素ADP-核糖基化修饰部位，被修饰后G蛋白的功能改变。 霍乱毒素引起s ADP-核糖基化，使之丧失GTPase活性，处于s 持续激活腺苷酸环化酶的状态。 百日咳毒素引起i ADP-核糖基化，阻止i 被激活，使腺苷酸环化酶处于不可逆活性状态。,10-8 G蛋白作用模式图,第一信使,填空题 G蛋白由、和三个亚基组成，以异三聚体形式存在并与GDP结合者为非活化型，而亚基与GTP结合并与/亚基分离则变成活化型。,（三）酶蛋白受体和酶蛋白偶

11、联受体,1 胞外区： 胞外，配体结合区，N端，500 800个氨基酸残基，常富含半胱氨酸Cys或免疫球蛋白Ig同源结构,2 跨膜区： 膜内，2226个疏水氨基酸残基，一条螺旋,3 胞内区： 3.1 胞内，C端 3.2 激酶功能区(结合底物和 ATP)或酶蛋白结合区 3.3 调节区(结合调节物分子),Ig同源结构,富含Cys,2,1,3, 表皮生长因子（EGF）受体 胰岛素样生长因子-(IGF-）受体 血小板衍生生长因子(PDGF)受体 成纤维细胞生长因子（FGF）受体,激酶结合区,结构特点 1 受体膜内部分本身具有潜在的酶活性。 2 受体膜内部分本身无酶活性，但可与其他酶蛋白偶联。 酪氨酸蛋白

12、激酶：使底物蛋白肽链中的酪氨酸残基磷酸化。 酪氨酸蛋白磷酸酶：使底物蛋白肽链中酪氨酸残基的磷酸基团水解。 丝/苏氨酸蛋白激酶：使底物蛋白肽链中的丝/苏氨酸残基磷酸化。 鸟苷酸环化酶：催化生成环鸟苷酸（cGMP）,补充说明： 酶蛋白偶联受体的功能往往与细胞的增殖、分化和恶变等密切相关。 干扰素、促红细胞生成素、粒细胞集落刺激因子、白细胞介素-2和白细胞介素-4等信息物质的受体本身缺少酪氨酸蛋白激酶活性，可偶联一种连接蛋白（JAKs）， JAKs 有酪氨酸蛋白激酶活性，借助于此完成相应信息转导。,四、信息分子与受体结合的特点（填空题） 高度亲和力（high affinity）：Ka值常常达到108

13、L/mol。 高度特异性（high specificity）：由信息物质与受体相互匹配的构象决定。 结合可逆性（reversibility） ：信息物质与受体往往依靠非共价键结合在一起，这种结合是可逆的。 饱和性（saturability）：受体的数目是有限的，当绝大多数受体与信息物质结合后，此时再增加信息物质的浓度，受体结合率也不会明显增加。 放大效应（magnify）：信息物质与受体结合，通过偶联机制使信息效应逐级放大。 可调节性（regulation）：受体的功能与受体的数目以及受体对配体的亲和力有关，可受许多因素的调节。如受体的数目或受体对配体的亲和力下降称为受体下调（downregu

14、lation），反之称为受体上调（upregulation）。,第三节 主要信息传递途径 不同的信息物质通过不同的途径传递信息到达靶细胞内发挥生物效应。,（二）以cAMP为第二信使的信息物质以及cAMP的产生 G蛋白偶联受体的信息物质，大多数以cAMP为第二信使，如下丘脑释放激素、垂体促激素、胰高血糖素、绒毛膜促性腺激素等。,信息物质 受体,Gs 腺苷酸环化酶 cAMP,Gi 腺苷酸环化酶 cAMP,例子：肾上腺素受体型与Gs偶联， 而肾上腺素受体型则与Gi偶联,第二信使 cAMP,催化亚基2聚体,蛋白激酶 A （4聚体）,调节亚基2聚体,（三）cAMP的第二信使作用/信息在细胞内的逐级放大,

15、R,C,C,R,R,R,C,C,cAMP,cAMP,cAMP,cAMP,靶蛋白的丝/苏氨酸残基磷酸化,磷酸化共价修饰代谢途径中的关键酶 丙酮酸脱氢酶：抑制乙酰CoA的合成 激素敏感脂肪酶：促进脂肪分解 乙酰CoA羧化酶：抑制脂肪酸合成 糖原合成酶：抑制糖原合成 糖原磷酸化酶b激酶 糖原磷酸化酶b ：促进糖原分解 特点，一是调节速度相对快，二是位于胞浆,1957年，Sutherland用肾上腺素作用于肝细胞，发现糖原磷酸化酶活性增高以及cAMP与该酶活性有关这样两个实验现象，并因此提出了肾上腺素的作用是通过cAMP作为第二信使，激活PKA（protein kinase A）实现的。,问答题 试述

16、肾上腺素与受体结合，调节糖原代谢级联反应的过程。 以肾上腺素为例，说明激素膜受体信号转导过程。 答案：肾上腺素 受体 Gs蛋白腺苷酸环化酶AC cAMP蛋白激酶A 酶或其他功能蛋白生物效应 说明G蛋白是如何调控细胞膜上腺苷酸环化酶AC活性的。 答案要点：Gs与Gi 机体以何种方式激活蛋白激酶A和磷酸化酶b激酶，说明两种方式的主要区别。答案要点：别构方式与别构剂cAMP，化学修饰方式与Ser/Thr的磷酸化。,填空题 PKA被cAMP以别构方式被激活后，在ATP存在下，可催化底物蛋白某些特定的丝氨酸Ser或苏氨酸Thr残基磷酸化。 肾上腺素与受体结合后，通过G蛋白介导激活腺苷酸环化酶AC，使细胞

17、内的cAMP浓度升高，激活蛋白激酶A系统。,磷酸化共价修饰某些转录因子调节相关基因的转录 特点，一是调节速度相对慢，二是位于胞核。,cell out,cell in,R,R,C,C,C,C,R,R,PKA,C,CREB,CREB,ATP,P,TGACGTCA,gene,RNA,protein,RNA,CREB,P,DNA,cAMP,AC,（四）cAMP的分解,选择题 细胞内催化cAMP分解的酶是 磷酸二酯酶 一种激酶 一种水解酶 一种聚合酶 蛋白激酶A,单选题答案：1,多选题答案：1和3,（一）cGMP的分子结构,二、cGMP介导的信息跨膜传递/cGMP信息通路,5,3,三、甘油二脂介导的信息

18、跨膜传递,（一）甘油二脂（DG或DAG） 的分子结构,OH,1位 2位 3位,（二）DG的生成 1 细胞信息传递早期以 及快速反应中产生的 DG主要来自于PIP2， 由PLC催化 2 细胞信息传递后期产 生的DG主要来自于 磷脂酰胆碱，由PLD催化,图1012 磷脂 酰肌醇4,5 二磷 酸（PIP2）结构 示意图,胆碱 HOCH2CH2N(CH3)3,DG、IP3的生成,（三）激活磷脂酶C产生DG的信息物质,5羟色胺 乙酰胆碱 促肾上腺皮质激素 促甲状腺释放激素 血管紧张素 P物质 缓激肽 白细胞抑制因子 神经生长因子 白细胞介素 1 白细胞介素 4,受体,G蛋白,磷脂酶C,DG,（四）DG第

19、二信使的作用,位于细胞膜，DG,非活性状态PKC （位于细胞浆）,活性状态PKC （位于细胞膜）,Ca2，磷脂酰丝氨酸,靶蛋白丝苏氨酸残基磷酸化,PKC同工酶的种类与结构 7787kD，单体蛋白，包括3类，12种亚型。,1 常规型PKC，、和亚型,2 新型PKC，、和亚型,3 非典型PKC，、和亚型,C4,C3,C3,C3,C4,C4,C1,C1,C1,C1,C1,C2,催化域,调节域,N,C,C1：DG结合区，富含Cys的重复序列 C2：Ca2结合区（新型和非典型PKC的活化不需要Ca2，非典型PKC 不受佛波酯调节） C3：ATP结合区 C4：底物结合，催化磷酸基转移区,四、IP3和钙离子

20、介导的信息传递 （一） IP3和钙离子的结构,三磷酸肌醇(IP3),2,Ca2+-20,2,8,8,钙离子,（二） IP3和钙离子的产生,Ca2+,Ca2+,Ca2+,G蛋白,受体,信息物质 3,103mol/L,107mol/L,信息物质 1(激素或神经递质),PLC,内质网,IP3,+,DG,G蛋白,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,PIP2,钙结合蛋白,.,.,.,.,.,.,.,.,.,Ca2+,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,PLC-,PLC-,信息物质 2(生长因子),蛋白激酶G,（三） IP3和钙离子的第二信使作用,IP3,细胞内钙库

21、Ca2+释放，细胞外Ca2+内流（钙库Ca2+耗竭）,细胞内Ca2+,蛋白激酶C,PKC ,钙调蛋白依赖性蛋白激酶,CaM-PK 一种丝氨酸蛋白激酶，靶蛋白谱非常广泛,平滑肌肌球蛋白轻链磷酸化:增加肌张力。 Ca2+/Mg2+ ATP酶磷酸化:把细胞内Ca2+泵出细胞外。 活化酪氨酸羟化酶和色氨酸羟化酶：促进儿茶酚胺和5羟色胺的合成 微丝与微管等骨架蛋白磷酸化：调节细胞的形态与运动,钙调蛋白,(四) IP3和钙离子的清除,IP3，肌醇1,4,5-三磷酸,肌醇1,4-二磷酸(无活),肌醇(无活),肌醇1,3,4,5-四磷酸(活性),肌醇1,3,4-三磷酸(无活),磷酸酶,磷酸酶,激酶,磷酸酶,C

22、a2+,细胞,内质网,填空题 在Ca2磷脂依赖性蛋白激酶途径中，质膜上的磷脂酰肌醇4，5二磷酸被磷脂酶C水解产生二脂酰甘油DG和1，4，5三磷酸肌醇IP3两种第二信使物质。 Ca2磷脂依赖性蛋白激酶途径既可以单独调节细胞代谢，也可以与cAMP-蛋白激酶A和/或酪氨酸蛋白激酶途径偶联，共同调节细胞代谢。,（三）磷酸化酪氨酸残基为SH2结构域所识别 SH是Src蛋白的一段同源序列（Src Homology）， SH2和SH3是其中更小的节段。 细胞内含有SH结构域的蛋白质很多，如：GTP酶活化蛋白，磷脂酶C-、三磷酸肌醇激酶以及类似Src的非受体酪氨酸蛋白激酶等。它们识别并停靠在受体胞内段磷酸化的

23、酪氨酸残基上，被磷酸化激活。 另外，不含SH结构域的某些蛋白底物可通过一种结合器蛋白的连接作用被受体酪氨酸蛋白激酶催化磷酸化。,c-Src蛋白的结构 c-Src是由一条多肽链组成的单体蛋白，分子量为 60kD，由癌基因c-src编码。c-Src具有酪氨酸激酶活性，是非受体型TK（tyrosine kinase）,G2,S17,SH3,SH2,K295 Y416,Y527,1 2 3 4 5 6 7 8,肉豆蔻酰基（myristoyl） 肉豆蔻酰基结合位点（myristylation site），富含甘氨酸 独特位点区（unique site domain），含有多个丝 / 苏氨酸磷酸化位点 S

24、rc同源结构域3 ，决定c-Src与其它蛋白分子之间的识别与结合 Src同源结构域 2，决定c-Src与其它蛋白分子之间的识别与结合 催化结构域 催化结构域 调节结构域,填空题 细胞中的酪氨酸蛋白激酶包括位于细胞膜上的受体型，和位于细胞浆中的非受体型，其中可催化自身磷酸化的是位于细胞膜上的受体型。 单跨膜螺旋受体主要包括酪氨酸蛋白激酶型受体和非酪氨酸蛋白激酶型受体，其中酪氨酸蛋白激酶型受体与配体结合后可催化受体自身磷酸化。,六 胞内受体介导的信息跨膜传递,激素反应元件（hormone response element，HRE） 在一些基因的调控序列中，存在着这样一些特殊的序列，它们可以与某些激

25、素-受体复合物特异性结合，并以此调节基因的转录。基因上的这些特殊的序列就叫做激素反应元件。 HRE常常是由两个六核苷酸序列组成的回文结构，或是同向重复的两个六核苷酸序列。 1. 糖皮质激素：AGAACAXXXTGTTCT 2. 雌激素：AGGTCAXXXTGACCT 3. 甲状腺激素：AGGTCATGACCT 4. 维生素D3：AGGTCAXXXAGGTCA,问答题 受细胞内第二信使调节的蛋白激酶主要有哪些。 答案：蛋白激酶A、蛋白激酶C、蛋白激酶G、Ca2CaM依赖性蛋白激酶。 细胞内主要有哪些蛋白激酶参与信号转导。 答案：蛋白激酶A、蛋白激酶C、蛋白激酶G、Ca2CaM依赖性蛋白激酶、酪氨

26、酸蛋白激酶。 膜受体介导的跨膜信息传递有哪些主要途径。,cell membrane,Gs/i,cAMP,PKA,P,1,AC,R,下丘脑的释放激素,ATP,TGACGTCA,gene,CREB,P,CREB,RNA,肾上腺素,胰高血糖素,垂体促激素,抗利尿激素,绒毛膜促性腺激素,甲状旁腺素,大多数肽类激素,AMP,PDE,+,_,茶碱,胰岛素 Ca2+ CaM,儿茶酚胺，2受体，Gi,儿茶酚胺，受体,生长抑素，2受体，Gi,cell in,cell out,TPK,R,信息物质-X,，,信息物质-X,信息物质-Y,信息物质-Y ？,生长因子,癌蛋白,细胞因子,cAMP介导的信息跨膜传递,生化效

27、应：靶蛋白丝/苏氨酸的磷酸化 抑制糖原合成，促进糖原分解 促进脂肪分解，抑制脂肪酸合成 去除对相关基因转录的阻遏，并同时加速转录与翻译过程 使心肌肌原蛋白易于结合Ca2+，加速心肌肌浆网膜蛋白摄Ca2+ 改变微管蛋白的构象与功能，影响细胞分泌 影响细胞膜蛋白的构象，改变膜对水和离子的通透性,胰岛素，Gi,抗血管紧张素，Gi,促肾上腺皮质激素,Mg2+,ATP,cell membrane,R GC,cGMP,PKG,胞质型GC,NO/CO,心钠素ANP,P,gene,RNA,GMP,PDE,cell in,cell out,cGMP介导的信息跨膜传递,ANP atrial natriuretic

28、 peptide,P,2,ATP,生化效应：靶蛋白丝/苏氨酸的磷酸化 在平滑肌细胞内，cGMPPKG可磷酸化内质网上的IP3受体，抑制Ca2+从内质网释放，降低胞浆Ca2+浓度，松弛血管平滑肌，排尿利钠，降血压。此项功能与cAMPPKA的相反。 膜结合型GC为单体跨膜蛋白，包括受体结构域、催化结构域和蛋白激酶结构域。受体结构域可与ANP等信息物质结合，催化结构域催化GTP转化为cGMP，蛋白激酶结构域只是结构上与蛋白激酶同源，实际上并无蛋白激酶活性。 胞质型GC是由和两个亚基组成的异源二聚体。可被NO或CO激活， 生成cGMP。临床上常用的硝酸甘油等血管扩张剂就是因为可产生NO，并通过上述途径

29、松弛血管平滑肌，舒张血管，降低血压。,鸟苷蛋白,信息物质-Y,R GC,R GC,R GC,信息物质-Y,信息物质-Y,信息物质-Y,cell membrane,cell in,DG和IP3介导的信息跨膜传递/蛋白激酶C途径,cell out,Gp,LPC,IP3,+,Ca2+,PKC,DG,R,磷脂酰丝氨酸,Ca2+,磷脂酰丝氨酸,Ca2+,R/TPK,LPC,IP3,+,Ca2+,DG,c-fos,RNA,RNA,促甲状腺素 释放激素,去甲肾上腺素,抗利尿激素,肾上腺素能 1受体激动剂,下丘脑激素,垂体激素,胃肠道激素,前列腺素D2、E2,血栓素A2,内皮素,EGF,PDGF,FGF,NGF,信息物质-Y,信息物质-X,PLD,R,Gp,DG,信息物 质-X,胆碱,+,磷脂酸,生化效应：靶蛋白丝/苏氨酸的磷酸化 靶蛋白包括：糖原合成酶、糖原磷酸化酶激酶、收缩蛋白轻链、微管相关蛋白、EGF受体、胰岛素受体、C