第14章生化(劉建華)

BiochemistrySixthEditionChapter14:Signal-TransductionPathwaysCopyright?2007byW.H.FreemanandCompany

Berg?Tymoczko?Stryer生物系統(tǒng)的信號(hào)傳導(dǎo)通路是分子開關(guān)的接通和關(guān)閉。如同計(jì)算機(jī)芯片（左邊），處于“接通”狀態(tài)就能傳遞信息。這些通路的共同點(diǎn)一些蛋白質(zhì)（包括G蛋白，右邊），與GTP結(jié)合的能夠傳遞信號(hào)，與GDP結(jié)合就處于沉默狀態(tài)。細(xì)胞對(duì)環(huán)境特異化學(xué)物質(zhì)應(yīng)答程度很高。在感知環(huán)境有這種化學(xué)物質(zhì)是，細(xì)胞的應(yīng)答也許改變細(xì)胞的代謝，也許改變細(xì)胞的基因表達(dá)模式。在多細(xì)胞生物，這些化學(xué)信號(hào)是協(xié)調(diào)生物應(yīng)答的關(guān)鍵（圖14.1）。刺激生理應(yīng)答的三個(gè)分子信號(hào)的實(shí)例分別是腎上腺素、胰島素、和表皮生長(zhǎng)因子。當(dāng)生物個(gè)體受到威脅，處于腎臟上面的腎上腺釋放腎上腺素。腎上腺素能促進(jìn)能源轉(zhuǎn)化，改進(jìn)心臟功能。進(jìn)食后，胰島的b-細(xì)胞釋放胰島素。胰島素刺激機(jī)體從血液攝取葡萄糖，產(chǎn)生其它生理變化。應(yīng)答損傷時(shí)，機(jī)體釋放表皮生長(zhǎng)因子刺激特異細(xì)胞生長(zhǎng)和分裂。上述的各種情況，細(xì)胞都是接受到一種信息，即環(huán)境中某種分子的濃度已經(jīng)超過(guò)閾值，啟動(dòng)生物的一系列事件將“環(huán)境中這種分子的濃度超過(guò)閾值”的信息轉(zhuǎn)化成生理應(yīng)答，這個(gè)過(guò)程叫信號(hào)傳導(dǎo)(signaltransduction)。圖14.1三種信號(hào)傳導(dǎo)途徑。信號(hào)分子與受體結(jié)合啟動(dòng)相應(yīng)的生物過(guò)程，使機(jī)體產(chǎn)生重要的生理應(yīng)答。圖14.2信號(hào)傳導(dǎo)原則。一個(gè)細(xì)胞組分首先與環(huán)境信號(hào)結(jié)合。這個(gè)細(xì)胞組分常常是細(xì)胞表面受體。然后將信號(hào)已經(jīng)到達(dá)的信息轉(zhuǎn)化成其他化學(xué)形式，或轉(zhuǎn)導(dǎo)。轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程常常有很多步驟構(gòu)成。在發(fā)生最后應(yīng)答前，這些步驟常常依次擴(kuò)增、反饋調(diào)節(jié)整個(gè)信號(hào)途徑。信號(hào)傳導(dǎo)途徑是一種分子通路（圖14.2）。所有這些分子通路都含有一些關(guān)鍵步驟是共同的：1.第一信使的釋放。損傷或進(jìn)食的刺激啟動(dòng)信號(hào)分子釋放。這些信號(hào)分子叫第一信使。2.第一信使的接收。大多數(shù)第一信使分子不進(jìn)入細(xì)胞，只與細(xì)胞表面的受體結(jié)合。受體能夠?qū)⒁呀?jīng)與信號(hào)分子結(jié)合的“信息”傳遞到胞內(nèi)。受體是膜蛋白質(zhì)，除跨膜結(jié)構(gòu)外，還有胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域和胞外結(jié)構(gòu)域。胞外結(jié)構(gòu)域形成配體結(jié)合位點(diǎn)。配體結(jié)合位點(diǎn)與酶的底物活性位點(diǎn)相似，但不發(fā)生催化作用。配體與受體的結(jié)合改變受體蛋白的三級(jí)或四級(jí)結(jié)構(gòu)，包括受體胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域的空間結(jié)構(gòu)。3.在細(xì)胞內(nèi)用第二信使傳遞信息。第二信使是胞內(nèi)分子，能繼續(xù)將受體-配體結(jié)合的信息向下傳遞。環(huán)境信號(hào)刺激導(dǎo)致第二信使?jié)舛茸兓?，這種變化構(gòu)成分子通路的下一環(huán)節(jié)。特別重要的第二信使有環(huán)核苷酸，Ca2+,肌醇-1,3,5-三磷酸（IP3），和二?；视?DAG）。采用二級(jí)信使產(chǎn)生了幾種結(jié)果。（1）在產(chǎn)生第二級(jí)信使之前信號(hào)可能已被放大。信號(hào)分子與受體結(jié)合可能只活化了少量受體分子，但是每個(gè)活化的受體分子能產(chǎn)生很多第二級(jí)信使。因此，低濃度的環(huán)境信號(hào)分子，即使少到只有一個(gè)信號(hào)分子，也能產(chǎn)生大量的胞內(nèi)信號(hào)和應(yīng)答。（2）第二信使分子能自由擴(kuò)散到細(xì)胞其他區(qū)域，因此能夠影響整個(gè)細(xì)胞。（3）在多個(gè)信號(hào)途徑采用相同的第二信使既造就了一些機(jī)會(huì)，也產(chǎn)生了一些問題。從幾個(gè)信號(hào)途徑輸入信號(hào)（常常稱為Cross-talk)，會(huì)改變共同第二信使的濃度。與單獨(dú)途徑作用相比，Crosstalk可以精細(xì)調(diào)節(jié)細(xì)胞活性。但是，不當(dāng)?shù)腸rosstalk導(dǎo)致的第二信使?jié)舛雀淖兛赡鼙患?xì)胞誤讀。4直接改變生理應(yīng)答的效應(yīng)器活化。信號(hào)途徑的基本效應(yīng)是活化（或抑制）泵、酶、和直接控制代謝途徑的基因轉(zhuǎn)錄因子，基因活化，以及神經(jīng)信號(hào)傳遞。5信號(hào)終止。在細(xì)胞已經(jīng)完成了對(duì)信號(hào)的應(yīng)答之后，必須終止信號(hào)途徑或者不再對(duì)新的信號(hào)實(shí)施應(yīng)答。不能適當(dāng)終止信號(hào)應(yīng)答的細(xì)胞會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果。我們將看到，很多腫瘤細(xì)胞與它們不能適當(dāng)?shù)亟K止信號(hào)途徑有關(guān)，尤其是控制細(xì)胞生長(zhǎng)的生物過(guò)程。本章介紹圖14.1提到的三種信號(hào)途徑的各個(gè)組分。我們會(huì)看到信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白的幾類接頭（adaptor）結(jié)構(gòu)域。這些結(jié)構(gòu)域通常能識(shí)別特定分子，有助于將信息從一種蛋白質(zhì)傳遞到另一種蛋白質(zhì)。這三種信號(hào)傳遞途徑的組分也出現(xiàn)于其他信號(hào)傳導(dǎo)途徑。這三個(gè)信號(hào)傳導(dǎo)途徑也是很多其他信號(hào)傳導(dǎo)途徑的代表。14.1異源三聚體G蛋白傳遞信號(hào)、重置自身b-腎上腺素受體（b-AR）與腎上腺素結(jié)合，起始腎上腺素信號(hào)途徑。b-AR屬于7TM受體家族（seventransmembrane-helixreceptors)，該家族成員負(fù)責(zé)傳遞不同信號(hào)啟動(dòng)的信息。這些信號(hào)包括激素、神經(jīng)遞質(zhì)、氣味（odorants)、味覺物質(zhì)、甚至質(zhì)子（表14.1）。已經(jīng)知道的7TM受體家族成員有幾千種。約有50%的治療藥物靶向這類受體。該家族蛋白有7個(gè)a-螺旋跨過(guò)膜脂質(zhì)雙層。由于是單一多肽鏈如同蛇形跨膜7次，也有人稱這類受體為“蛇形卷曲受體”（serpentinereceptors)（圖14.4A）。圖14.4（A）跨膜7次的7TM受體蛋白示意圖。最先被確定三維結(jié)構(gòu)的7TM受體是視紫質(zhì)，在視覺系統(tǒng)其關(guān)鍵作用。其他很多7TM受體家族成員的結(jié)構(gòu)與視紫質(zhì)蛋白結(jié)構(gòu)很相似，有些7TM受體家族成員胞外結(jié)構(gòu)域較大。圖14.4B視紫質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。該蛋白參與視覺信號(hào)傳導(dǎo)。配體與接近于細(xì)胞外表面配體結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合。該蛋白三維結(jié)構(gòu)的闡明為認(rèn)識(shí)其它7TM受體的結(jié)構(gòu)提供了結(jié)構(gòu)框架。配體與7TM受體結(jié)合，導(dǎo)致異源三聚體G蛋白的活化配體與受體結(jié)合導(dǎo)致受體的細(xì)胞質(zhì)他部分發(fā)生構(gòu)象變化，這種變化活化了G蛋白。G蛋白是能夠結(jié)合鳥嘌呤核苷酸的蛋白質(zhì)，這就是這個(gè)蛋白名稱的來(lái)源?；罨腉蛋白能夠促進(jìn)腺苷酸環(huán)化酶的活性。腺苷酸環(huán)化酶促進(jìn)ATP轉(zhuǎn)化成cAMP，從而提升胞內(nèi)cAMP濃度。G蛋白和腺苷酸環(huán)化酶結(jié)合于膜上，而cAMP能夠穿過(guò)整個(gè)細(xì)胞。圖14.5提供了這些步驟地總況。

a,b,和g亞基構(gòu)成的G蛋白沒有活性，其中a-亞基與GDP結(jié)合，a和g亞基與脂肪酸共價(jià)連接(將蛋白質(zhì)錨定在膜上)。a亞基有P-loop，屬于P-loopNTPase家族。P-loop參與核苷酸結(jié)合。激素-受體復(fù)合物與異源三聚體G蛋白相互作用，使G蛋白的核苷酸結(jié)合位點(diǎn)開放，導(dǎo)致結(jié)合的GDP離開、溶液的GTP結(jié)合上去。同時(shí)，a亞基與bg二聚體分開。一個(gè)激素分子與受體蛋白的結(jié)合，導(dǎo)致數(shù)百個(gè)Ga變成GTP結(jié)合型，這就是信號(hào)放大。由于它們用G蛋白傳遞信號(hào)，7TM受體常稱為G-蛋白偶聯(lián)受體(G-protein-coupledreceptors,GPCRs)。圖14.6異源三聚體G蛋白。（上）三聚體各個(gè)亞基相互關(guān)系的緞帶圖。a-亞基(灰色和紫色)與GDP結(jié)合。GDP結(jié)合口袋接近于a亞基與bg二聚體相互作用的表面。（下）異源三聚體G蛋白的結(jié)構(gòu)示意圖?；罨疓蛋白與其他蛋白質(zhì)結(jié)合傳遞信號(hào)與GTP結(jié)合后，a亞基與bg亞基相互作用的表面發(fā)生變化，a亞基對(duì)bg二聚體的親和性大大降低。但是Ga所采用的新結(jié)構(gòu)與其他蛋白質(zhì)有親和性。在b-AR途徑，與Ga發(fā)生結(jié)合的新蛋白是膜蛋白腺苷酸環(huán)化酶（adenylatecyclase)。腺苷酸環(huán)化酶有12個(gè)跨膜螺旋，能夠?qū)TP轉(zhuǎn)化成cAMP。環(huán)化酶兩個(gè)大的細(xì)胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域形成酶的催化區(qū)。Gas與腺苷酸環(huán)化酶相互作用有利于環(huán)化酶的催化活性，促進(jìn)cAMP的產(chǎn)出（圖14.7）。腎上腺素與細(xì)胞表面接合的凈結(jié)果是增加了胞內(nèi)cAMP合成速率。腺苷酸環(huán)化酶催化合成的cAMP第二次放大信號(hào)。圖14.7腺苷酸環(huán)化酶活化。(A)腺苷酸環(huán)化酶是膜蛋白，胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域大，有催化活性。(B)結(jié)合GTP的Ga能夠與腺苷酸環(huán)化酶催化結(jié)構(gòu)域結(jié)合。此時(shí)Ga不結(jié)合bg二聚體，而是與腺苷酸環(huán)化酶結(jié)合。cAMP活化蛋白激酶A，后者催化很多目標(biāo)蛋白磷酸化cAMP濃度的增加能影響很多細(xì)胞過(guò)程。肌肉組織腎上腺素途徑產(chǎn)生的cAMP刺激肌肉細(xì)胞合成ATP以利于肌肉收縮。在其他細(xì)胞，cAMP促進(jìn)儲(chǔ)存燃料的降解、增加胃粘膜分泌酸，導(dǎo)致黑素顆粒的分散，消除血小板凝聚，誘導(dǎo)氯離子通道的開放。cAMP的大多數(shù)效應(yīng)是活化蛋白激酶A的結(jié)果。PKA有兩個(gè)調(diào)節(jié)亞基（R）和兩個(gè)催化亞基（C）。沒有cAMP,R2C2復(fù)合物沒有活性。cAMP與調(diào)節(jié)亞基結(jié)合，釋放R2。后者催化自身磷酸化?；罨腜KA能夠磷酸化很多目標(biāo)蛋白的絲氨酸和酸酸。例如，PKA磷酸化兩種酶，從而促經(jīng)糖原降解、抑制糖原合成；磷酸化一些轉(zhuǎn)錄因子（即CREB,cAMP-responseelementbindingprotein)，從而刺激特定基因的表達(dá)。PKA的這種活性顯示信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑能夠?qū)庑畔鬟f到細(xì)胞核，改變基因的轉(zhuǎn)錄。圖14.8腎上腺素信號(hào)傳遞途徑。腎上腺素與腎上腺素受體結(jié)合，啟動(dòng)信號(hào)傳導(dǎo)途徑。每步反應(yīng)的特性在箭頭左側(cè)的黑色文字標(biāo)出。箭頭右側(cè)綠色文字標(biāo)出能進(jìn)行信號(hào)放大的步驟。GTP水解后，G蛋白自動(dòng)恢復(fù)從前的結(jié)構(gòu)——信號(hào)途徑關(guān)閉Ga亞基自身有GTPase，能GTP水解(產(chǎn)生GDP和Pi)。但是Ga酶促水解GTP的速度慢(從幾秒~幾分)，故Ga結(jié)合的GTP能維持一段時(shí)間以活化下游組分。GTP水解導(dǎo)致Ga蛋白亞基失去信號(hào)傳遞活性。該亞基結(jié)合的GTP實(shí)際上充當(dāng)嵌入的鐘表，在Ga發(fā)揮作用一段時(shí)間后自動(dòng)重置蛋白的結(jié)構(gòu)。GTP水解，釋放Pi。GDP與Ga亞基結(jié)合，后者重新與Gbg結(jié)合形成沒有活性的異源三聚體。圖14.9Ga重置。Ga內(nèi)在的GTPase水解GTP后，Ga重新與bg二聚體結(jié)合形成異源三聚體G蛋白，從而終止對(duì)腺苷酸環(huán)化酶的活化。激素結(jié)合的活化受體必須重置，以阻止G蛋白的持續(xù)活化。(1)激素解離，恢復(fù)到起始的、非活化狀態(tài)。這點(diǎn)與激素濃度有關(guān)。(2)復(fù)合物的受體蛋白C-端尾巴的絲氨酸和蘇氨酸殘基發(fā)生磷酸化，導(dǎo)致激素-受體復(fù)合物失活。b-腎上腺素受體激酶（也稱為G蛋白受體激酶-2，GRK2）能夠磷酸化這種激素-受體蛋白復(fù)合物的C-端，而沒有與激素結(jié)合的受體C-段不能被磷酸化。(3)b-arrestin與已經(jīng)磷酸化的受體蛋白結(jié)合，消除受體蛋白對(duì)G-蛋白的活化。圖14.10信號(hào)終止。7TM受體的信號(hào)傳導(dǎo)采用下列方式終止：（1）信號(hào)分子與受體解離，和（2）受體蛋白處于細(xì)胞質(zhì)的C-端尾巴發(fā)生磷酸化，隨后與b-arrestin結(jié)合。有些7TM受體能夠活化磷酸肌醇級(jí)聯(lián)反應(yīng)血管緊張素-II受體與血管緊張素結(jié)合，啟動(dòng)的信號(hào)途徑產(chǎn)生的第二信使是肌酸1,4,5-三磷酸(IP3)和二酯酰甘油（DAG；圖14.11）。激素受體也是7TM受體。各種7TM受體所結(jié)合的G蛋白不同。腎上腺素受體結(jié)合的G蛋白被活化成Gas，血管緊張素II受體結(jié)合的G蛋白被活化成Gaq。與GTP結(jié)合的Gaq能結(jié)合并活化b類磷脂酶C。后者催化PIP2(磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸)斷裂成兩種第二信使，即肌酸1,4,5-三磷酸(IP3)和二酯酰甘油。磷酸肌醇與cAMP一樣，將胞外信息轉(zhuǎn)化成胞內(nèi)信號(hào)分子。PIP2是細(xì)胞膜組分，被信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑裂解產(chǎn)生第二信使。圖14.11磷脂酶C酶促反應(yīng)。磷脂酶C斷裂膜磷脂成分磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸，產(chǎn)生二酯酰甘油（仍在膜上）和肌醇-1,4,5-三磷酸（水溶分子，在細(xì)胞質(zhì)擴(kuò)散）。IP3是可溶性分子，從生物膜離開進(jìn)入進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)溶液擴(kuò)散。IP3與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+通道結(jié)合導(dǎo)致通道開放，Ca2+從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)流入細(xì)胞質(zhì)。Ca2+本身也是第二信使：它能結(jié)合很多蛋白質(zhì)，包括普遍存在的信號(hào)傳遞蛋白即鈣調(diào)蛋白和酶（如蛋白激酶C)。采用這些方式，Ca2+濃度的提升能啟動(dòng)很多生理過(guò)程，如平滑肌收縮、糖原分解、和囊泡釋放。DAG仍停留在細(xì)胞膜上，但是DAG能活化蛋白激酶C。活化的蛋白激酶C能夠磷酸化很多目標(biāo)蛋白的絲氨酸和蘇氨酸。蛋白激酶C的DAG結(jié)合域與DAG結(jié)合需要Ca2+。DAG和IP3協(xié)同作用：IP3增加Ca2+濃度，Ca2+濃度提高有助于蛋白激酶C活化。圖14.12總結(jié)了磷酸肌醇級(jí)聯(lián)反應(yīng)。圖14.12磷脂酰肌醇級(jí)聯(lián)反應(yīng)。磷脂酰肌醇4,5-二磷酸（PIP2）斷裂形成二脂酰甘油(DAG)和肌醇1,4,5-三磷酸(IP3)，導(dǎo)致Ca2+釋放（IP3受體的離子通道開放）、活化蛋白激酶C(因蛋白激酶C與膜上游離的DAG結(jié)合)。Ca2+與蛋白激酶C結(jié)合有助于蛋白激酶C的活化。Ca2+充當(dāng)?shù)诙攀沟馁Y質(zhì)：(1)胞內(nèi)Ca2+濃度低，只有100nM左右，阻止生物分子的羧基或磷酸基團(tuán)與Ca2+結(jié)合形成沉淀。維持低濃度的機(jī)制是細(xì)胞膜將細(xì)胞質(zhì)Ca2+外排，使細(xì)胞質(zhì)的Ca2+濃度比細(xì)胞外的Ca2+濃度低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。穩(wěn)態(tài)細(xì)胞的Ca2+濃度低，使細(xì)胞更易感知Ca2+濃度上升的信號(hào)。(2)Ca2+與蛋白結(jié)合緊密并能誘導(dǎo)結(jié)合蛋白發(fā)生構(gòu)象變化。Ca2+與6~8個(gè)氧原子形成配位鍵，這些氧原子來(lái)自帶負(fù)電荷的谷氨酸和天冬氨酸側(cè)鏈和不帶電荷的主鏈羰基及谷氨酰胺和天冬酰胺側(cè)鏈。Ca2+的結(jié)合將蛋白質(zhì)不同區(qū)域交聯(lián)在一起，迫使蛋白質(zhì)發(fā)生構(gòu)象變化。圖14.13Ca2+結(jié)合位點(diǎn)。在常見的一個(gè)Ca2+結(jié)合位點(diǎn)，Ca2+與六個(gè)氧原子（來(lái)自蛋白質(zhì)和一個(gè)水分子）形成六個(gè)配位鍵。探測(cè)胞內(nèi)Ca2+濃度變化(甚至是進(jìn)行即時(shí)檢測(cè))方法的建立極大地促進(jìn)了人們對(duì)Ca2+在胞內(nèi)生物作用的認(rèn)識(shí)。這種方法有賴于人工設(shè)計(jì)的染料分子如Fura-2。Fura-2能結(jié)合Ca2+，與Ca2+結(jié)合后，F(xiàn)ura-2的熒光性質(zhì)發(fā)生改變。圖14.14Ca2+成像。（A）Ca2+結(jié)合染料Fura-2的熒光圖譜可以用來(lái)監(jiān)測(cè)溶液或細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度。(B)一系列成像顯示Ca2+分散在整個(gè)細(xì)胞。用鈣離子結(jié)合的熒光染料獲得這些圖譜。圖像設(shè)置成紅色(Ca2+濃度高)和藍(lán)色(Ca2+濃度低)。Ca2+活化鈣調(diào)蛋白鈣調(diào)蛋白(Calmodulin,CaM)大小是17kd，有四個(gè)Ca2+結(jié)合位點(diǎn)，幾乎所有真核細(xì)胞都用CaM作為Ca2+感應(yīng)器。當(dāng)細(xì)胞質(zhì)Ca2+達(dá)到500nM以上，CaM與Ca2+結(jié)合，被活化。鈣調(diào)蛋白是EF-手狀蛋白家族的成員。由于兩個(gè)關(guān)鍵的螺旋（分別稱為E和F)像右手的食指（forefinger)和拇指，這種Ca2+結(jié)合模體稱為EF-手，有一個(gè)螺旋，一個(gè)環(huán)，和另一個(gè)螺旋。起初在parvalbumin蛋白(小白蛋白)中發(fā)現(xiàn)。這兩種螺旋及它們之間的環(huán)形成Ca2+結(jié)合模體。每個(gè)Ca2+與七個(gè)氧原子形成配位鍵結(jié)合，其中六個(gè)氧原子來(lái)自蛋白質(zhì)，一個(gè)氧原子來(lái)自水分子。圖14.15EF手。由螺旋-環(huán)-螺旋單位組成。EF手是Ca2+結(jié)合位點(diǎn)。E螺旋是黃色的，F(xiàn)螺旋是藍(lán)色的。Ca2+是綠色的球體。注意：Ca2+結(jié)合于連接兩個(gè)螺旋的環(huán)上，這兩個(gè)螺旋相互間幾乎垂直。Ca2+活化鈣調(diào)蛋白Ca2+與CAM的結(jié)合誘導(dǎo)EF手的構(gòu)象發(fā)生變化，導(dǎo)致鈣調(diào)蛋白暴露相應(yīng)的疏水面(該疏水面能與其他蛋白質(zhì)相互作用)。目標(biāo)蛋白暴露在外的a-螺旋(該螺旋特定位置有疏水或帶電荷的氨基酸側(cè)鏈)被CAM的兩套雙EF手向下扣住。被結(jié)合的蛋白發(fā)生構(gòu)象變化并被活化。這些被結(jié)合蛋白包括酶、泵、和其它蛋白質(zhì)。依賴于CAM的蛋白激酶（CaMKinases)就是這類目標(biāo)蛋白之一。CaMKinases能磷酸化很多蛋白質(zhì)(涉及燃料代謝、離子通透性、神經(jīng)遞質(zhì)的合成和釋放等)。Ca2+濃度增加被CaM感知，Ca2+-CAM與目標(biāo)蛋白結(jié)合導(dǎo)致目標(biāo)蛋白構(gòu)象改變并被激活，啟動(dòng)后續(xù)效應(yīng)。圖4.16鈣調(diào)蛋白與a-螺旋結(jié)合。(A)CAMkinaseI的一個(gè)a-螺旋(紫色)是鈣調(diào)蛋白的結(jié)合目標(biāo)。(B)與Ca2+結(jié)合(1)后，鈣調(diào)蛋白的兩個(gè)半分子通過(guò)疏水力和離子之間的相互作用象鉗子壓住目標(biāo)螺旋(2)。在CaMkinaseI中，這種相互作用導(dǎo)致酶轉(zhuǎn)化成有活性的形式。14.2胰島素信號(hào)傳導(dǎo)：磷酸化級(jí)聯(lián)反應(yīng)前面介紹的信號(hào)傳導(dǎo)途徑都是活化蛋白激酶，這些蛋白激酶是這些信號(hào)傳導(dǎo)途徑下游的組分?，F(xiàn)在介紹的激素與受體結(jié)合起始信號(hào)傳導(dǎo)，蛋白激酶本身就是受體組成的一部分。這些蛋白質(zhì)的活化能驅(qū)動(dòng)其它過(guò)程（即修飾這個(gè)信號(hào)途徑的效應(yīng)劑）的進(jìn)行。一個(gè)實(shí)例是胰島素啟動(dòng)的信號(hào)傳導(dǎo)途徑。是進(jìn)餐后機(jī)體釋放胰島素。這個(gè)信號(hào)傳導(dǎo)途徑有很多分支，相當(dāng)復(fù)雜。此處集中介紹主要的一支。這一支信號(hào)通路導(dǎo)致葡萄糖運(yùn)輸器移動(dòng)到細(xì)胞表面，使細(xì)胞能攝取進(jìn)食后血液的高水平葡萄糖。圖4.17胰島素結(jié)構(gòu)。胰島素有兩條多肽鏈（分別用藍(lán)色和黃色表示）。兩條鏈之間用兩個(gè)鏈間二硫鍵連接。a-鏈有一個(gè)鏈內(nèi)二硫鍵。胰島素受體的結(jié)構(gòu)與腎上腺素受體（b-AR)結(jié)構(gòu)有差異（圖4.18）。胰島素受體有兩個(gè)相同單位構(gòu)成的二聚體。每個(gè)單位有一個(gè)a-鏈和一個(gè)b-鏈，兩者之間用一個(gè)二硫鍵連接。a-亞基完全處于細(xì)胞外，而b-亞基有一個(gè)跨膜區(qū)，其余部分處于細(xì)胞內(nèi)。兩個(gè)a-亞基移動(dòng)到一塊構(gòu)成一個(gè)胰島素分子的結(jié)合位點(diǎn)。這一點(diǎn)令人吃驚，因?yàn)橐粋€(gè)胰島素分子的這兩面不同，但是它與兩個(gè)相同的胰島素受體面發(fā)生結(jié)合。在胰島素存在時(shí)，胰島素的兩個(gè)二聚體蛋白移動(dòng)到一塊，與胰島素結(jié)合啟動(dòng)該信號(hào)途徑。很多多亞基受體（尤其是含有蛋白激酶活性的受體）所采用的策略是，受體各亞基（可能是異源也可能是同源）圍繞結(jié)合的配體聚集起來(lái)，啟動(dòng)信號(hào)傳遞。圖4.18胰島素受體。胰島素受體有兩個(gè)單位，每個(gè)單位有一個(gè)a-亞基和一個(gè)b-亞基，兩者之間用一個(gè)二硫鍵連接。a-亞基處于細(xì)胞外。兩個(gè)a-亞基聚集在一塊形成一個(gè)胰島素結(jié)合位點(diǎn)。b-亞基則處于細(xì)胞內(nèi)，有一個(gè)蛋白激酶結(jié)構(gòu)域。每個(gè)b-亞基有一個(gè)蛋白激酶結(jié)構(gòu)域，這個(gè)結(jié)構(gòu)域與蛋白激酶A同源。但是這個(gè)蛋白激酶結(jié)構(gòu)域與蛋白激酶A之間有兩個(gè)重要的差別。(1)胰島素受體蛋白激酶是酪氨酸蛋白激酶，催化ATP的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到底物蛋白酪氨酸殘基的羥基上，而不是象蛋白激酶A那樣轉(zhuǎn)移給絲氨酸和蘇氨酸。(2)如果蛋白激酶結(jié)構(gòu)域沒有被共價(jià)修飾，胰島素受體激酶處于沒有活性的構(gòu)型。由于受體蛋白結(jié)構(gòu)中心有一個(gè)沒有結(jié)構(gòu)特征的環(huán)（稱為活化環(huán)）使蛋白激酶處于失活狀態(tài)。圖14.19磷酸化導(dǎo)致胰島素受體的活化。胰島素受體b-亞基是蛋白激酶結(jié)構(gòu)域。左邊是沒有磷酸化的結(jié)構(gòu)(沒有活性)，右邊有活性（紅色的活化環(huán)有三個(gè)酪氨酸磷酸化，活化環(huán)發(fā)生擺渡，激酶結(jié)構(gòu)更為緊密、呈催化活性狀態(tài))。胰島素與受體結(jié)合交叉磷酸化胰島素受體，活化蛋白激酶當(dāng)兩個(gè)a-亞基圍繞一個(gè)胰島素分子移動(dòng)到一塊，胞內(nèi)的兩個(gè)蛋白激酶結(jié)構(gòu)域也被拉到一塊。重要的是，當(dāng)兩個(gè)蛋白激酶結(jié)構(gòu)域聚集在一起，其中一個(gè)結(jié)構(gòu)域的活化環(huán)就深入這個(gè)二聚體的另一個(gè)蛋白激酶結(jié)構(gòu)域活性中心。由于兩個(gè)b-亞基被迫聚在一塊，蛋白激酶結(jié)構(gòu)域催化另一亞基的活化環(huán)磷酸化（磷酸來(lái)自ATP)?；罨h(huán)的酪氨酸磷酸化后，構(gòu)象發(fā)生顯著變化（圖14.19）?；罨h(huán)構(gòu)象變化后，蛋白激酶轉(zhuǎn)變成激活狀態(tài)。因此，胰島素與受體胞外區(qū)域的結(jié)合能活化膜結(jié)合的胞內(nèi)蛋白激酶活性。一旦胰島素受體被磷酸化，胰島素受體激酶就被活化。由于受體的兩個(gè)單位被結(jié)合在一起，受體的其它位點(diǎn)也被磷酸化。這些磷酸化位點(diǎn)充當(dāng)其它底物的?？课稽c(diǎn)（dockingsites)。?？吭谶@些磷酸化位點(diǎn)的蛋白質(zhì)是胰島素受體底物IRS(insulin-receptorsubstrates)。IRS蛋白能將一系列膜錨定分子聚集在一塊，將信息傳遞到一個(gè)蛋白激酶Akt（該蛋白激酶最后離開膜，圖14.20)。IRS-1和IRS-2具有共同模塊結(jié)構(gòu)，是同源蛋白(圖14.21)。其N-端有一個(gè)pleckstrin(血小板-白細(xì)胞C激酶底物)同源結(jié)構(gòu)域[這個(gè)結(jié)構(gòu)域能結(jié)合肌醇磷脂(phosphoinositide)]，和一個(gè)磷酰酪氨酸結(jié)合域。這些結(jié)構(gòu)域聯(lián)合作用將IRS蛋白錨定在胰島素受體上。圖14.21胰島素受體底物IRS-1和IRS-2的模塊結(jié)構(gòu)。IRS-1和IRS-2共同的氨基酸序列。每個(gè)多肽鏈含有一個(gè)pleckstrin同源結(jié)構(gòu)域（能結(jié)合肌醇磷脂），一個(gè)磷酰酪氨酸結(jié)合域，和四個(gè)胰島素受體酪氨酸激酶的磷酸化位點(diǎn)（Tyr-X-X-Met序列）。每個(gè)IRS蛋白都有四個(gè)可以為受體酪氨酸激酶磷酸化的序列，即Tyr-X-X-Met(YXXM)。因此，活化的受體激酶磷酰化這些酪氨酸殘基。在磷?；癄顟B(tài)，IRS分子充當(dāng)接頭蛋白(adaptorprotein)：它們并不活化信號(hào)途徑下游的脂質(zhì)激酶組分，而是與脂質(zhì)激酶結(jié)合導(dǎo)致脂質(zhì)激酶移動(dòng)到膜上，此時(shí)磷脂激酶能夠酶促底物（即膜脂質(zhì)）。圖14.22SH2結(jié)構(gòu)域的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)顯示SH2已經(jīng)結(jié)合含有磷脂酰酪氨酸的肽鏈。頂部是帶負(fù)電荷的磷脂酰酪氨酸殘基與SH2的兩個(gè)Arg殘基相互作用的情況。這兩個(gè)Arg在所有SH2結(jié)構(gòu)域中高度保守。含有Src同源序列2(SH2)的蛋白質(zhì)能夠識(shí)別IRS蛋白的磷酰酪氨酸殘基(圖14.22)。很多信號(hào)傳導(dǎo)蛋白有SH2結(jié)構(gòu)域。這個(gè)結(jié)構(gòu)域能夠結(jié)合含有磷酰酪氨酸殘基的多肽鏈。各種SH2結(jié)構(gòu)域所識(shí)別的含有磷酰酪氨酸肽鏈序列并不相同。在能夠與IRS結(jié)合的蛋白中，最重要的蛋白是脂質(zhì)激酶。該激酶能夠?qū)⒘姿峄鶊F(tuán)添加到磷脂肌醇-4,5-二磷酸的肌醇3-位。圖12.23胰島素信號(hào)傳導(dǎo)途徑的脂質(zhì)激酶作用。磷酸化的IRS-1和IRS-2活化磷脂肌醇3-激酶。磷脂肌醇3-激酶能夠?qū)IP2轉(zhuǎn)化成PIP3。脂質(zhì)激酶是異源寡聚體，含有110kD的催化亞基和85kD的調(diào)節(jié)亞基。通過(guò)調(diào)節(jié)亞基的SH2結(jié)構(gòu)域結(jié)合于IRS蛋白質(zhì)，并被拉至膜上。在膜上，脂質(zhì)激酶磷酸化PIP2，形成PIP3(phosphatidyl-inositol3,4,5-triphosphate)。該脂質(zhì)產(chǎn)物反過(guò)來(lái)活化蛋白激酶PDK1(PDK1有PIP3特異的pleckstrin同源結(jié)構(gòu)域)?；罨牡鞍准っ赣秩チ姿峄疉kt，導(dǎo)致Akt活化。Akt是另一種蛋白激酶，沒有錨定在膜上，能夠在細(xì)胞內(nèi)移動(dòng)。Akt能磷酸化的目標(biāo)蛋白有的控制葡萄糖運(yùn)輸器GLUT4向細(xì)胞表面的移動(dòng)，有的刺激糖原合成的酶。在這個(gè)信號(hào)途徑，有幾個(gè)步驟放大信號(hào)?；罨囊葝u素受體本身是一個(gè)蛋白激酶。每個(gè)活化的受體能夠磷酸化多個(gè)IRS分子。后續(xù)步驟至少有兩個(gè)能進(jìn)一步放大信號(hào)。因此，血液中胰島素水平的小幅增加就能產(chǎn)生劇烈的胞內(nèi)應(yīng)答。這個(gè)信號(hào)傳遞途徑復(fù)雜，對(duì)后續(xù)步驟的研究沒有胰島素起始信號(hào)階段了解的那么深入。圖14.24胰島素信號(hào)傳導(dǎo)途徑。本圖總結(jié)了胰島素與胰島素受體結(jié)合所啟動(dòng)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的關(guān)鍵步驟。磷酸酯酶的活化終止胰島素信號(hào)途徑活化的G蛋白通過(guò)G蛋白自身催化，發(fā)生結(jié)合GTP的水解達(dá)到滅活的目的。但是，已經(jīng)在酪氨酸、絲氨酸和蘇氨酸位點(diǎn)發(fā)生修飾的磷酸基團(tuán)很穩(wěn)定，不能自動(dòng)水解。需要特異的酶水解才能滅活。類似地，也需要磷酸酯酶作用才能滅活第二信使肌醇磷酸。胰島素信號(hào)傳導(dǎo)途徑中，三類酶特別重要：蛋白酪氨酸磷酸酯酶(能夠切除胰島素受體酪氨酸的修飾磷酸)，脂質(zhì)磷酸酯酶(能夠?qū)⒘字＜〈?,4,5-三磷酸轉(zhuǎn)化成磷脂酰肌醇3,4-二磷酸)，和蛋白絲氨酸磷酸酯酶(能夠除去像Akt的活化蛋白激酶絲氨酸的修飾磷酸)。很多這樣的磷酸酯酶作為胰島素應(yīng)答的一部分被活化或者被招募。因此起始信號(hào)的結(jié)合就設(shè)置了應(yīng)答過(guò)程的終止程序。14.3EGF信號(hào)