結(jié)構(gòu)生物學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

1、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)生命科學(xué)學(xué)院xia基本內(nèi)容信號(hào)傳遞：從外部控制細(xì)胞細(xì)胞因子介導(dǎo)的信號(hào)傳遞生長(zhǎng)激素受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)受體酪氨酸激酶通路G 蛋白偶聯(lián)受體通路信號(hào)傳遞：從外部控制細(xì)胞活性信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)是將一種類(lèi)型的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N類(lèi)型的過(guò)程。動(dòng)物細(xì)胞用不同的方式彼此傳遞信號(hào)內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)（胰島素等）旁信號(hào)傳導(dǎo)(局部介質(zhì))（包括自信號(hào)傳導(dǎo)）神經(jīng)元信號(hào)傳導(dǎo)依賴(lài)接觸的信號(hào)傳導(dǎo)（胚胎發(fā)育中）神經(jīng)遞質(zhì)長(zhǎng)程短程一個(gè)動(dòng)物細(xì)胞依賴(lài)于多方面的細(xì)胞外信號(hào)每個(gè)細(xì)胞展現(xiàn)一套受體蛋白，以使它能對(duì)其他細(xì)胞產(chǎn)生的相應(yīng)信號(hào)分子起反應(yīng)。這些信號(hào)分子以組合方式起作用調(diào)節(jié)細(xì)胞的行為。來(lái)自胞外的信號(hào)的作用可快可慢細(xì)胞遷移新陳代謝的改變?cè)鰪?qiáng)細(xì)胞生長(zhǎng)和信號(hào)是怎

2、樣穿過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)行通訊傳導(dǎo)的？1. 所有的細(xì)胞膜受體需要將胞外配體的結(jié)合轉(zhuǎn)化成膜內(nèi)的信號(hào)。2 .細(xì)胞膜外側(cè)的變化會(huì)影響到胞內(nèi)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域的構(gòu)象變化或重組。3. 影響的方式有如下幾種：受體的二聚化或二聚體接觸面的變化；單體受體蛋白的構(gòu)象改變；通道。細(xì)胞外信號(hào)分子或和細(xì)胞表面受體結(jié)合，或和細(xì)胞內(nèi)受體或酶結(jié)合（類(lèi)固醇激素、甲狀腺素、NO）許多胞外信號(hào)經(jīng)細(xì)胞表面受體作用使得細(xì)胞行為發(fā)生改變效應(yīng)蛋白細(xì)胞響應(yīng)胞內(nèi)信號(hào)蛋白可以傳遞、放大、整合和分流輸入的信號(hào)一些細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)蛋白起分子開(kāi)關(guān)的作用絲氨酸/蘇氨酸激酶酪氨酸激酶G蛋白（GTP結(jié)合蛋白三聚體）三類(lèi)主要細(xì)胞表面受體離子通道偶聯(lián)受體（神經(jīng)系統(tǒng)和其它電興奮

3、細(xì)胞特有的）G蛋白偶聯(lián)受體酶聯(lián)受體離子通道偶聯(lián)受體（遞質(zhì)門(mén)控離子通道）產(chǎn)生一個(gè)穿越質(zhì)膜的粒子流，改變膜的勢(shì)能從而產(chǎn)生電流。以最簡(jiǎn)單、最直接的方式行使功能。G蛋白偶聯(lián)受體（三聚體）形成細(xì)胞表面受體的最大（人類(lèi)中有超過(guò)700種GPCR）。GPCR激活膜結(jié)合的GTP結(jié)合蛋白三聚體（G蛋白），然后在質(zhì)膜中激活一種酶或一個(gè)離子通道，起始其它效應(yīng)的級(jí)聯(lián)反應(yīng)。單體G蛋白-RAS超。酶聯(lián)受體胞質(zhì)區(qū)域可以起一個(gè)酶的作用，或與另一個(gè)酶形成復(fù)合物酶聯(lián)受體在細(xì)胞內(nèi)作用于具有酶活性的受體蛋白，并進(jìn)一步激活大量的胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)途徑。最大的一類(lèi)：受體酪氨酸激酶（RTK）。信號(hào)通路之間是高度互相連接的受體酪蛋白激酶GPCR磷脂

4、酶C腺苷酸環(huán)化酶酶聯(lián)受體1.受體酪蛋白激酶（RTK）具有酪氨酸蛋白激酶功能2.細(xì)胞因子和激素受體激活一條到核的快速通道（IFN等）所依賴(lài)的S沒(méi)有內(nèi)在的酶活性，涉及JAK胞質(zhì)酪氨酸激酶細(xì)胞因子介導(dǎo)的信號(hào)傳遞細(xì)胞因子：干擾素(erferons)(erleukins)激素(hormones)等受體分子：通常是膜蛋白，由胞外組分，單次跨膜3部分和膜內(nèi)結(jié)構(gòu)域組成。細(xì)胞因子介導(dǎo)的信號(hào)傳遞酪氨酸激酶JAK-S信號(hào)通路DNA結(jié)合區(qū)細(xì)胞因子受體通常由細(xì)胞因子與其結(jié)合并誘導(dǎo)受體分子單體的二聚化而被激活。生長(zhǎng)激素受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)螺旋束（helix bundle）型纖連蛋白折疊模式(fibronectype fol

5、d)在受體分子的胞外部分很常見(jiàn)底物結(jié)合表面激素受體胞外區(qū)和與之相結(jié)合的生長(zhǎng)激素（PDB：3HHR）胞內(nèi)活性：3 二聚體與一段雙鏈DNA相結(jié)合的復(fù)合物SH2結(jié)構(gòu)域可特異性地結(jié)合在含有磷酸化酪氨酸的一段肽段上SSH2尾部的Tyr被JAK2激酶磷酸化，介導(dǎo)了S3的二聚化(PDB：1BG1)酪氨酸激酶活性的調(diào)控細(xì)胞周期蛋白依賴(lài)性激酶的失活和活性狀態(tài)活性卷曲阻擋了活性中心1HCKcyclin1FIN激酶通常含有兩個(gè)結(jié)構(gòu)域，活性中心位于兩個(gè)結(jié)構(gòu)域之間的縫隙之中：一個(gè)有5個(gè)反相平行股一個(gè)含有7個(gè)螺旋的折疊片和1個(gè)螺旋利用蛋白結(jié)構(gòu)域調(diào)節(jié)細(xì)胞活性nameSH2 (Src homologyStructure100

6、 residues, antiparallel sheetBinding specificityPhosphotyrosine-containingExles of proteins in signal pathways conning thePhospholipase C g-isoform, tyrosine kinases,2)and a helix on each side (Figure 11.6)peptidesphosphatidylinositol-3-kinase, tyrosine phosphatase syp, RasGAP, src, GRB2SH3 (Src hom

7、ology 3)50 residues, small b barrel (Figure 11.7)Proline-rich peptidesPhospholipase C, tyrosine kinases, cytoskeletal proteins, RasGAPPH (Pleckstrin homology)120 residues, a b sandwich wiC-terminal helixMembrane asso specificitiestion and otherPhospholipase C, protein kinases, GEF proteins (Sos), GA

8、P proteins, cytoskeletal proteinsFERM300 residueshreeMembrane assotionProte cytos radixin)yrosine kinases, protein phosphatases, etal proteins (4.1, ezrin, moesin,subsPTB (phospho-tyrosineSimilar to PHPhosphotyrosine-containing peptidesShc adaptor protein, IRS-1 insulin receptor substratebinding)C2

9、(protein kinase C)120 residues, immunoglobulin- type foldMembrane assotionPhospholipase C, protein kinase C, other kinases, RasGAPC1 (protein kinase C)50 residues, cysteine-richbindino Zn ionsDiacyl glycerol, phorbol estersProtein kinase C, other kinasesPDZ (DHRGLGF repeas,80 residues, b barrelShort

10、 peptides often ending with valineMany proteins in signal systems, often present andemWD407-bladed propellerVariousb subunit of trimeric G-protein, Arp2/3 complexPhospholipase CEF hand100 residues forming four EF- hand motifsCalcium ions這些結(jié)構(gòu)域?qū)⒌暗骄哂刑囟富畹牡鞍踪|(zhì)結(jié)構(gòu)域靶標(biāo)上。SH2 及SH3 結(jié)構(gòu)域SH結(jié)構(gòu)域是用非受體類(lèi)酪氨酸激酶（non-recep

11、tor tyrosine kinase） src命名的。含有一個(gè)蛋白激酶結(jié)構(gòu)域、一個(gè)SH2結(jié)構(gòu)域、一個(gè)SH3結(jié)構(gòu)域。SH2結(jié)構(gòu)域特異性地結(jié)合含有磷酸化酪氨酸殘基；包含一個(gè)反向平行的片層結(jié)構(gòu)，在片層結(jié)構(gòu)的兩端各有一螺旋；片層與螺旋之間的部分為肽段結(jié)合位點(diǎn)；有兩個(gè)pocket用于結(jié)合底物。口袋附近的殘基決定底物的結(jié)合特性。多肽YEEISH2結(jié)構(gòu)域與多肽YEEI結(jié)合的復(fù)合體（PDB：1SPS）SH3結(jié)構(gòu)域SH3結(jié)構(gòu)域比較小，約50個(gè)殘基；由5個(gè)折疊束組成的反向平行桶結(jié)構(gòu)；特異性結(jié)合富含脯氨酸的肽段，這些肽段以多聚脯氨酸螺旋的結(jié)構(gòu)存在于復(fù)合物中，結(jié)合力較弱。結(jié)合的肽段RXLPPLPXX或PPLPXRS

12、H3結(jié)構(gòu)域與一多肽結(jié)合的模式圖（PDB：1ABO）src酪氨酸激酶的結(jié)構(gòu)（失活狀態(tài)）含有一些脯氨酸殘基，結(jié)合在 SH3結(jié)構(gòu)域上。羧基端尾巴有一個(gè)可以被磷酸化的酪氨酸殘基，當(dāng)該Tyr磷酸化時(shí)，它可以結(jié)合到SH2的磷酸化酪氨酸口袋里，蛋白處于失活狀態(tài)(多個(gè)結(jié)構(gòu)域相對(duì)緊湊結(jié)合的構(gòu)象)。該尾巴對(duì)于蛋白質(zhì)的活性調(diào)控十分重要(V-src)。受體酪氨酸激酶（RTK）通路一些受體酪氨酸激酶的結(jié)構(gòu)域分布圖Ext racel lular p artTMracel lular partIGIGIGKinaseFGF rec epto rIGIGIGIGIGKinasePDGF recept orEph rin re

13、cepto rLCLFn3EFn3KinaseInsulin recepto rLCLCEGF rec epto rKinaseHGF ( met )SemaIGIGIGIGKinase所有受體具有一個(gè)共同特點(diǎn)：配體的結(jié)合會(huì)激活酪氨酸激酶的活性，配體結(jié)合到受體的胞外部分會(huì)引起受體兩條鏈的二聚化。當(dāng)受體被磷酸化后，磷酸化的肽段就成為信號(hào)通路中其它蛋白的靶標(biāo)，這些蛋白可通過(guò)SH2結(jié)構(gòu)域結(jié)合到受體酪氨酸激酶上。PEphFn3Fn3KinaseS表皮生長(zhǎng)因子（EGF）受體通路例富含亮氨酸富含半胱氨酸受體二聚化單體(1NQL)III二聚體(1IVO)IIIIIIEGFIIIIIIIIIIVIVIVEGF

14、活性的上調(diào)與的發(fā)生密切相關(guān)EGF受體胞外部分結(jié)構(gòu)EGF受體的酪氨酸激酶結(jié)構(gòu)域EGF受體的酪氨酸激酶結(jié)構(gòu)域（PDB：1M14）及其與胰島素受體相應(yīng)結(jié)構(gòu)域的激活與非激活狀態(tài)的比較（PDB：1IR3和 1IRK）激酶結(jié)構(gòu)域在沒(méi)有配體結(jié)合的時(shí)看似仍處于活化狀態(tài)G蛋白R(shí)as和MAP激酶通路的激活Grb2 (Growth factor receptor binding protein-2,生長(zhǎng)因子受體結(jié)合蛋白-2)本身不具備酶活性，在這里它只是作為一個(gè)接頭蛋白發(fā)揮作用。與子磷酸化的EGF受體的羧基端結(jié)合。Sos 蛋白通過(guò)充當(dāng)鳥(niǎo)苷酸置換因子（GEF, G nucleotide exchange factor

15、），激活膜結(jié)合G 蛋白R(shí)as。Raf 蛋白是含有Ras 蛋白結(jié)合結(jié)構(gòu)域的一個(gè)激酶。MapKK（也稱(chēng)為Mek）絲氨酸激酶。效應(yīng)分子ERK激酶穿過(guò)核膜進(jìn)入細(xì)胞核，并磷酸化激活轉(zhuǎn)錄因子。入核通過(guò)GDP引起的Ras蛋白的激活LysSerGDP結(jié)合狀態(tài)下的單體G蛋白R(shí)as結(jié)構(gòu)（PDB: 121P）Ras 蛋白通過(guò)翻譯后修飾在羧基端的半胱氨酸殘基上添加了一分子的脂肪酸分子，該分子可以介導(dǎo)Ras 蛋白結(jié)合到質(zhì)膜上。Sos與Ras蛋白復(fù)合物結(jié)構(gòu)（PDB:1BKD）RasGEF 結(jié)構(gòu)域RasGEF 氨基端結(jié)構(gòu)域Sos 是一個(gè)可以結(jié)合到G 蛋白上的GEF 蛋白。RasGEF 結(jié)構(gòu)域中的螺旋發(fā)夾（藍(lán)綠色）GDP 分

16、子的到Ras 蛋白（淺藍(lán)色）的switch與switch之間，導(dǎo)致了。Ras-GDP與Ras-Sos復(fù)合物結(jié)構(gòu)比較GDPSos 的螺旋發(fā)夾結(jié)構(gòu)到Ras 蛋白的switch（兩圖中的左側(cè)部位）與switch之間，并將核苷酸擠出。G蛋白的三磷酸鳥(niǎo)苷酸水解酶(GTPase)活性和GAP蛋白發(fā)揮的作用三磷酸鳥(niǎo)苷酸水解酶（GTPase）通常作為分子開(kāi)關(guān)（molecular switches）。當(dāng)有GTP 存在時(shí)它們處在“開(kāi)”的狀態(tài)。當(dāng)GTP 水解為GDP時(shí)，它們處在“關(guān)”的狀態(tài)。RasGAP 的結(jié)合穩(wěn)定了Ras 含有部分活性中心的卷曲部分。RasGAP與Ras蛋白的復(fù)合物結(jié)構(gòu)（1WQ1）G蛋白的三磷酸鳥(niǎo)

17、苷酸水解酶(GTPase)活性和GAP蛋白發(fā)揮的作用該圖模擬了GTP 的水解狀態(tài)。GAP 貢獻(xiàn)的精氨酸（Arg）參與了GTP 的水解（PDB：1WQ1）。RaGAP、GDP和AIF3復(fù)合物的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)Ras 蛋白和Ras 蛋白的突變與多種的發(fā)生相關(guān)。這些突變通常通過(guò)將Ras的困在“開(kāi)”的結(jié)構(gòu)構(gòu)象下而GTP 的水解。1.兩種突變十分常見(jiàn)：一個(gè)是P-loop上第12 位的甘氨酸突變?yōu)槔i氨酸，該突變通過(guò)RasGAP 來(lái)活性的發(fā)生。三磷酸鳥(niǎo)苷酸水解酶2.第二個(gè)常見(jiàn)的突變發(fā)生在第61 位的谷氨酰胺，該殘基可以使參與反應(yīng)的水分正確定位。G蛋白偶聯(lián)受體通路眼視桿細(xì)胞中的信號(hào)通路略圖受體視蛋白發(fā)色基團(tuán)視黃醛在沒(méi)

18、有光刺激的時(shí)候，cGMP 將GMP 控制的鈉離子通道保持在開(kāi)放狀態(tài)。當(dāng)G 蛋白偶聯(lián)受體視紫質(zhì)被光子激活時(shí)，三聚體G 蛋白視導(dǎo)素通過(guò)GDP 與GTP 的轉(zhuǎn)換被激活。此時(shí)G亞基被（3）結(jié)合在環(huán)單磷酸鳥(niǎo)苷酸磷酸二酯酶PDE6 的抑制性亞基上（4）。這導(dǎo)致了cGMP 的水解并使得離子通道關(guān)閉。G蛋白偶聯(lián)受體Receptor (GEF)G-proteinEffectorRhodopsin視紫紅質(zhì)G ta(Transducin)cGMP phosphodiesterase環(huán)單磷酸鳥(niǎo)苷酸磷酸二酯酶?jìng)鲗?dǎo)素nephrine receptor腎上腺素受體 Glucagon receptor 胰高血糖素受體GsaA

19、denylate cyclase腺苷酸環(huán)化酶 Adenylate cyclaseGsaOdorant receptorsGolfaAdenylate cyclase嗅覺(jué)受體在視桿細(xì)胞中光誘導(dǎo)的信號(hào)級(jí)聯(lián)及大地放大光信號(hào)含視紫紅質(zhì)的光感受膜盤(pán)突觸區(qū)改變神經(jīng)遞質(zhì)的速率視紫紅質(zhì)的結(jié)構(gòu)七個(gè)跨膜螺旋垂直于細(xì)胞膜所在的平面并形成一胞內(nèi)束，視黃醛分子坐落在螺旋形成的通道視黃醛分子。胞外7次跨膜螺旋的受體分子-視紫紅質(zhì)的結(jié)構(gòu)（PDB：1F88）三聚體G蛋白：分子開(kāi)關(guān)三聚體G 蛋白在GPCR通路中擔(dān)當(dāng)著信號(hào)放大者的角色錨定在膜上G結(jié)構(gòu)域G復(fù)合物結(jié)構(gòu)（視導(dǎo)素分子，PDB：1GOT）當(dāng)GTP 結(jié)合時(shí)，激活的G 蛋白分

20、為兩個(gè)部分，G和G。只有當(dāng)GTP 水解為GDP 時(shí)G 蛋白才會(huì)失活，因此信號(hào)的產(chǎn)生就依賴(lài)于G 蛋白三磷酸鳥(niǎo)苷酸水解酶的活性。當(dāng)GTP 水解成GDP 時(shí)，G和G又分開(kāi)成為兩部分并重新形成三聚體結(jié)合到受體分子上，使得下一輪的激活可以發(fā)生。轉(zhuǎn)導(dǎo)素亞基的G結(jié)構(gòu)域和（PDB：1TAD）三磷酸鳥(niǎo)苷酸水解酶結(jié)構(gòu)域的螺旋結(jié)構(gòu)域螺旋結(jié)構(gòu)域，像一個(gè)蓋子蓋住了與蛋白結(jié)合的核苷酸。螺旋結(jié)構(gòu)域作為的GAP 蛋白，貢獻(xiàn)一個(gè)精氨酸（the Arg-finger）到活性中心。含有GDP與四氟化鋁的結(jié)構(gòu)模擬了 GTP 水解成中間產(chǎn)物的中間態(tài)結(jié)構(gòu)。參與固定活性水分子的谷氨酰胺殘基也用球棍模型顯示了出來(lái)。視導(dǎo)素中G復(fù)合體G是一個(gè)七瓣?duì)畹穆菪龢Y(jié)構(gòu)蛋白，每一個(gè)瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)是由四個(gè)反向平行的折疊束所形成的折疊片層結(jié)構(gòu)。G與G分開(kāi)時(shí)，形成一小段無(wú)序的結(jié)構(gòu)，但當(dāng)它與G結(jié)合時(shí)以?xún)啥寺菪Y(jié)構(gòu)整個(gè)蛋白的一部分。當(dāng)GPCR 受體GDP 的后，GTP 的結(jié)合會(huì)導(dǎo)致G亞基向著活性狀態(tài)發(fā)生構(gòu)象變化，此時(shí)G不能再結(jié)合到G上。G并不發(fā)生構(gòu)象的變化，但是當(dāng)它被釋放后，可以利用與G結(jié)合的相同方式結(jié)合到其他效應(yīng)物蛋白上。腺苷酸環(huán)化酶的激活人類(lèi)腺苷酸環(huán)化酶有9個(gè)亞型；催化ATP生成c（環(huán)化單磷酸腺苷酸），為GPCR通路中的第二信使；腺苷酸環(huán)化酶受G蛋白Gs調(diào)控；對(duì)胞外信號(hào)的響應(yīng)使得c濃培養(yǎng)的神經(jīng)細(xì)