医学ppt课件大全蛋白激酶蛋白磷酸酶与信号转导

第五章 蛋白激酶、蛋白磷酸酶 与信号转导 【 目的要求 】 1掌握蛋白激酶的概念及其催化的蛋白质磷 酸化反应；丝氨酸 /苏氨酸蛋白激酶的主要种类及 其激活剂； PKC的分类及其特点；酪氨酸蛋白激 酶的概念、分类及其重要的结构域；受体酪氨酸 蛋白激酶的概念；蛋白磷酸酶的概念及分类。 【 目的要求 】 2熟悉受体酪氨酸蛋白激酶的分类；双重特 异性蛋白激酶；蛋白激酶在信号转导中的作用； 丝氨酸 /苏氨酸蛋白磷酸酶的生物学作用；酪氨酸 蛋白磷酸酶的分类及其在信号转导中的作用；双 重特异性蛋白磷酸酶。 一、 蛋白激酶 蛋白磷酸化是多种信号转导途径 中的重要环节，细胞内大部分重要的生命 过程都涉及蛋白磷酸化。 可逆的蛋白质磷酸化： 蛋白激酶 （ protein kinase， PK）： 是一类磷酸转移酶，其作用是将 ATP 的 - 磷酸基转移到底物特定的氨基酸 残基上，使蛋白质磷酸化， 发挥其生理生 化功能。 （一）蛋白激酶的结构 共同的结构特征： 保守的催化结构域 /亚基 调节结构域 /亚基 其他功能结构域 PKC 1. 催化结构域 /亚基 催化核心含有 12个高度保守的亚区。 功能： 与蛋白质或多肽底物结合； 与磷酸供体 ATP/GTP结合； 转移磷酸基到底物相应的氨基酸残基上 。 2. 调节结构域 /亚基 同源性较低。 作用： 调节酶的活性； 靶向作用，与酶的亚细胞定位有关 。 （二）蛋白激酶的种类 真核细胞的蛋白激酶可分为五类： 丝氨酸 /苏氨酸蛋白激酶 酪氨酸蛋白激酶 组 /赖 /精氨酸蛋白激酶 半胱氨酸蛋白激酶 天冬氨酸 /谷氨酸蛋白激酶 1. 丝氨酸 /苏氨酸蛋白激酶 丝氨酸 /苏氨酸蛋白激酶（ serine/ threonine protein kinase， S/T-PK） 催化 丝氨酸 /苏氨酸 的羟基磷酸化。 （ 1）蛋白激酶 A（ protein kinase A， PKA） 即 cAMP依赖性蛋白激酶。 全酶存在胞浆，被 cAMP激活后，催化 亚基可 调节代谢； 调节离子通道； 调 节其他信号转导途径的蛋白； 进入细胞核 调节基因表达 。 （ 2）蛋白激酶 C 即 Ca2 和磷脂依赖的蛋白激酶， 受 Ca2 、 DAG和 PS激活。 PKC有 11种亚型： A组 典型 PKC (classical PKC， cPKC) ： 、 、 和 活化需要 Ca2 、 DAG和 PS。 B组 新型 PKC (new PKC， nPKC)： 、 、 (L) 、 、 和 。 活化不需要 Ca2 。 C组 非典型 PKC (atypical PKC， aPKC)： 和 / 。 活化不需要 Ca2 和 DAG。 各亚型均由一条肽链组成，分为四个保守区 C1C4和五个可变区 V1V5。 调节区： C1是膜结合区，与佛波酯、 DAG和 PS结 合有关。 C2是 Ca2 结合位点。 催化区： C3是 ATP结合位点。 C4是 底物蛋白 结合位点。 PS DAG Ca2+ ATP PKC底物： 参与信号转导的底物，如表皮生长因子 受体、胰岛素受体、 T细胞受体（ TCR）、 Ras、 GTP酶活化蛋白等； 参与代谢调控的底物，如膜上的通道和 泵； 调节基因表达的底物，如转录因子、翻 译因子、 S6K、 Raf激酶等。 PKC分布： 广泛分布于各组织的胞质，以 Ca2 依赖 的形式从胞质中移位到细胞膜上，此过程称 之为转位。 PKC转位是其活化的标志。 佛波酯（ TPA or PMA）是一种促癌剂， 其结构与 DAG相似，可持续活化 PKC，促进 细胞增殖。 乙酸豆蔻佛波 （ 3）钙 /钙调素依赖性蛋白激酶 （ CaMK ） 包括肌球蛋白轻链激酶（ myosin light chain kinase， MLCK）、磷酸化酶激 酶、 CaMK 等 。 （ 4） CMGC组蛋白激酶 脯氨酸依赖性激酶（ proline depedent kinase， PDK） 酪蛋白激酶 （ casein kinase ， CK ）家族 PDK： 细胞周期素依赖性蛋白激酶（ cyclin depedent kinase， CDK）家族 丝裂原活化蛋白激酶（ mitogen- activated protein kinase， MAPK）家族 糖原合成酶激酶 3（ glycogen synthetase kinase 3， GSK3） CDK样激酶（ CDK-like kinase， CLK）家族 MAPK途径： EGF途径 （ 5）蛋白激酶 G 即 cGMP依赖性蛋白激酶（ cGMP dependent protein kinase， PKG），以 cGMP 为变构剂，在脑和平滑肌中含量较 丰富。 （ 6） G蛋白偶联受体激酶 有 肾上腺素受体蛋白激酶（ - adrenergic receptor kinase， -ARK）、 -ARK相关激酶和视紫红质激酶等 。 （ 7）核糖体 S6激酶（ S6K） 包括 S6K 和 S6K ，能催化核糖 体 S6蛋白磷酸化。 （ 8）整合素连接激酶 整合素连接激酶（ intergrin-linked kinase， ILK）可直接磷酸化 PKB/Akt，其 活性依赖 PI3K。 （ 9） DNA依赖性蛋白激酶 DNA依赖性蛋白激酶（ DNA-depen -dent protein kinaes， DNA-PK）可磷酸化 许多核蛋白，包括核受体、转录因子、 DNA 拓扑异构酶和 RNA聚合酶 等。 DNA-PK可发生自主磷酸化，其催 化亚基和 Ku蛋白都依赖于 DNA和 ATP而磷酸 化。 2. 酪氨酸蛋白激酶 （ PTK） 是一类催化 ATP上 -磷酸基团转移 到蛋白酪氨酸残基酚羟基上的激酶，使多种 底物蛋白磷酸化，在细胞增殖、分化中起重 要作用。 分类： （ 1）非受体酪氨酸蛋白激酶（ NRTK） （ 2）受体酪氨酸蛋白激酶（ RTK） （ 3）核内酪氨酸蛋白激酶 （ 1）非受体酪氨酸蛋白激酶（ NRTK） 1） 非受体酪氨酸蛋白激酶的重要结构域 有 SH1（ c-Src homology domain 1）、 SH2、 SH3、 PH、 PTB等。它们在激酶 的催化反应、酶定位、活性调节以及与其他 分子相互作用中起重要作用。 SH结构域是 Src同源结构域的简称 。 a） SH 1结构域 非受体型的 PTK的催化区 因与 Src 家族催化结构域的一级结构高度同源，因此 称为 Src同源结构域 1（ SH1 ）。 大部分 SH1区有一个自主磷酸化位 点。 SH1有 PTK活性 。 b） SH 2结构域 主要存在于多种胞质信号蛋白中。 如 PIP2特异性 PLC、 PI3K的调节亚基（ p85 ）、 Ras-GTP酶激活蛋白（ GTPase activating protein， GAP）以及 crk、 abl和 vav原癌基因产物等。 SH 2能特异地识别磷酸化的酪氨酸 残基 以及磷酸化残基的羧基端氨基酸序列并 与其相互结合。 SH2的主要功能是 介导胞质内多种 信号蛋白的相互连接 ，形成蛋白异聚体复合 物，从而调节信号传递。 C- terminal PLC SH2 domain c） SH3结构域 可见于多种胞质信号蛋白及肌动蛋 白结合蛋白中。 SH3识别的部位是一些富含脯氨酸 的区域 PXXP。 功能：参与 PTK介导的蛋白质间的 相互作用，可能在 亚细胞定位和细胞骨架蛋 白相互作用 中起作用。 SH3 Domain d） PH结构域 最初于一种血小板内 PKC底物 pleckstrin中发现的结构域，称为 pleckstrin 同源 (pleckstrin homology， PH) 结构域。 GAP、 PLC等含有 PH结构域，后者 可 同 G蛋白及磷脂类分子 PIP2、 PIP3、 IP3等 结合 。 PLC-1的 PH domain与 IP3结合 血影蛋白的 PH domain与膜磷脂结合 e） PTB结构域 PTB结构也可识别一些含磷酸化酪 氨酸的模体。 Shc PTB Domain 非受体酪氨酸蛋白激酶重要结构域的特点 ： 一个信号分子可含有两种以上的结构域， 因此可同时与两种以上的其他信号分子结合 。 同一类结构域可存在于多种不同的信号分 子中。 本身均为非催化结构域。 2）非受体酪氨酸蛋白激酶的种类 分为 11个家族，至少有 30个成员。 它们介导多种生长因子受体、细胞因子受体 、淋巴细胞抗原受体以及黏附分子整合素的 信号转导。 a） Src激酶家族 Src是原癌基因 c-Src的产物，参与 抗原受体、细胞因子受体和整合素介导的跨 膜信号转导。 Src激酶家族是一组膜结合蛋白， 与受体结合存在，当配体与受体结合后被激 活。 Src羧基端有一酪氨酸磷酸化位点 Tyr527，其磷酸化可与 Src 自身的 SH2结构域 结合。 Src 的 SH3结构域能与分子内调节区 和激酶区交界部的脯氨酸残基结合。 这种结合可阻止底物与 Src的结合， 起自身抑制作用。其磷酸化位点是激酶的负 调节点。 b） JAK激酶家族 JAK (Janus kinase) 家族成员有 JAK1、 JAK2、 JAK3和 TYK2。 特征性结构是有两个激酶结构域： 激酶区（ JH1）和激酶相关区（ JH2或假 SH1 区）。此外，还有 5个同源结构域（ JH3 JH7 ）。 JH1和 JH2都与 Src具有同源性。 JH1JH2 JAK最主要的底物是信号转导子和 转录激活子（ signal tranducers and activators of transcription， STAT）。 STAT是一种 DNA结合蛋白家族，有 7个成员。它与酪氨酸磷酸化信号偶联，发挥 转录调控作用。 JAK家族介导细胞因子受体的跨膜 信号转导。 JAK STAT pathway c） Syk/ZAP-70家族 包括 Syk和 T细胞受体 链连接蛋白 - 70 （ zeta chain-associated protein-70， ZAP-70 ）。 二者可介导淋巴细胞抗原受体和某 些细胞因子受体的信号转导，在淋巴细胞的 分化、发育和活化中具有重要作用。 d） CSK家族 CSK (C terminal Src-family kinase）家族中 p50CSK含有 SH1、 SH2和 SH3 结构域，能使 Src的羧基端 Tyr527磷酸化，从 而抑制 Src的活性。 e） Tec家族 包括 Btk、 Itk、 Tec、 Txk、 Bmx等 ，其成员有不同的组织表达。 f）黏附斑激酶 黏附斑激酶（ focal adhesion kinase， FAK）在黏附分子整合素介导的细 胞与细胞外基质的黏附和信号转导中具有起 始作用。 整 合 素 结 构 模 型 Linear structure of FAK （ 2）受体酪氨酸蛋白激酶 PDGF一类的跨膜受体，可磷酸化靶 蛋白的酪氨酸，因此称为受体酪氨酸蛋白激 酶（ receptor tyrosine kinase， RTK）。 1）受体酪氨酸激酶的自主磷酸化位点 常位于受体的羧基末端胞质域的非 催化区，或质膜与酪氨酸激酶结构域之间。 主要功能是与靶蛋白的 SH2结构域结 合，激活靶蛋白。 靶蛋白与磷酸化位点的结合依赖于 pTyr附近的氨基酸组成及顺序。 2）受体酪氨酸激酶激活信号蛋白的机制 一是信号分子的膜转位； 二是通过结构改变而被激活； 三是通过酪氨酸的磷酸化被激活。 作为 PTK底物的信号蛋白又分为具有 酶活性和不具有酶活性的接头蛋白两类。 3）受体酪氨酸激酶的分类 a）表皮生长因子受体（ EGFR）家族 包括 EGFR、 erbB2/neu及 erbB3基因 表达产物。 特点：胞膜外有两个富含 Cys的区域， 胞质内含有一个酪氨酸激酶活性区。 b）胰岛素受体家族 包括胰岛素受体（ insulin receptor ， IR）、胰岛素样生长因子 -1受体（ insulin- like growth factor-1 receptor， IGF-1R）以 及胰岛素相关受体（ insulin related receptor， IRR）。 c） PDGF/MCSF/SCF受体家族 包括 PDGF- R、 PDGF- R、 M- CSFR、 SCFR。 d）成纤维细胞生长因子受体家族 成员有 FGFR1、 FGFR2、 FGFR3及 FGFR4。 （ 3）核内酪氨酸蛋白激酶 Abl即存在于胞核内，也存在于胞 质中，参与转录过程和细胞周期的调节。 Wee只存在于核内，可抑制 cyclin- 2的磷酸化，调节其活性，对细胞进入有丝 分裂期具有调节作用。 3. 双重特异性蛋白激酶 是既能使丝氨酸 /苏氨酸磷酸化也能 使酪氨酸磷酸化的蛋白激酶。 MAPK上游激酶 MAPKK或 MEK（ MAPK/ERK kinase）是一个 双重特异性蛋 白激酶 ，能使 MAPK分子中的 Thr185和 Tyr187磷酸化而使该酶激活。 4. 组氨酸蛋白激酶（ Histidine Protein Kinase， HPK） HPK是磷酸化底物蛋白分子中组氨 酸咪唑氮的激酶 。 （ 1）双组分 组氨酸蛋白激酶 存在：原核细胞，低等真核细胞（植物， 酵母）。 作用：调节对环境刺激发生的反应 在结构和作用方式上与酪氨酸激酶受体相 似。 双组分 组氨酸蛋白激酶的组成： HPK：使自身的 His磷酸化。 反应调节蛋白（ RR）：多为转录因子，使 His上的磷酸基团转移到自身调控区的 Asp上 而被激活。参与调节酶的活性、细胞周期调 控、抗生素抗性的表达、趋化性运动、果实 成熟等各种生理过程。 双组分组氨酸蛋白激酶的磷酸转移反 应 三个磷酸转移步骤 （ 2）双组分样哺乳动物 组氨酸蛋白激酶 有支链 -酮酸脱氢酶激酶（ BCKDHK ）和丙酮酸脱氢酶激酶（ PDHK）。 核苷二磷酸激酶（ NDPK）也可自主磷 酸化 His，然后向其他蛋白的 His或 Ser/Thr上 转移（如 ATP柠檬酸裂解酶的 His）。 （ 3） G蛋白 组氨酸蛋白激酶 先磷酸化 G蛋白 亚基的 His，再将 磷酸基向 亚基的 GDP转移。 （ 4）其他系统的哺乳动物 组氨酸蛋白激 酶 1）组蛋白 H4组氨酸蛋白激酶 磷酸化组蛋白 H4的 H18或 H75的 His， 形成 1-磷酸化或 3-磷酸化 His。 推测此酶与细胞增殖有关。 2）其他哺乳动物蛋白 组氨酸蛋白激酶 突触膜蛋白的 Ser和 His残基的磷酸 化，在调节突触传递中发挥作用。 血小板膜蛋白 P-选择素胞质部分磷 酸化的氨基酸中有 His。 羊气管上皮细胞膜联蛋白 I（ annexin I） His磷酸化。 蛋白质磷酸化的效应： 酶活性增强或抑制。 提高激酶与辅因子结合的亲和力 。 利于底物的识别。 增加底物蛋白稳定性。 不同的蛋白激酶磷酸化同一蛋白的意义 ： 不同的几个蛋白激酶可能对同 一个蛋白质的功能进行调节。 不同的蛋白激酶对同一蛋白质的 不同部位的磷酸化可能产生同样的生物反应 。 不同的蛋白激酶对同一蛋白质的 不同部位的磷酸化也可能产生不同的生物反 应。 蛋白激酶的多点磷酸化有利于其 对下一步蛋白激酶活性的调节。多点磷酸化 可能成为多种不同信息传递通路之间的交叉 点，而这种交叉点对跨膜信息传递的交联和 整合十分重要。 （三）蛋白激酶在信号转导中的作用 以四种方式参与信号转导： 1. 具有激酶活性的受体 多数生长因子受体本身就是激酶， 与配体结合后，能直接启动细胞的跨膜信号 转导。 生长因子受体的主要信号通路： Grb2/mSOS-Ras/MAPK途径 PI3K-Akt途径 Rac/Cdc42途径 PLC-CaMK和 PKC途径 STAT途径 生长因子受体的主要信号通路 一些游离于胞质中的激酶如 Src和 JAK家族，通过与受体胞内区、质膜或上游 其他信号蛋白的结合，参与受体介导的跨膜 信号转导。 2. 近膜信号分子 一些蛋白激酶作为胞内信号分子的直 接或间接的底物，被胞内信使激活后，通过 对下游蛋白的磷酸化反应，控制信号转导途 径中其他酶类或蛋白质的活性，介导信号的 转导和放大，并最终引起细胞对胞外信号的 反应。 如 MAPK家族。 3. 细胞内信号分子 整合素和生长因子受体可以形成复 合物，使其在无配体结合情况下自主磷酸化 ，导致信号转导 。 4. 多聚体形成 （四）蛋白激酶间的相互调节 通过磷酸化相互调节酶的活性。 1. 同一信号途径中的酶促级联反应 不同信号途径间的交谈（ cross-talk ），即一条信号通路中的激酶作为另一条信 号通路中激酶的底物 。 应激 细胞因子 MKK4 MKK7 JNK 2. 信号途径间的交互作用 蛋白激酶之间相互调节过程中，如何 选择特异性底物 是保证其功能的基础。 支 架蛋白 与激酶形成的复合物是决定信号转 导特异性的关键。 3. 蛋白激酶相互作用的特异性 二、蛋白磷酸酶 蛋白磷酸酶 （ protein phospha- tase， PP）的作用是使磷酸化的蛋白质脱 去磷酸。 在细胞信号转导中，磷酸化主要体 现在信号的启动、转导和放大上，而去磷酸 化则主要与信号的终止和失活有关。 蛋白磷酸酶的分类 ： 丝氨酸 /苏氨酸蛋白磷酸酶（ protein serine/threonine phosphatase， PSTP ） 酪氨酸蛋白磷酸酶（ protein tyrosine phosphatase， PTP） 双重特异性蛋白磷酸酶 （一） PSTP的结构 由催化亚基和调节 /靶向亚基组成。 调节 /靶向亚基不仅可引导蛋白磷酸酶定 位于靶位点，还可与催化亚基相互作用，调 节催化亚基对靶蛋白的活性和选择特异性。 （二） PSTP的分类 1. PPP家族 （ 1） PP1 催化亚基： PP1c 调节 /靶向亚基： G亚基、 M亚基、 N亚 基 由催化亚基（ C亚基） 、调节亚基（ A亚基）和可变调节亚基（ B亚基）组成异 三聚体。 PP2A选择性地使 Ser或 Thr脱磷酸， 对调节代谢的酶、信息传递中的蛋白激酶及 转录调控因子等起调节作用，从而影响细胞 周期和细胞转化等。 （ 2） PP2A Structure of PP2A PP2A and regulation of the G2/M transition 又名钙调神经磷酸酶（ calcineurin ， Cn或 CaN）。 由催化亚基（ A亚基， CnA）和调节 亚基（ B亚基， CnB）组成。 PP2B在激活 T细胞的 Ca2+信号转导通 路中发挥关键性的作用。 （ 3） PP2B Multiple levels of regulation occur in the calcium-calcineurin-NFAT pathway. Calcineurin (Cn) is activated by the binding of calcineurin A (CnA) to calcineurin B (CnB) and calmodulin (CaM), displacing an auto-inhibitory domain. Dephosphorylation of NFAT(nuclear factor of activated T cells) promotes its nuclear import. 包括 SIT4、 PP5、 PPQ、 PPV、 PPX 、 PPY、 PPZ等。 （ 4）其他 PP2C是 PPM家族的典型成员。其 最大活性需要 Mg2 。 PP2C 和 PP2C 都含有功能性的 核定位信号。 2. PPM家族 （三） PSTP的生物学作用 1. 参与肌糖原合成与分解 PP1能使 cAMP反应元件结合蛋白（ CREB）脱磷酸化，失去转录活性 。 2. 转录调控 PP1和 PP2B能使 S6蛋白脱磷酸， 而 PP2A能使 S6K脱磷酸并失活 。 S6 S6- P S6K- P PP1/PP2B PP2A S6K 3. 翻译调控 4.T细胞的信号转导 抑制 PP1和 PP2A的脱磷酸能使细胞 发生转化 。 冈田酸 5. 细胞的转化 长时程抑制（ long-term depression， LTD）和长时程电位（ long- term potential， LTP）在学习和记忆的信 息储存中有重要作用 。 LTD中的起始磷酸酶 是钙激活的 PP2B。 6. 神经细胞特异性的活动 7. 细胞周期的调控 （四） PTP的结构和分类 1. PTP的结构 分为受体和非受体样 PTP两类。 PTP的最适底物是含有磷酸化酪氨酸 的多肽。部分有双重专一性。 受体型的 PTP超家族有 80多种，以 SHP-1、 SHP-2和 CD45为代表。 结构： 催化域活性中心保守序列中 Cys对酶 的活性至关重要。 调节序列有 SH2区、配体结合区和定 位信号序列。 非受体型 PTP以 PTP1B为代表。 结构： 催化结构域 调节序列 转移活性序列 。 2. PTP的分类 （ 1） 受体型 PTP （ 2）非 受体型 PTP 非受体型 PTP重要的区域： SH2功能域：增强催化区的活性。 膜结合域：定位作用。 功能蛋白结合域 PEST功能域 Ser和 Thr磷酸化区域 （五） PTP在信号转导中的作用 1. 调节细胞因子受体介导的信号转 导过程 2. 调节抗原受体介导的信号转导过程 3. 参与黏附分子介导的信号转导 多种 PTP在氨基端具有与细胞黏附和 细胞骨架结合蛋白同源的结构域，可通过 脱磷酸作用参与细胞黏附反应和黏附分子 介导的信号转导。 （六）双重特异性蛋白磷酸酶 如 PP2A、 CD45、 Cdc25等，特异 性较低，也能选择性地水解 Thr或 Tyr上的 磷酸基。 （七）蛋白激酶及磷酸酶之间的平衡 蛋白激酶及磷酸酶之间的平衡在细胞 的信号转导中起关键作用。 为了保证 PTK与 PTP之间的平衡，使 信号转导正常进行， PTP的作用受严格的控 制，主要包括其亚细胞分布的调节和活性的 修饰。 蛋白激酶及磷酸酶之间的相互调节： 磷酸酶作为激酶的底物被磷酸化，从而改 变磷酸酶的活性。 PTP被激酶磷酸化后产生 SH2识别的位点 ，将 PTP引导到特异性底物上发挥作用。 PTP磷酸化后与其他含有 SH2的蛋白结合 ，激活信息传递的下游通路。 PTP也能调节 PTK。 三、以蛋白激酶为靶位的药