第14章生化(刘建华)

1、BiochemistrySixth EditionChapter 14:Signal-Transduction PathwaysCopyright 2007 by W. H. Freeman and Company Berg Tymoczko Stryer生物系统的信号传导通路是分子开关的接通和关闭。如同计算机芯片（左边），处于“接通”状态就能传递信息。这些通路的共同点一些蛋白质（包括G蛋白，右边），与GTP结合的能够传递信号，与GDP结合就处于沉默状态。细胞对环境特异化学物质应答程度很高。在感知环境有这种化学物质是，细胞的应答也许改变细胞的代谢，也许改变细胞的基因表达模式。在多细胞生物，这些

2、化学信号是协调生物应答的关键（图14.1）。刺激生理应答的三个分子信号的实例分别是肾上腺素、胰岛素、和表皮生长因子。当生物个体受到威胁，处于肾脏上面的肾上腺释放肾上腺素。肾上腺素能促进能源转化，改进心脏功能。进食后，胰岛的b-细胞释放胰岛素。胰岛素刺激机体从血液摄取葡萄糖，产生其它生理变化。应答损伤时，机体释放表皮生长因子刺激特异细胞生长和分裂。上述的各种情况，细胞都是接受到一种信息，即环境中某种分子的浓度已经超过阈值，启动生物的一系列事件将“环境中这种分子的浓度超过阈值”的信息转化成生理应答，这个过程叫信号传导(signal transduction)。图14.1 三种信号传导途径。信号分子

3、与受体结合启动相应的生物过程，使机体产生重要的生理应答。图图14.2 信号传导原则信号传导原则。一个细胞组分首先与环境信号结合。这个细胞组分常常是细胞表面受体。然后将信号已经到达的信息转化成其他化学形式，或转导。转导过程常常有很多步骤构成。在发生最后应答前，这些步骤常常依次扩增、反馈调节整个信号途径。信号传导途径是一种分子通路（图14.2）。所有这些分子通路都含有一些关键步骤是共同的：1. 第一信使的释放。损伤或进食的刺激启动信号分子释放。这些信号分子叫第一信使第一信使。2. 第一信使的接收。大多数第一信使分子不进入细胞，只与细胞表面的受体结合。受体能够将已经与信号分子结合的“信息”传递到胞内

4、。受体是膜蛋白质，除跨膜结构外，还有胞内结构域和胞外结构域。胞外结构域形成配体结合位点。配体结合位点与酶的底物活性位点相似，但不发生催化作用。配体与受体的结合改变受体蛋白的三级改变受体蛋白的三级或四级结构或四级结构，包括受体胞内结构域的空间结构。3. 在细胞内用第二信使传递信息。第二信使是胞内分子，能继续将受体-配体结合的信息向下传递。环境信号刺激导致第二信使浓度变化，这种变化构成分子通路的下一环节。特别重要的第二信使有环核苷酸，Ca2+, 肌醇-1,3,5-三磷酸（IP3），和二酰基甘油(DAG）。 采用二级信使产生了几种结果。（1）在产生第二级信使之前信号可能已被放大。信号分子与受体结合可

5、能只活化了少量受体分子，但是每个活化的受体分子能产生很多第二级信使。因此，低浓度的环境信号分子，即使少到只有一个信号分子，也能产生大量的胞内信号和应答。（2）第二信使分子能自由扩散到细胞其他区域，因此能够影响整个细胞。（3）在多个信号途径采用相同的第二信使既造就了一些机会，也产生了一些问题。从几个信号途径输入信号（常常称为Cross-talk)，会改变共同第二信使的浓度。与单独途径作用相比，Cross talk可以精细调节细胞活性。但是，不当的cross talk导致的第二信使浓度改变可能被细胞误读。4 直接改变生理应答的效应器活化。信号途径的基本效应是活化（或抑制）泵、酶、和直接控制代谢途径

6、的基因转录因子，基因活化，以及神经信号传递。5 信号终止。在细胞已经完成了对信号的应答之后，必须终止信号途径或者不再对新的信号实施应答。不能适当终止信号应答的细胞会导致非常严重的后果。我们将看到，很多肿瘤细胞与它们不能适当地终止信号途径有关，尤其是控制细胞生长的生物过程。本章介绍图14.1提到的三种信号途径的各个组分。我们会看到信号转导蛋白的几类接头接头（adaptor）结构域。这些结构域通常能识别特定分子，有助于将信息从一种蛋白质传递到另一种蛋白质。这三种信号传递途径的组分也出现于其他信号传导途径。这三个信号传导途径也是很多其他信号传导途径的代表。14.1 异源三聚体G蛋白传递信号、重置自身

7、 b-肾上腺素受体（b-AR）与肾上腺素结合，起始肾上腺素信号途径。b- AR属于7TM 受体家族（seven transmembrane-helix receptors)，该家族成员负责传递不同信号启动的信息。这些信号包括激素、神经递质、气味（odorants)、味觉物质、甚至质子（表14.1）。已经知道的7TM 受体家族成员有几千种。约有约有50%的治疗药物靶向的治疗药物靶向这类受体。这类受体。该家族蛋白有7个a-螺旋跨过膜脂质双层。由于是单一多肽链如同蛇形跨膜7次，也有人称这类受体为“蛇形卷曲受体”（serpentine receptors)（图14.4A）。图图14.4 （A）跨膜7次

8、的7TM 受体蛋白示意图。最先被确定三维结构的7TM 受体是视紫质，在视觉系统其关键作用。其他很多7TM 受体家族成员的结构与视紫质蛋白结构很相似，有些7TM 受体家族成员胞外结构域较大。图图14.4B 视紫质的三维结构。视紫质的三维结构。该蛋白参与视觉信号传导。配体与接近于细胞外表面配体结合位点结合。该蛋白三维结构的阐明为认识其它7TM 受体的结构提供了结构框架。配体与配体与7TM受体结合，导致异源三聚体受体结合，导致异源三聚体G蛋白蛋白的活化的活化 配体与受体结合导致受体的细胞质他部分发生构象变化，这种变化活化了G蛋白。G蛋白是能够结合鸟嘌呤核苷酸的蛋白质，这就是这个蛋白名称的来源。活化的

9、G蛋白能够促进腺苷酸环化酶的活性。腺苷酸环化酶促进ATP转化成cAMP，从而提升胞内cAMP浓度。G蛋白和腺苷酸环化酶结合于膜上，而cAMP能够穿过整个细胞。图14.5提供了这些步骤地总况。 a, b, 和g亚基构成的G蛋白没有活性，其中a-亚基与GDP结合， a和g亚基与脂肪酸共价连接(将蛋白质锚定在膜上)。 a亚基有P-loop，属于P-loop NTPase家族。P-loop参与核苷酸结合。激素-受体复合物与异源三聚体G蛋白相互作用，使G蛋白的核苷酸结合位点开放，导致结合的GDP离开、溶液的GTP结合上去。同时，a亚基与bg二聚体分开。 一个激素分子与受体蛋白的结合，导致数百个Ga变成G

10、TP结合型，这就是信号放大。由于它们用G蛋白传递信号，7TM受体常称为G-蛋白偶联受体(G-protein-coupled receptors, GPCRs)。图14.6 异源三聚体G蛋白。（上）三聚体各个亚基相互关系的缎带图。a-亚基(灰色和紫色)与GDP结合。GDP结合口袋接近于a亚基与bg二聚体相互作用的表面。（下）异源三聚体G蛋白的结构示意图。活化活化G蛋白与其他蛋白质结合传递信号蛋白与其他蛋白质结合传递信号 与GTP结合后，a亚基与bg亚基相互作用的表面发生变化，a亚基对bg二聚体的亲和性大大降低。但是Ga所采用的新结构与其他蛋白质有亲和性。在b-AR途径，与Ga发生结合的新蛋白是膜

11、蛋白腺苷酸环化酶（adenylate cyclase)。腺苷酸环化酶有12个跨膜螺旋，能够将ATP转化成cAMP。环化酶两个大的细胞质结构域形成酶的催化区。Gas与腺苷酸环化酶相互作用有利于环化酶的催化活性，促进cAMP的产出（图14.7）。肾上腺素与细胞表面接合的净结果是增加了胞内cAMP合成速率。腺苷酸环化酶催化合成的cAMP第二次放大信号。图图14.7 腺苷酸环化腺苷酸环化酶活化。酶活化。(A)腺苷酸环化酶是膜蛋白，胞内结构域大，有催化活性。(B) 结合GTP的Ga能够与腺苷酸环化酶催化结构域结合。此时Ga不结合bg二聚体，而是与腺苷酸环化酶结合。cAMP活化蛋白激酶活化蛋白激酶A，后者

12、催化很多目标蛋白磷酸化，后者催化很多目标蛋白磷酸化 cAMP浓度的增加能影响很多细胞过程。肌肉组织肾上腺素途径产生的cAMP刺激肌肉细胞合成ATP以利于肌肉收缩。在其他细胞，cAMP促进储存燃料的降解、增加胃粘膜分泌酸，导致黑素颗粒的分散，消除血小板凝聚，诱导氯离子通道的开放。 cAMP的大多数效应是活化蛋白激酶A 的结果。PKA有两个调节亚基（R）和两个催化亚基（C）。没有cAMP, R2C2复合物没有活性。cAMP与调节亚基结合，释放R2。后者催化自身磷酸化。活化的PKA能够磷酸化很多目标蛋白的丝氨酸和酸酸。例如，PKA磷酸化两种酶，从而促经糖原降解、抑制糖原合成；磷酸化一些转录因子（即C

13、REB, cAMP-response element binding protein)，从而刺激特定基因的表达。PKA的这种活性显示信号转导途径能够将胞外信息传递到细胞核，改变基因的转录。图14.8 肾上腺素信号传递途径。肾上腺素与肾上腺素受体结合，启动信号传导途径。每步反应的特性在箭头左侧的黑色文字标出。箭头右侧绿色文字标出能进行信号放大的步骤。GTP水解后，G蛋白自动恢复从前的结构信号途径关闭 Ga亚基自身有GTPase，能GTP水解(产生GDP和Pi)。但是Ga酶促水解GTP的速度慢(从几秒几分)，故Ga结合的GTP能维持一段时间以活化下游组分。GTP水解导致Ga蛋白亚基失去信号传递活性

14、。该亚基结合的GTP实际上充当嵌入的钟表，在Ga发挥作用一段时间后自动重置蛋白的结构。GTP水解，释放Pi。GDP与Ga亚基结合，后者重新与Gbg结合形成没有活性的异源三聚体。图图14.9 Ga a重置重置。Ga内在的GTPase水解GTP后，Ga重新与bg二聚体结合形成异源三聚体G蛋白，从而终止对腺苷酸环化酶的活化。 激素结合的活化受体必须重置，以阻止G蛋白的持续活化。(1)激素解离，恢复到起始的、非活化状态。这点与激素浓度有关。(2) 复合物的受体蛋白C-端尾巴的丝氨酸和苏氨酸残基发生磷酸化，导致激素-受体复合物失活。b-肾上腺素受体激酶（也称为G蛋白受体激酶-2， GRK2）能够磷酸化这

15、种激素-受体蛋白复合物的C-端，而没有与激素结合的受体C-段不能被磷酸化。(3) b-arrestin与已经磷酸化的受体蛋白结合，消除受体蛋白对G-蛋白的活化。图图14.10 信号终止。信号终止。7TM受体的信号传导采用下列方式终止：（受体的信号传导采用下列方式终止：（1）信号分子与受体解离）信号分子与受体解离，和（，和（2）受体蛋白处于细胞质的）受体蛋白处于细胞质的C-端尾巴发生磷酸化，随后与端尾巴发生磷酸化，随后与b-b-arrestin结合。结合。有些有些7TM受体能够活化磷酸肌醇级联反应受体能够活化磷酸肌醇级联反应 血管紧张素-II受体与血管紧张素结合，启动的信号途径产生的第二信使是肌

16、酸1,4,5-三磷酸(IP3)和二酯酰甘油（DAG；图14.11）。激素受体也是7TM受体。 各种7TM受体所结合的G蛋白不同。肾上腺素受体结合的G蛋白被活化成Gas，血管紧张素 II受体结合的G蛋白被活化成Gaq。与GTP结合的Gaq能结合并活化b类磷脂酶C。后者催化PIP2(磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸)断裂成两种第二信使，即肌酸1,4, 5-三磷酸(IP3)和二酯酰甘油。磷酸肌醇与cAMP一样，将胞外信息转化成胞内信号分子。PIP2 是细胞膜组分，被信号转导途径裂解产生第二信使。图14.11 磷脂酶C酶促反应。磷脂酶C断裂膜磷脂成分磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸，产生二酯酰甘油（仍在膜上）和肌

17、醇-1,4,5-三磷酸（水溶分子，在细胞质扩散）。IP3是可溶性分子是可溶性分子，从生物膜离开进入进入细胞质溶液扩散。IP3与内质网Ca2+通道结合导致通道开放，Ca2+从内质网流入细胞质。Ca2+本身也是第二信使：它能结合很多蛋白质，包括普遍存在的信号传递蛋白即钙调蛋白和酶（如蛋白激酶C)。采用这些方式，Ca2+浓度的提升能启动很多生理过程，如平滑肌收缩、糖原分解、和囊泡释放。 DAG仍停留在细胞膜上，但是DAG能活化蛋白激酶C。活化的蛋白激酶C能够磷酸化很多目标蛋白的丝氨酸和苏氨酸。蛋白激酶C的DAG结合域与DAG结合需要Ca2+。DAG和IP3协同作用：IP3增加Ca2+浓度，Ca2+浓

18、度提高有助于蛋白激酶C活化。图14.12总结了磷酸肌醇级联反应。图图14.12 磷脂酰肌醇级磷脂酰肌醇级联反应。联反应。磷脂酰肌醇 4,5 - 二磷酸（PIP2）断裂形成二脂酰甘油(DAG)和肌醇1,4,5-三磷酸(IP3)，导致Ca2+释放（IP3受体的离子通道开放）、活化蛋白激酶C (因蛋白激酶C与膜上游离的DAG结合)。Ca 2+与蛋白激酶C结合有助于蛋白激酶C的活化。Ca 2+充当第二信使的资质：充当第二信使的资质：(1) 胞内Ca2+浓度低， 只有100 nM左右，阻止生物分子的羧基或磷酸基团与Ca2+结合形成沉淀。维持低浓度的机制是细胞膜将细胞质Ca 2+外排，使细胞质的Ca 2+

19、浓度比细胞外的Ca2+浓度低几个数量级。稳态细胞的Ca2+浓度低，使细胞更易感知Ca2+浓度上升的信号。(2) Ca2+与蛋白结合紧密并能诱导结合蛋白发生构象变化。Ca2+与6 8个氧原子形成配位键，这些氧原子来自带负电荷的谷氨酸和天冬氨酸侧链和不带电荷的主链羰基及谷氨酰胺和天冬酰胺侧链。Ca2+的结合将蛋白质不同区域交联在一起，迫使蛋白质发生构象变化。图图14.13 Ca2+结合位点。结合位点。在常见的一个Ca2+结合位点，Ca2+与六个氧原子（来自蛋白质和一个水分子）形成六个配位键。探测胞内Ca2+浓度变化(甚至是进行即时检测)方法的建立极大地促进了人们对Ca2+在胞内生物作用的认识。这种

20、方法有赖于人工设计的染料分子如Fura-2。Fura-2能结合Ca2+，与Ca 2+结合后，Fura-2的荧光性质发生改变。图14.14 Ca 2+成像。（A）Ca2+结合染料Fura-2的荧光图谱可以用来监测溶液或细胞内Ca2+浓度。(B) 一系列成像显示Ca2+分散在整个细胞。用钙离子结合的荧光染料获得这些图谱。图像设置成红色(Ca2+浓度高)和蓝色(Ca2+浓度低)。Ca 2+活化钙调蛋白活化钙调蛋白 钙调蛋白(Calmodulin, CaM)大小是17 kd，有四个Ca2+结合位点，几乎所有真核细胞都用CaM作为Ca2+感应器。当细胞质Ca2+达到500 nM以上，CaM与Ca2+结合

21、，被活化。钙调蛋白是EF-手状蛋白家族的成员。由于两个关键的螺旋（分别称为E和F)像右手的食指（forefinger)和拇指，这种Ca2+结合模体称为EF-手，有一个螺旋，一个环，和另一个螺旋。起初在parvalbumin蛋白 (小白蛋白)中发现。这两种螺旋及它们之间的环形成Ca2+结合模体。每个Ca 2+与七个氧原子形成配位键结合，其中六个氧原子来自蛋白质，一个氧原子来自水分子。图 14.15 EF手。由螺旋-环-螺旋单位组成。EF手是Ca2+结合位点。E螺旋是黄色的，F螺旋是蓝色的。Ca2+是绿色的球体。注意：Ca2+结合于连接两个螺旋的环上，这两个螺旋相互间几乎垂直。Ca 2+活化钙调蛋

22、白活化钙调蛋白 Ca 2+与CAM的结合诱导EF手的构象发生变化，导致钙调蛋白暴露相应的疏水面(该疏水面能与其他蛋白质相互作用)。目标蛋白暴露在外的a-螺旋(该螺旋特定位置有疏水或带电荷的氨基酸侧链)被CAM的两套双EF手向下扣住。被结合的蛋白发生构象变化并被活化。这些被结合蛋白包括酶、泵、和其它蛋白质。依赖于CAM的蛋白激酶（CaM Kinases)就是这类目标蛋白之一。 CaM Kinases能磷酸化很多蛋白质(涉及燃料代谢、离子通透性、神经递质的合成和释放等)。 Ca 2+浓度增加被CaM感知，Ca2+-CAM与目标蛋白结合导致目标蛋白构象改变并被激活，启动后续效应。图4.16 钙调蛋白

23、与a-螺旋结合。(A) CAM kinase I的一个a-螺旋(紫色)是钙调蛋白的结合目标。(B) 与Ca2+结合(1)后，钙调蛋白的两个半分子通过疏水力和离子之间的相互作用象钳子压住目标螺旋(2)。在CaM kinase I中，这种相互作用导致酶转化成有活性的形式。14.2 胰岛素信号传导：磷酸化级联反应胰岛素信号传导：磷酸化级联反应 前面介绍的信号传导途径都是活化蛋白激酶，这些蛋白激酶是这些信号传导途径下游的组分。现在介绍的激素与受体结合起始信号传导，蛋白激酶本身就是受体组成的一部分。这些蛋白质的活化能驱动其它过程（即修饰这个信号途径的效应剂）的进行。 一个实例是胰岛素启动的信号传导途径。

24、是进餐后机体释放胰岛素。这个信号传导途径有很多分支，相当复杂。此处集中介绍主要的一支。这一支信号通路导致葡萄糖运输器移动到细胞表面，使细胞能摄取进食后血液的高水平葡萄糖。图4.17 胰岛素结构。胰岛素有两条多肽链（分别用蓝色和黄色表示）。两条链之间用两个链间二硫键连接。a-链有一个链内二硫键。胰岛素受体的结构与肾上腺素受体（b-AR)结构有差异（图4.18）。胰岛素受体有两个相同单位构成的二聚体。每个单位有一个a-链和一个b-链，两者之间用一个二硫键连接。a-亚基完全处于细胞外，而b-亚基有一个跨膜区，其余部分处于细胞内。两个a-亚基移动到一块构成一个胰岛素分子的结合位点。这一点令人吃惊，因为

25、一个胰岛素分子的这两面不同，但是它与两个相同的胰岛素受体面发生结合。在胰岛素存在时，胰岛素的两个二聚体蛋白移动到一块，与胰岛素结合启动该信号途径。很多多亚基受体（尤其是含有蛋白激酶活性的受体）所采用的策略是，受体各亚基（可能是异源也可能是同源）围绕结合的配体聚集起来，启动信号传递。图4.18 胰岛素受体。胰岛素受体有两个单位，每个单位有一个a-亚基和一个b-亚基，两者之间用一个二硫键连接。a-亚基处于细胞外。两个a-亚基聚集在一块形成一个胰岛素结合位点。b-亚基则处于细胞内，有一个蛋白激酶结构域。 每个b-亚基有一个蛋白激酶结构域，这个结构域与蛋白激酶A同源。但是这个蛋白激酶结构域与蛋白激酶A

26、之间有两个重要的差别。 (1) 胰岛素受体蛋白激酶是酪氨酸蛋白激酶，催化ATP的磷酸基团转移到底物蛋白酪氨酸残基的羟基上，而不是象蛋白激酶A那样转移给丝氨酸和苏氨酸。 (2) 如果蛋白激酶结构域没有被共价修饰，胰岛素受体激酶处于没有活性的构型。由于受体蛋白结构中心有一个没有结构特征的环（称为活化环）使蛋白激酶处于失活状态。图14.19 磷酸化导致胰岛素受体的活化。胰岛素受体b-亚基是蛋白激酶结构域。左边是没有磷酸化的结构(没有活性)，右边有活性（红色的活化环有三个酪氨酸磷酸化，活化环发生摆渡，激酶结构更为紧密、呈催化活性状态)。胰岛素与受体结合交叉磷酸化胰岛素受体，活化胰岛素与受体结合交叉磷酸

27、化胰岛素受体，活化蛋白激酶蛋白激酶 当两个a-亚基围绕一个胰岛素分子移动到一块，胞内的两个蛋白激酶结构域也被拉到一块。重要的是，当两个蛋白激酶结构域聚集在一起，其中一个结构域的活化环活化环就深入这个二聚体的另一个蛋白激酶结构域活性中心。由于两个b-亚基被迫聚在一块，蛋白激酶结构域催化另一亚基的活化环磷酸化（磷酸来自ATP)。活化环的酪氨酸磷酸化后，构象发生显著变化（图14.19）。活化环构象变化后，蛋白激酶转变成激活状态。因此，胰岛素与受体胞外区域的结合能活化膜结合的胞内蛋白激酶活性。 一旦胰岛素受体被磷酸化，胰岛素受体激酶就被活化。由于受体的两个单位被结合在一起，受体的其它位点也被磷酸化。这

28、些磷酸化位点充当其它底物的停靠位点停靠位点（docking sites)。停靠在这些磷酸化位点的蛋白质是胰岛素受体底物IRS (insulin-receptor substrates)。IRS蛋白能将一系列膜锚定分子聚集在一块，将信息传递到一个蛋白激酶Akt（该蛋白激酶最后离开膜，图14.20)。IRS-1和IRS-2具有共同模块结构，是同源蛋白(图14.21)。其N-端有一个pleckstrin (血小板-白细胞C激酶底物)同源结构域这个结构域能结合肌醇磷脂(phosphoinositide)，和一个磷酰酪氨酸结合域。这些结构域联合作用将IRS蛋白锚定在胰岛素受体上。图14.21 胰岛素受体

29、底物IRS-1和IRS-2的模块结构。IRS-1和IRS-2共同的氨基酸序列。每个多肽链含有一个pleckstrin 同源结构域（能结合肌醇磷脂），一个磷酰酪氨酸结合域，和四个胰岛素受体酪氨酸激酶的磷酸化位点（Tyr-X-X-Met序列）。每个IRS蛋白都有四个可以为受体酪氨酸激酶磷酸化的序列，即Tyr-X-X-Met (YXXM)。因此，活化的受体激酶磷酰化这些酪氨酸残基。在磷酰化状态，IRS分子充当接头蛋白(adaptor protein)：它们并不活化信号途径下游的脂质激酶组分，而是与脂质激酶结合导致脂质激酶移动到膜上，此时磷脂激酶能够酶促底物（即膜脂质）。图图14.22 SH2结构域的

30、结构结构域的结构。该结构显示SH2已经结合含有磷脂酰酪氨酸的肽链。顶部是带负电荷的磷脂酰酪氨酸残基与SH2的两个Arg残基相互作用的情况。这两个Arg在所有SH2结构域中高度保守。 含有Src同源序列2 (SH2)的蛋白质能够识别IRS蛋白的磷酰酪氨酸残基磷酰酪氨酸残基(图14. 22)。很多信号传导蛋白有SH2结构域。这个结构域能够结合含有磷酰酪氨酸残基的多肽链。各种SH2结构域所识别的含有磷酰酪氨酸肽链序列并不相同。在能够与IRS结合的蛋白中，最重要的蛋白是脂质激酶。该激酶能够将磷酸基团添加到磷脂肌醇-4,5-二磷酸的肌醇3-位。图12.23 胰岛素信号传导途径的脂质激酶作用。磷酸化的IR

31、S-1和IRS-2活化磷脂肌醇3-激酶。磷脂肌醇 3-激酶能够将PIP2转化成PIP3。 脂质激酶是异源寡聚体，含有110kD的催化亚基和85kD的调节亚基。通过调节亚基的SH2结构域结合于IRS蛋白质，并被拉至膜上。在膜上，脂质激酶磷酸化PIP2，形成PIP3(phosphatidyl- inositol 3,4,5-triphosphate)。该脂质产物反过来活化蛋白激酶PDK1 ( PDK1有PIP3特异的pleckstrin同源结构域)。活化的蛋白激酶又去磷酸化Akt，导致Akt活化。Akt是另一种蛋白激酶，没有锚定在膜上，能够在细胞内移动。Akt能磷酸化的目标蛋白有的控制葡萄糖运输器

32、GLUT4向细胞表面的移动，有的刺激糖原合成的酶。 在这个信号途径，有几个步骤放大信号。活化的胰岛素受体本身是一个蛋白激酶。每个活化的受体能够磷酸化多个IRS分子。后续步骤至少有两个能进一步放大信号。因此，血液中胰岛素水平的小幅增加就能产生剧烈的胞内应答。这个信号传递途径复杂，对后续步骤的研究没有胰岛素起始信号阶段了解的那么深入。图图14.24 胰岛素信号传导途径。胰岛素信号传导途径。本图总结了胰岛素与胰岛素受体结合所启动的信号转导途径的关键步骤。磷酸酯酶的活化终止胰岛素信号途径磷酸酯酶的活化终止胰岛素信号途径 活化的G蛋白通过G蛋白自身催化，发生结合GTP的水解达到灭活的目的。但是，已经在酪

33、氨酸、丝氨酸和苏氨酸位点发生修饰的磷酸基团很稳定，不能自动水解。需要特异的酶水解才能灭活。类似地，也需要磷酸酯酶作用才能灭活第二信使肌醇磷酸。 胰岛素信号传导途径中，三类酶特别重要：蛋白酪氨酸磷酸酯酶(能够切除胰岛素受体酪氨酸的修饰磷酸)，脂质磷酸酯酶(能够将磷脂酰肌醇 3,4,5-三磷酸转化成磷脂酰肌醇 3,4-二磷酸)，和蛋白丝氨酸磷酸酯酶(能够除去像Akt的活化蛋白激酶丝氨酸的修饰磷酸)。很多这样的磷酸酯酶作为胰岛素应答的一部分被活化或者被招募。因此起始信号的结合就设置了应答过程的终止程序。14.3 EGF信号途径 肾上腺素和胰岛素启动的级联反应包括信号传导途径如何应答，以及细小的修饰就

34、能活化的机制。例如，G-蛋白的a-亚基只需要GTP替代结合的GDP就能传递信号。虽然这种交换反应在在热力学上是有利的，但是没有7TM 受体的活化，其反应速度就非常慢。类似地，胰岛素受体的酪氨酸激酶结构域磷酸化就能活化其激酶活性，但是需要胰岛素与两个a -亚基结合，将一个酪氨酸激酶的活化环拉入另一酪氨酸激酶的活性位点，启动这一过程。 接下来要介绍的信号传导途径属于另一类，即信号传导途径已经准备应答。这样的信号传导途径很多。表皮生长因子信号途径就属于此类。与胰岛素信号通路一样，该通路起始的关键是受体酪氨酸激酶。该受体的胞外和胞内结构域已经准备应答。胞内和胞外结构域为特定结构连接在一起组织受体结合到

35、一块。我们还会碰到其它的几个组分也参与了很多信号途径。图图14.25 表皮生长因子的结构。表皮生长因子的结构。三个链内二硫键稳定表皮生长激素紧凑的三维结构。EGF结合导致结合导致EGF受体二聚化受体二聚化 如同胰岛素受体， EGF受体是蛋白酪氨酸激酶，能交互磷酸化。EGF受体由一种多肽链构成。每个EGF受体单体的胞外区与一个EGF结合，能够形成同源二聚体。因此，二聚体受体结合两个配体，而不是一个配体(这点与胰岛素胰岛素受体结合不同)。每个EGF配体距离EGF受体相互作用的界面（该界面包括二聚化臂，这种手臂外凸，能够插入另一单体的结合口袋）很远。图14.27 与EGF结合的受体胞外区域的结构。一

36、个亚基结合一个EGF。每个受体分子有一个二聚化的手臂，该手臂介导亚基二聚化。 为什么EGF不存在时受体不能二聚化？比较EGF有无的EGFR结构能够说明这个问题（图14.28）。单体的构象与配体结合的二聚体构象明显不同。尤其是二聚化臂结合于同一单体形成一种环状结构。配体结合能转变这种结构，产生有活性的二聚体，进行信号传导。图14.28 没有活性的EGF受体的结构。二聚化臂与受体某一区域结合，使之无法与另一受体亚基相互作用。 这些结果提示，处于伸展状态的受体即使没有配体结合也可能形成有活性的受体。已经见顶出这种受体。Her2与EGF受体的氨基酸一致性有50%左右，有相同的结构域。Her2不结合配体

37、，其晶体结构与已经结合EGF的EGF受体的伸展结构非常相似。在正常条件下，Her2与EGF受体或EGF受体家族的其它成员结合，形成异源二聚体，参与交互磷酸化反应。在有些癌症细胞，Her2过表达。假定没有配体时Her2与其他受体蛋白质形成异源二聚体，过表达Her2对肿瘤生长是有贡献的。后面讨论基于信号途径进行癌症治疗时还会讨论Her2。EGF受体进行受体进行C-端磷酸化端磷酸化 与胰岛素受体一样，EGF受体形成二聚体后，亚基间进行交互磷酸化。但是，与胰岛素受体不同之处在于，EGF受体磷酸化位点不是激酶的活化环，而是激酶的C-端位点（在这个区域有5个酪氨酸残基被磷酸化）。EGF受体形成二聚体时，将

38、一个亚基的C-端拉入另一亚基的激酶活性中心。激酶自身无需磷酸化，就具有激酶活性。这一事实再次说明这个信号通路已经准备应答。EGF信号传导导致Ras活化 关键接头蛋白Grb2的SH2结构域与受体蛋白的磷酸化C-端结合。然后Grb-2招募Sos蛋白。Grb-2蛋白两个Src同源结构域（SH3）与Sos蛋白多肽富含脯氨酸的肽链结合。Sos又与Ras结合,并活化Ras。Ras是信号传导的重要因子，属于小分子G蛋白家族的成员。与Ras结合，Sos打开了Ras的核苷酸结合位点，使GDP从这个位点释放，GTP进入这个位点并与之结合。因此，Sos被称被称为鸟嘌呤核苷酸交换因子为鸟嘌呤核苷酸交换因子(GEF)。

39、EGF与EGFR结合，经过Grb-2和Sos中介，将Ras蛋白转化成GTP结合型（图14.30）讲到此处。图14.29 接头蛋白Grb-2的结构。Grb-2中央有一个SH2结构域，两侧各有一个SH3结构域。SH2结构域与活化受体C-端磷酰化酪氨酸残基结合，SH3与含有脯氨酸富集区的其它蛋白质（如Sos）结合。图14.30 Ras的活化机制。EGF与EGF受体结合，使EGF受体形成二聚体，导致受体C-端酪氨酸磷酸化，招募Grb-2和Sos，Ras上发生GDP和GTP交换。这个信号传导途径使Ras转化成有活性的GTP结合型。活化的活化的Ras启动蛋白激酶级联反应启动蛋白激酶级联反应 从GDP结合型

40、转化成GTP结合型，Ras的构型发生转化。GTP结合的Ras能结合其它蛋白质，包括蛋白激酶Raf。与Ras结合，Raf的构象转化活化Raf的蛋白激酶结构域。与Ras一样，Raf也是用共价交联的异戊二烯脂质锚定在细胞膜上。然后，活化的Raf磷酸化其它蛋白质（包括一种称为MEKs的蛋白激酶）。MEKs又能磷酸化很多底物，包括细胞核的转录因子和其它蛋白激酶。图14.31总结了信号自细胞表面的EGF传递至基因表达发生改变的完整流程。图14.31 EGF信号传导途径。EGF与EGF受体结合启动的信号传递的关键步骤。蛋白激酶级联反应导致转录因子磷酸化，同时基因表达发生转变。 Ras属于小G蛋白(或小GTP

41、ase)家族。该家族可以分成Ras, Rho, Arf, Rab, 和Ran次级家族，它们对于细胞的生长、分化、运输、分裂等起主要作用（表14.2)。小G蛋白有GTP结合的活性型和GDP结合的失活型。与异源三聚体G蛋白的区别在于(1) 小G蛋白分子量是20 25kD, 异源三聚体G蛋白a亚基是30 35 kD）；(2) 小G蛋白是单体蛋白，G蛋白是异源三聚体。但是这两类蛋白进化同源，进化过程中差异化。小G蛋白的很多关键机制和结构模体与异源三聚体G蛋白的Ga亚基相同。EGF信号途径的终止：蛋白磷酸酯酶和信号途径的终止：蛋白磷酸酯酶和Ras自身的自身的GTPase 由于EGF信号传递途径的很多组分

42、用磷酸化活化，因此用磷酸酯酶终止EGF信号传导途径是可以理解的。磷酸酶能够移去EGF受体酪氨酸的磷酸和蛋白激酶丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸的磷酸。这类磷酸酶本身就是信号级联反应途径的成员。信号传递途径本身活化了一些蛋白磷酸酯酶，结果信号活化也启动了信号终止。 如同7TM受体活化的G蛋白，Ras自身有GTPase活性。活化的Ras蛋白(GTP结合型) 能自动转化成失活的Ras蛋白(GDP结合型)。在GTPase激活蛋白(GAPs, GTPase- activating proteins)存在的情况下，Ras蛋白对GTP的水解速度加快。因此，活化的Ras (GTP结合型)的寿命受细胞内的辅助蛋白调节。R

43、as的GTPase活性是切断细胞生长信号通路的关键。很多肿瘤，其Ras发生变异。14.4 不同信号通路反复出现的因素1. 蛋白激酶是很多信号传导途径的中心。蛋白激酶是本章所介绍的信号传导途径的中心。肾上腺素途径，cAMP依赖型蛋白激酶(PKA)是这个信号途径的末端，将信息转化成cAMP浓度的提升。cAMP浓度提升的信息转化成能够改变代谢关键酶活性的共价修饰。在胰岛素和EGF启动的信号传导途径，受体本身是蛋白激酶，其它几种蛋白激酶参与信号途径下游的工作。蛋白激酶级联反应能够放大信号，这是所有信号传导途径的共有特征。而且蛋白激酶能够磷酸化多重蛋白底物，包括至今尚未鉴定的蛋白质，因此采用这种策略能够

44、产生不同的生理应答。2. 第二信使参与很多信号传递途径。我们遇到几种第二信使，包括cAMP, Ca2+，IP3，和脂质DAG。由于第二信使是用酶促反应或开放离子通道制造的，它们的浓度能够显著增加。特殊蛋白质能够感知这些第二信使的浓度变化，将信息继续朝下传递。3. 第二信使出现于很多信号传递途径。例如第32章将要介绍的感官系统将要介绍Ca2+信号和环核苷酸信号在视觉和嗅觉系统中的关键作用。4. 特殊结构域介导很多信号蛋白之间的特异相互作用。很多信号传递途径的“导线”是信号传导途径蛋白的特定结构域。这种结构域能够使信号传导途径的组分相互靠近。我们已经遇到几个这样的例子，包括pleckstrin同源

45、结构域（有利于蛋白质与脂质PIP3相互作用）和SH2结构域（有利于这些蛋白质与含有磷酰酪氨酸残基的蛋白质相互作用）。将编码这些结构域的DNA片段整合到信号传递途径组分的编码DNA中，进化产生此类信号传导途径。这些结构域的存在对科学家揭示信号传导途径帮助颇大。当人们将定一个信号传导途径的蛋白质后，可以用第六章介绍的方法看看蛋白质分子有无特定的结构域。14.5 信号传导途径缺陷致癌或导致其它疾病信号传导途径缺陷致癌或导致其它疾病 考虑到信号传导途径的复杂性，信号传导途径偶尔出现故障产生疾病就并不奇怪。癌症是细胞生长不受控制或不当的疾病，与负责信号传导的蛋白有关。实际上，癌症研究、尤其是一些病毒引起

46、的癌症，对我们了解信号传导蛋白和信号传导途径有很大的帮助。例如，Rous肉瘤病毒（Rous sarcoma)是引起小鸡中胚层来源的肌肉或粘联组织出现肉瘤的反转录病毒。除了病毒复制必需基因外，这个病毒还有v-src基因。v-src基因是致癌基因(oncogene)。这种基因使敏感细胞发生转化，产生具有癌症症状的细胞。v-src基因编码的蛋白质是蛋白酪氨酸激酶，有SH2和SH3结构域。v-Src蛋白与小鸡肌肉细胞正常蛋白c-Src (即细胞质Src蛋白) 的氨基酸序列的相似性很高。c-src基因不会导致细胞恶变，称为原癌基因(proto-oncogene)。该基因所编码的蛋白质能够调节细胞生长。图

47、14.32 Src结构。c-Src蛋白有下列结构元件：一个SH2, 一个SH3, 一个蛋白激酶结构域，和一个含有关键酪氨酸残基的C-端尾巴。(B) C-端尾巴磷酸化，没有蛋白激酶活性的c-Src结构。这三种结构域联合作用将酶置于非活性状态.为什么c-src和v-src的生物学活性差异如此之大？原因在于: c-Src蛋白N-端19个氨基酸为序列完全不同的11个氨基酸替代，导致这段序列缺乏c-Src被磷酸化的酪氨酸。而酪氨酸磷酸化是Src蛋白失活所必需的。换句话说，v-Src蛋白一直处于激活状态。自从发现Src蛋白以来，已经鉴定很多突变蛋白激酶基因是致癌基因。 Ras是EGF启动的信号途径的一个组分。人肿瘤细胞常见Ras编码基因发生变异。哺乳细胞有三种大小为21 kd的Ras蛋白，分别是H-Ras，K-Ras，和N-Ras。每种Ras蛋白都在两种状态之间转换，即GTP结合型和GDP结合型。如果将Ras蛋白置于“ON” 则能持续促进细胞生长(即使没有其它信号的刺激)。因此单拷贝突变致病。 其它基因促进细胞发展成癌需要细胞内正常存在的两拷贝基因同时缺失或同时突变。这类基因叫肿瘤抑制基因（tumor suppressor gene)。例如参与EGF信号途径终止的有些磷酸酯酶是肿瘤抑