生物化学激素与代谢调控.ppt

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1、激 素 与 代 谢 调 控,药学院生化教研室 丁廷波,1.新陈代谢：包括消化、吸收、中间代谢、排泄四个阶段。2.中间代谢：（吸收的物质和体内原有的）物质在体内化学变化的过程。3.物质代谢：物质在体内的化学转变过程。4.能量代谢：伴随物质代谢的能量转移过程。5.同化作用：外界营养物转变为自身物质的过程。6.异化作用：自身物质转化为废物排出体外。7.合成代谢：简单小分子合成为复杂大分子。8.分解代谢：复杂大分子分解为CO2,H2O和NH3等。同化作用以合成代谢为主，但也包含分解代谢；异化作用以分解代谢为主，但也包含合成代谢。,一、与物质代谢相关的概念,二、物质代谢的特点,1.整体性2.代谢调节3.

2、各组织、器官物质代谢各具特色4.各种代谢物均具有各自共同的代谢池5.ATP是机体能量利用的共同形式6.NADPH是合成代谢所需的还原当量。,三、物质代谢的相互联系,一）在能量代谢上的相互联系1.三羧酸循环是三大营养物质分解代谢供能的共同通路。2.任意供能物质的代谢占优势，常能抑制和节约其他供能物质的降解。3.饱食、短期饥饿、长期饥饿状态下主要供能物质不同。二）糖、脂、和蛋白质、核酸代谢之间的相互联系。（物质代谢关联图）,乙酰CoA,丙酮酸,3-磷酸甘油醛,（e.g 葡萄糖）,脂肪酸,单糖,甘油,核苷酸,氨基酸,糖类,脂肪,蛋白质,核酸,三羧酸循环,NADH+,FADH2,电子传递链氧化磷酸化,

3、NAD+,FAD,CO2,H2O,O2,ADP,ATP,分解,合成,分解,合成,糖类，脂类,糖类氨基酸,四、代谢调节的三个层次,一）细胞或酶水平的调节二）激素水平的代谢调节三）整体调节,一）细胞或酶水平的调节,细胞内酶并非均一分布，细胞内酶的隔离分布为细胞或酶水平代谢调节创造了条件。细胞或酶水平的调节有两种方式：1）酶活力的调节 快调节2）酶量的调节 慢调节,酶活力的调节之变构调节,酶活力调节的方式有两种：1.变构（别构）调节某些物质结合于酶分子的变构（别构）中心，使酶分子构象发生改变，导致该酶活性中心构象改变，从而调节酶活性，这种调节方式称为变构（别构）调节。此类酶称为变构（别构）酶。按这种

4、方式调节酶活性的物质称为变构（别构）效应剂。,酶的变构调节举例,酶活力调节之共价修饰调节,2.共价修饰调节酶分子多肽链上的某些基团，在另一些酶的催化下可逆地共价结合某些修饰基团，使酶的活力发生变化（激活或抑制），从而达到调节酶活力的作用，这种作用称为酶的共价修饰调节。可通过这种方式调节活性的酶称为修饰酶。,修饰酶活性调节举例,激素（胰高血糖素、肾上腺素等）,ATP,cAMP,磷蛋白磷酸酶1,磷蛋白磷酸酶1,磷蛋白磷酸酶1,+,+,+,+,-,-,-,酶量的调节,对酶量的调节主要表现在对酶蛋白的合成和降解的调节。1.对酶蛋白合成的调节酶蛋白的合成是以基因水平为基础的调节。酶蛋白合成的诱导或阻遏是

5、在基因表达的转录或翻译水平发挥作用，以转录水平较常见。底物、激素或药物可诱导酶蛋白的合成。产物可阻遏酶蛋白的合成。,2.酶量调节对酶蛋白降解的调节,1）溶酶体蛋白水解酶对酶蛋白的降解作用。2）蛋白酶体对泛素化酶蛋白的降解作用。,泛素化降解系统,胞浆蛋白的降解方式有多种，其中认识最为深刻的就是泛素化降解途径。,泛素是仅由76个氨基酸残基组成的蛋白质，广泛存在于真核生物细胞中。其氨基酸序列高度保守。,Ubiquitin,Human Ub:MQIFVKTLTGKTITLEVEPNDTIENVKAKIQDKEGIPPDQQRLIFAGKQLEDGRTLADYNIQKESTLHLVLRLRGGYeast

6、 Ub:MQIFVKTLTGKTITLEVESSDTIDNVKSKIQDKEGIPPDQQRLIFAGKQLEDGRTLSDYNIQKESTLHLVLRLRGG,Lys-48,Gly-76,蛋白质的泛素化修饰,泛素化（ubiquitination)是指在一系列酶作用下，一个或多个泛素分子与蛋白质共价结合。蛋白质的泛素化过程至少需要三种酶分子的参与。即E1,E2,E3.,Ubiquitination,The glycine residue of the ubiquitin C terminal,E1：泛素激活酶,E2：泛素结合酶,E3：泛素蛋白质连接酶,Formation of isopepti

7、de bond between Glycine and Lysine,细胞内仅有单一的E1基因。E2基因有多种。E3不仅与E2结合，还要识别特异的底物蛋白质。细胞内有许多不同的E3.,E3 Ubiquitin Ligase:,多聚泛素分子（多于4个）修饰的蛋白质被蛋白酶体（proteasome)识别和降解。多聚泛素链通常是通过泛素分子的第48位赖氨酸（K-48）与下一个泛素分子羧基末端的甘氨酸形成酰胺键（异肽键，isopeptide bond)相连。,Ubiquitin-mediated Proteolysis,Proteasome,19S lid,19S lid,20S core,The N

8、obel Prize in Chemistry,2004,“for the discovery of ubiquitin-mediated protein degradation”,Avram Hershko,Irwin Rose,Aaron Ciechanover,二）激素水平的调节,激素与靶细胞受体结合后，能将激素的信号，转化为一系列细胞内的化学反应，最终表现出激素的生物学效应。,激素的定义,激素是由内分泌腺以及具有内分泌功能的一些组织所产生的微量化学信息分子。它们被释放到细胞外，通过扩散或被血液转运到靶细胞或靶器官，从而调节细胞或器官的代谢，并有反馈性的调节机制以适应机体内环境的变化，也

9、有协调体内各部分间相互联系的作用。,激素的分类,根据激素的作用距离分为：1）内分泌激素；2）旁分泌激素；3）自分泌激素根据激素的化学本质分为：1）氨基酸衍生物类激素；2）蛋白质多肽类激素；3）甾体类激素；4）脂肪酸衍生物类激素。根据激素的脂/水溶性分为：1）脂溶性激素；2）水溶性激素。根据激素受体在细胞部位的不同，激素分为：1）膜受体激素；2）胞内受体激素。,激素作用的特性,1）激素自我合成可调控性2）激素分泌的可调控性3）作用特异性4）作用的微量性5）作用通过中间介质6）作用的“快反应”和“慢反应”7）脱敏,激素与受体结合的特性：,1）结合的饱和性2）结合的高亲和性3）高度专一性4）结合的可

10、逆性5）结合可产生强大的生物学效应6）体外重组受体的功能再现,受体的类型,根据受体在细胞中的位置，将其分为两大类。1.细胞膜受体2.细胞内受体,细胞内受体及作用机制,1）配体为疏水性激素，如类固醇激素，前列腺素，甲状腺素，1，25-（OH）2-vitD3,视黄酸。2）大多数胞内受体位于细胞核内，少数受体在胞液中与激素结合后再进入核内与其核内特异受体结合。3）激素与受体的结合改变了受体的构象，暴露出受体上的DNA结合区，与DNA上的激素反应元件（HRE）结合，转录活性区调节基因的表达。4）基因的表达调控有初级反应和延缓性次级反应。5）细胞内受体也可以发生磷酸化并参与转录启动复合体的激活。有些胞质

11、受体结合配体后，可形成酶联激活反应传递信号产生特定生理效应。,细胞膜受体分类,1.G蛋白偶联受体2.离子通道受体3.具有内在酶活性的受体4.与酪氨酸蛋白激酶活性相关的受体,G蛋白和G蛋白偶联受体,G蛋白：一般是指任何可与鸟苷酸结合的蛋白质的总称。它们的共同特征是：1）由，等3个不同的亚单位构成的异聚体。2）具有结合GTP或GDP的能力，并具有GTP酶活性，能将与之结合的GTP分解形成GDP。3）其本身的构象改变可进一步激活（或抑制）效应蛋白，使后者活化。对G蛋白激活后的精确反应，由特定的，亚型和下游靶分子的特殊亚型同时控制。,非活化型G蛋白,活化型G蛋白,G蛋白和G蛋白偶联受体,G蛋白偶联受体

12、（G protein linked receptors/guanine nucleotide binding protein coupled receptors)的共同特征：1）由一条多肽链组成，其中有7个跨膜疏水区域；2）其氨基末端（N端）朝向细胞外，而羧基末端则朝向细胞内基质。3）在氨基末端带有一些糖基化的位点，而在细胞内基质的第三个袢和羧基末端各有一个在蛋白激酶催化下发生磷酸化的位点，这些位点与受体活性调控有关。,N,C,G蛋白偶联区,G蛋白偶联受体结构,胞外,胞浆,离子通道受体,共同特点：1）由多个亚基组成受体/离子通道复合体。2）除了有信号接受部位外，本身又是离子通道。3）其跨膜信号

13、转导无需中间步骤，反应快，一般只需几毫秒。离子通道受体分为两类：1）配体门控离子通道2）电压门控离子通道,具有内在酶活性的受体,特点：本身是一种具有跨膜结构的酶蛋白。其胞外域与配体结合而被激活，通过胞内侧酶活性反应将胞外信号传至细胞内。1）酪氨酸受体激酶（TPKs）2）丝氨酸/苏氨酸受体激酶3）受体鸟苷酸环化酶系统4）受体一氧化氮系统,富含Cys区段,免疫球蛋白样序列,激酶插入序列,TPK,IGF-受体,EGF受体,PDGF受体,FGF受体,EGF：表皮生长因子,IGF-：胰岛素样生长因子-,PDGF：血小板衍生生长因子,FGF：成纤维细胞生长因子,与酪氨酸蛋白激酶活性相关的受体,受体本身没有

14、酶活性，在配体结合后征集和激活细胞浆酪氨酸蛋白激酶。1）细胞因子受体2）抗原受体,TPK,细胞膜受体作用机制,膜受体介导的信息传递至少存在 5 条途径。这 5 条途径既相对独立又存在一定联系。一）cAMP-蛋白激酶途径二）Ca2+依赖性蛋白激酶途径三）cGMP蛋白激酶途径四）酪氨酸蛋白激酶途径五）核因子B途径,cAMP-蛋白激酶途径,该途径以靶细胞内cAMP浓度改变和激活蛋白激酶A(PKA）为主要特征。是激素调节物质代谢的主要途径。1.cAMP的合成与分解胰高血糖素、肾上腺素等激素与其受体（G蛋白偶联受体）结合而激活受体。活化的受体可促使Gs的GDP与GTP交换，导致Gs的亚基与解离，G蛋白释

15、放出s-GTP。s-GTP激活腺苷酸环化酶（AC），催化ATP转化为cAMP。复合体也可以独立地作用于相应的效应物，与亚基拮抗。cAMP 可被磷酸二酯酶（PDE）降解为5-AMP而失活。少数激素如生长激素抑制素、胰岛素和抗血管紧张素等，它们活化受体后可催化抑制性G蛋白解离，导致细胞内AC活性下降，从而降低细胞内cAMP水平。,(AC)i,AC,无活性AC,有活性AC,2.cAMP的作用机制,cAMP通过激活蛋白激酶A（PKA）系统发挥生理作用。PKA是一种由四聚体（C2R2）组成的别构酶。每个调节亚基（R）有2个cAMP结合位点，催化亚基具有催化底物蛋白质某些特定丝/苏氨酸残基磷酸化的功能。调

16、节亚基与催化亚基相结合时，PKA呈无活性状态。当4分子cAMP与2个调节亚基结合后，调节亚基脱落，游离的催化亚基具有蛋白激酶活性。PKA的激活过程需要Mg2+.,C,C,+,4cAMP,+,无活性PKA,有活性PKA,丝氨酸Serine,酪氨酸Tyrosine,苏氨酸Threonine,TPK使底物蛋白上酪氨酸残基的 OH 基磷酸化,PKA,PKC,PKG,Ca2+-CaM激酶使底物蛋白上丝氨酸或苏氨酸残基的 OH 基磷酸化,3.PKA的作用,1）对代谢的调节作用2）对基因表达的调节作用PKA的催化亚基进入细胞核后，可催化反式作用因子CREB（cAMP response element bin

17、ding protein）磷酸化，磷酸化的CREB形成同源二聚体，与DNA上的CRE(cAMP response element）结合，从而激活受CRE调控的基因转录。3）PKA还可以使细胞核内的组蛋白、酸性蛋白以及胞浆内的核蛋白体蛋白、膜蛋白、微管蛋白及受体蛋白等磷酸化，从而影响这些蛋白质的功能。,PKA的激活及作用举例,激素（胰高血糖素、肾上腺素等）,ATP,cAMP,磷蛋白磷酸酶1,磷蛋白磷酸酶1,磷蛋白磷酸酶1,+,+,+,+,-,-,-,Ca2+-依赖性蛋白激酶途径,在收缩、运动、分泌和分裂等复杂的生命活动中，需要Ca2+参与调节。根据Ca2+的作用特点，分成两大类：1.Ca2+-磷

18、脂依赖性蛋白激酶途径2.Ca2+-钙调蛋白依赖性蛋白激酶途径（Ca2+-CaM激酶途径）,Ca2+-磷脂依赖性蛋白激酶途径,1）IP3和DAG的生物合成促甲状腺释放激素、去甲肾上腺素和抗利尿激素等作用于靶细胞膜上特异性受体（G蛋白偶联受体）后，通过特定的G蛋白（Gp）激活磷脂酰肌醇特异性磷脂酶C(PI-PLC)，PI-PLC则分解膜成分-磷脂酰肌醇4，5-二磷酸（PIP2）而生成DAG和IP3。,PI-PLC,PIPLC,无活性PI-PLC,有活性PI-PLC,PIP2,IP3,DAG,2）DAG和IP3的功能,DAG生成后仍留在质膜上，在磷脂酰丝氨酸和Ca2+的配合下激活蛋白激酶C。IP3生

19、成后，从膜上扩散到胞浆中与内质网和肌浆网上的受体结合，促进这些钙储库内的Ca2+迅速释放，使胞浆内的Ca2+浓度升高。,3）PKC的功能,对代谢的调节作用PKC被激活后可引起一系列靶蛋白的丝氨酸和（或）苏氨酸残基发生磷酸化反应。靶蛋白包括质膜受体、膜蛋白和多种酶。从而启动一系列生理、生化反应。如：PKC能催化质膜的Ca2+通道磷酸化，促进Ca2+流入胞内；PKC也能催化肌浆网的Ca2+-ATP酶磷酸化，促进钙进入肌浆网。这样，在胞浆内的Ca2+浓度处于动态平衡。,丝氨酸Serine,酪氨酸Tyrosine,苏氨酸Threonine,PKA,PKC,PKG,Ca2+-CaM激酶使底物蛋白上丝氨酸

20、或苏氨酸残基的 OH 基磷酸化,TPK使底物蛋白上酪氨酸残基的 OH 基磷酸化,对基因表达的调节作用PKC对基因的活化过程分为早期反应和晚期反应两个阶段。PKC能使立早基因（immediate-early gene)的反式作用因子磷酸化，加速立早基因的表达。如c-fos，AP1/jun等原癌基因。立早基因的表达产物寿命短暂，受磷酸化修饰后跨越核膜，活化晚期反应基因，并导致细胞增生或核型变化。,3）PKC的功能,PKC对基因的早期活化和晚期活化,Ca2+-钙调蛋白依赖性蛋白激酶途径,钙调蛋白（CaM）为钙结合蛋白，当胞浆的Ca2+浓度10-2 mmol/L时，Ca2+与CaM结合，其构象改变而激

21、活Ca2+-CaM激酶（或其他酶，如NO合酶）。Ca2+-CaM激酶的底物谱非常广，可以磷酸化许多蛋白质的丝氨酸和（或）苏氨酸残基，使之激活或失活。如：Ca2+-CaM激酶既能激活腺苷酸环化酶，又能激活磷酸二酯酶，从而调节细胞内cAMP的浓度。Ca2+-CaM激酶也可以激活胰岛素受体的酪氨酸蛋白激酶活性。还可以调节PKA活性。,Ca2+-CaM的作用,PKA,PKC,PKG,Ca2+-CaM激酶使底物蛋白上丝氨酸或苏氨酸残基的 OH 基磷酸化,cGMP蛋白激酶途径,cGMP由鸟苷酸环化酶（guanylate cyclase,GC)催化GTP环化而生成，经磷酸二酯酶催化而降解。大部分GC为可溶性

22、酶，部分受体本身就具有GC的活性。可溶性GC的激活过程和AC不同，GC的激活间接地依赖Ca2+。Ca2+通过激活磷脂酶 C和磷脂酶A2使膜磷脂水解生成花生四烯酸，花生四烯酸经氧化生成前列腺素而激活GC。Ca2+也可以通过Ca2+-钙调蛋白激活NO合酶，生成NO后激活GC。cGMP能激活cGMP依赖性蛋白激酶（cGMP蛋白激酶，蛋白激酶G)，PKG催化有关蛋白质或有关酶类的丝/苏氨酸残基磷酸化，产生生物学效应。PKG的结构与蛋白激酶A完全不同，它为一单体酶，分子中有一个cGMP结合位点。,鸟苷酸环化酶（GC）的激活过程,GTP,GC,cGMP,蛋白激酶G,无活性,有活性,底物蛋白,PKA,PKC

23、,PKG,Ca2+-CaM激酶使底物蛋白上丝氨酸或苏氨酸残基的 OH 基磷酸化,PKG的激活及作用,酪氨酸蛋白激酶途径,1）酪氨酸蛋白激酶的两种类型酪氨酸蛋白激酶（tyrosine-protein kinase，TPK)包括两大类，第一类位于细胞质膜上称为受体型TPK；第二类位于胞浆中，称为非受体型TPK，它们常与非催化型受体偶联而发挥作用。,2）受体胞浆侧酪氨酸残基的磷酸化,当配体与受体型TPK（单链跨膜蛋白）结合后，受体大多发生二聚化，二聚体的TPK被激活，彼此可使对方的某些酪氨酸残基磷酸化，这一过程称为自身磷酸化。非催化型受体的某些酪氨酸残基则被非受体型TPK磷酸化。,3）效应蛋白与受体

24、的偶联,细胞内存在一些连接物蛋白（adaptor protein)，它们具有SH2结构域。（src homology 2 domain)，这些结构域与原癌基因src编码的酪氨酸蛋白激酶区同源。SH2结构域能识别磷酸化的酪氨酸残基并与之结合。磷酸化的受体通过连接物蛋白可偶联其他效应蛋白。这些效应蛋白本身具有酶活性，故可逐级传递信息并将效应级联放大。,受体型TPK的信息传递途径-受体型TPK-Ras-MAPK途径,催化型受体与配体结合后，发生自身磷酸化并磷酸化中介分子-Grb2和SOS，使其活化，进而激活Ras蛋白。由于Ras蛋白为多种生长因子信息传递过程所共有，因此又称为Ras通路。活化的Ras

25、蛋白可进一步活化Raf蛋白。Raf蛋白具有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性，它可激活有丝分裂原激活蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase,MAPK)系统，发挥生理活性。受体型 TPK活化后还可通过激活腺苷酸环化酶、多种磷脂酶（如PI-PLC、磷脂酶A和鞘磷脂酶）等发挥调控基因表达的作用。,受体型TPK激活基因表达的途径受体型TPK-Ras-MAPK途径,受体型TPK激活基因表达的途径受体型TPK-各种酶激活途径,Ras蛋白,Ras蛋白是由一条多肽链组成的单体蛋白，由原癌基因ras编码而得名。它的活性与其结合GTP 或GDP有关。Ras结合GDP时没有活性，但磷酸化

26、的SOS可促进GDP从Ras脱落，使ras 变成GTP结合状态而活化。Ras蛋白的分子量为21kD，故又名p21蛋白。因其分子量小于与七个跨膜螺旋受体偶联的G蛋白，也被称作为小G蛋白。,MAPK系统的作用,MAPK系统包括MAPK，MAPKK，MAPKKK。MAPK具有广泛的催化活性，它除调节花生四烯酸的代谢和细胞微管形成以外，更重要的是可催化细胞核内许多反式作用因子（如转录因子）的Ser/Thr残基磷酸化，导致基因转录或关闭。,非受体型TPK的信息传递途径-JAKs-STAT途径,一部分生长因子、大部分细胞因子和激素等的受体分子缺乏酪氨酸蛋白激酶活性，但它们能借助细胞内的一类具有激酶结构的连

27、接蛋白JAKs(janus Kinase)完成信息转导。JAKs家族成员包括JAK1、JAK2、TYK2和JAK3，分子内均有SH2结构域。配体与非催化型受体结合后，能活化各自的JAKs.JAKs再通过激活信号转导子和转录激动子（signal transductors and activator of transcription,STAT)而最终影响到基因的转录调节。在JAKs-STAT通路中，激活后的受体可与不同的JAKs和不同的STAT相结合，因此该途径传递信号更具有多样性和灵活性。,核因子B途径,核因子B（nuclear factor-B，NF-B)途径体系主要涉及机体防御反应、组织损伤

28、和应激、细胞分化和凋亡以及肿瘤生长抑制过程的信息传递。NF-B包括 NF-B1,NF-B2和某些癌基因蛋白（如Rel A)等。在多数细胞类型，NF-B在胞浆内与抑制性蛋白质（包括IB、IB、Bcl-3等）结合形成无活性的复合物。当肿瘤坏死因子（TNF）等作用于相应受体后，可通过第二信使Cer等激活此系统。病毒感染、脂多糖、活性氧中间体、佛波酯、双链RNA以及前述信息传递途径中活化的PKC，PKA等则可直接激活NF-B系统。激活过程是通过磷酸化抑制性蛋白使其构象发生改变而从NF-B脱落，NF-B得以活化。活化的NF-B进入细胞核，形成环状结构与DNA接触，启动或抑制有关基因的转录。,NF-B激活过程,Thanks！,