复旦医学细胞生物学课件10信号转导

信号转导胞内的信号转导过程是由前后相连的生化反应组成的。磷酸化可调节蛋白质的活性磷酸化和去磷酸化是绝大多数信号通路组分可逆激活的共同机制，大部分酶在磷酸化后具有活性，少数则在去磷酸化后具有活性。通过蛋白质的逐级磷酸化，使信号逐级放大，引起细胞反应。级联cascade：催化某一步反应的蛋白质由上一步反应的产物激活或抑制。仅用单一种类化学分子即可控制一系列酶促反应；信号在逐级传递过程中得到放大。肾上腺素刺激下的信号放大信号转导有通用性、特异性胞内信号转导途径相互交叉细胞信号转导联盟多个研究单位参与组成国际性的研究组织，以“G蛋白介导和与其相关的信号转导系统”为研究对象，不仅包括涉及G蛋白的蛋白质，还有所有信号相关蛋白间的相互作用关系和信号通路。对揭示生命本质，探讨疾病机制和新型药物筛选有重大意义。1992:Reversibleproteinphosphorylationasabiologicalregulatorymechanism1994:G-proteinsandtheroleoftheseproteinsinsignaltransductionincells1998:Nitricoxideasasignallingmoleculeinthecardiovascularsystem2000:Signaltransductioninthenervoussystem2004:odorantreceptorsandtheorganizationoftheolfactorysystem细胞的能量转换通过有机物的分解获得能量摄取氧气，排出二氧化碳细胞能量：ATP实现细胞器：线粒体细胞呼吸与能量分子Cellularrespiration在细胞内特定的细胞器（主要是线粒体）内，在O2的参与下，分解各种大分子物质，产生CO2；与此同时，分解代谢所释放出的能量储存于ATP中，这一过程称为细胞呼吸(cellularrespiration)，也称为生物氧化（biologicaloxidation)或细胞氧化(cellularoxidation)。特点：由酶系催化完成的一系列氧化还原反应产生的能量贮存于高能磷酸键中反应分步进行，能量逐步释放需适当的温度、压力及H2O的参与“能量货币”ATP中所携带的能量来源于糖、氨基酸和脂肪酸等的氧化，这些物质的氧化是能量转换的前提三个步骤：糖酵解（glycolysis）三羧酸循环（tricarboxylicacidcycle，TAC）氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）糖酵解:一分子葡萄糖糖酵解，生成2分子丙酮酸和2分子NADH+H+，净生成2分子的ATP。由高能底物水解放能，直接将高能磷酸键从底物转移到ADP上，使ADP磷酸化生成ATP的作用，称为底物水平磷酸化（substrate-levelphosphorylation）缺氧时，丙酮酸还原成乳酸或乙醇供氧充足时，丙酮酸与NADH+H+进入线粒体中苹果酸-天冬氨酸穿梭肝肾等细胞胞质中NADH在苹果酸脱氢酶催化下将草酰乙酸还原成苹果酸，然后苹果酸穿过线粒体内膜进入线粒体，在苹果酸脱氢酶催化下脱氢，重新生成草酰乙酸和NADH+H+，NADH+H+随即进入呼吸链进行氧化磷酸化苹果酸-天冬氨酸穿梭草酰乙酸经天冬氨酸转氨酶催化形成天冬氨酸，同时将谷氨酸变为α-酮戊二酸，天冬氨酸和α-酮戊二酸通过线粒体内膜返回胞质，再由天冬氨酸转氨酶催化变成草酰乙酸，参与下一轮循环，同时由α-酮戊二酸生成的谷氨酸又回到线粒体中。磷酸-甘油穿梭丙酮酸在线粒体基质中丙酮酸脱氢酶体系作用下，丙酮酸进一步分解为2分子乙酰辅酶A，2NADH+2H+和2CO2TAC：在线粒体基质中，乙酰CoA（×2）与草酰乙酸结合成柠檬酸而进入柠檬酸循环，由于柠檬酸有3个羧基,故也叫三羧酸循环（TAC循环）。整个过程中，总共消耗了3个H2O（×2），生成1个GTP(可转变为1个ATP)（×2）、2个CO2（×2），3个NAD+＋H（×2）和1个FADH2（×2）。PathwaySubstrate-LevelPhosphorylationOxidativePhosphorylationTotalATPGlycolysis2ATP2NADH=4-6ATP*6-8*CoA2NADH=6ATP6KrebsCycle2ATP6NADH=18ATP2FADH2=4ATP24TOTAL4ATP32-34ATP36-38三羧酸循环是有机物氧化的最后过程，也是有机物相互转化的关键。细胞可以利用三羧酸循环的中间产物合成氨基酸、核酸等必需物质。氧化磷酸化：经糖酵解和TAC产生的NADH和FADH2是两种还原型电子载体，它们携带的电子经呼吸链的逐级传递转移到氧分子，本身则被氧化。这一反应中释放出的能量绝大部分被ATP合酶用于合成ATP，少部分以热的形式释放。电子传递链氢原子以质子的形式脱下，其电子沿一系列按一定顺序排列的电子传递体转移，最后转移给分子氧，后者再与质子生成水，这个电子传递体系称为电子传递呼吸链（electrontransportrespiratorychain）。电子传递链在原核生物存在于质膜上，在真核细胞存在于线粒体内膜上。呼吸链的组成呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。除CoQ和细胞色素C外，这些传递体有：NADH-Q氧化还原酶（复合体Ⅰ）、琥珀酸-Q氧化还原酶（复合体II）、细胞色素氧化还原酶（复合体III）、细胞色素氧化酶（复合体IV）。NADHNADH-Q还原酶Q细胞色素还原酶细胞色素C细胞色素氧化酶O2琥珀酸-Q还原酶FADH2.ⅠNADH-CoQ氧化还原酶85000FMN、FeSⅡ琥珀酸-CoQ氧化还原酶97000FAD、FeSⅢⅣCoQH2-细胞色素c氧化还原酶280000血红素b、FeS、血红素c1复合体酶活性分子量辅基细胞色素c氧化酶200000血红素a、Cu、血红素a3NADH-Q还原酶(NADH脱氢酶、复合体Ⅰ)NADH-Q还原酶是一个大的蛋白质复合体，FMN和铁-硫中心（Fe-S）是该酶的辅基，辅酶Q是该酶的辅酶，由辅基或辅酶负责传递电子和氢。FMN通过氧化还原变化可接收NADH+H+的氢以及电子。FMNFMNH2铁硫中心通过Fe3+Fe2+变化，起传递电子的作用，每次传递一个电子。铁硫中心（Fe-S）NADH-Q还原酶先与NADH结合并将NADH上的两个氢转移到FMN辅基上，然后再转移到CoQNADH+H++FMNFMNH2+NAD+铁硫络合物CoQe-e-琥珀酸-Q还原酶（复合体Ⅱ）琥珀酸-Q还原酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸，其辅基包括FAD和Fe-S中心。FAD还原为FADH2，然后FADH2又将电子传递给Fe-S中心，最后电子由Fe-S中心传递给辅酶CoQ。是脂溶性醌类化合物，且分子较小，可在磷脂双分子层中迁移。•功能基团通过醌/酚的互变传递氢，Q(醌型结构)很容易接受2个电子和2个质子，还原成QH2（还原型）；QH2也容易给出2个电子和2个质子，重新氧化成Q。因此，它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。辅酶Q（泛醌、亦简称Q)是许多酶的辅酶，如：NADH-Q还原酶、琥珀酸-Q还原酶、脂酰-CoA脱氢酶等细胞色素c还原酶（细胞色素bc1复合体、复合体Ⅲ）含有两种细胞色素（细胞色素b、细胞色素c1）和一铁硫蛋白（2Fe-2S）。其作用是将电子从QH2转移到细胞色素c：QH2cyt.bFe-Scyt.c1cyt.c细胞色素c细胞色素主要是通过辅基中Fe3+Fe2+的互变起传递电子的作用。一个细胞色素每次传递一个电子。细胞色素c在复合体III和Ⅳ之间传递电子。细胞色素c能溶于水由cyta和a3组成。复合物中除了含有铁外，还含有2个铜原子（CuA，CuB）。细胞色素c氧化酶（复合体Ⅳ）当电子传递时，在细胞色素的Fe3+Fe2+间和Cu2+Cu+间传递，将电子从cytc直接传递给O2。呼吸链的电子传递顺序呼吸链的各组分在线粒体内膜上是按一定顺序排列的，在线粒体内膜上主要两条呼吸链：复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ组成主要的呼吸链，催化NADH的脱氢氧化，复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成另一条呼吸链，催化琥珀酸的脱氢氧化。电子传递过程内膜的电子传递和氧化磷酸化密切偶联，但它们分别在不同的酶系中进行。基粒（ATP合酶复合体）ATP合酶（ATPsynthetase）:分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的F0（基部）以及连接柄部。F1由5种亚基α3β3γδε组成九聚体，具有三个ATP合成的催化位点（每个β亚基具有一个）。α和β单位交替排列，γ贯穿αβ复合体，并与F0接触，ε帮助γ与F0结合。δ与F0的两个b亚基形成固定αβ复合体的结构。F1因子是依赖于Ca2＋和Mg2＋的ATP酶，纯化的F1可水解ATP，但自然状态下合成ATP。F0因子镶嵌于内膜的膜脂成分中，可专一性的传递质子，是质子流向F1的穿膜通道。当去除F1因子后，膜对质子便有了高通透性，质子便漏入基质中。将线粒体用超声波破碎，线粒体内膜碎片可形成颗粒朝外的小膜泡，称亚线粒体小泡或亚线粒体颗粒，这种小泡具有正常的电子传递和磷酸化的功能。用尿素或胰蛋白酶处理后的小泡，表面的F1因子会解离，此时的小泡只能进行电子传递而无法维持质子浓度梯度。柄部连接F1和F0，没有催化活力。该处含有寡霉素敏感性蛋白（OSCP）。柄部能控制质子的流动，从而控制ATP的生成速度。化学渗透假说在60年代初，Mitchell提出了“化学渗透学说”，认为在ATP合成过程中，跨膜的质子动力势能推动ATP合酶催化合成ATP。该学说被广泛接受。NADH或FADH2提供电子，经过电子传递链，最后被O2接受；当电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧泵至膜间隙；由于线粒体内膜对离子是高度不通透的，从而使膜间隙的质子浓度高于基质，在内膜的两侧形成电化学梯度；质子沿电化学梯度穿过内膜上的ATP酶复合物流回基质，使ATP酶的构象发生改变，将ADP和Pi合成ATP。有关ATP合酶催化机制的假说很多，最引人注目的是Boyer提出的ATP合酶的催化模型——“结合变构机制(bindingchangemechanism)”说，认为质子运输后释放的能量引起F1因子构象变化。第一步，随着酶的构象变化，在催化位点上疏松结合的ADP和Pi与酶的结合变得紧密；第二步，紧密结合的ADP和Pi被转化成ATP；第三步就是ATP的释放。化学渗透与结合变构机制结合改变机制主要涉及的是F1上3个核苷酸催化位点在合成或水解ATP过程中的构象变化，对于整个酶来讲，β亚基上的催化位点的构象变化主要是靠γ亚基和ε亚基在催化过程中相对于α3β3的旋转运动来调节的。支持构象耦联假说的实验日本的Yoshida等人将α3β3γ固定在玻片上，在γ亚基的顶端连接荧光标记的肌动蛋白纤维，在含有ATP的溶液中温育时，在荧光显微镜下可观察到γ亚基带动肌动蛋白纤维旋转实验证实，游离的F1水解ATP是在α3β3的3个催化位点上按照3个步骤循环催化进行并伴随着γ亚基的旋转。F0F1全酶上，ATP的合成极有可能是γ亚基反方向的旋转催化。细胞能力代谢与医学细胞病变可导致线粒体变化线粒体DNA突变可导致疾病产生Theend