激素与代谢调控

E1：泛素激活酶 E2：泛素结合酶 E3：泛素蛋白质连接酶
Formation of isopeptide 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:
激素与代谢调控
药学院生化教研室 丁廷波
一、与物质代谢相关的概念
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。
P P P
P P P
Adaptor protein
TPK
P
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κB途径
cAMP-蛋白激酶途径
酶的变构调节举例
+
6-磷酸果糖 6-磷酸果糖激酶-1
1，6-二磷酸果 糖、2，6-二磷 酸果糖、AMP、 ADP
-
1，6-二磷酸果糖
ATP、柠檬酸
乙酰CoA
乙酰乙酰CoA
HMGCoA还原酶
HMGCoA
MVA
胆固醇 鲨烯
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。
Lys-48
Gly-76
Human Ub: MQIFVKTLTGKTITLEVEPNDTIENVKAKIQDKEGIPPDQQRLIFAGKQLEDGRTLADYNIQKESTLHLVLRLRGG Yeast Ub: MQIFVKTLTGKTITLEVESSDTIDNVKSKIQDKEGIPPDQQRLIFAGKQLEDGRTLSDYNIQKESTLHLVLRLRGG
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。
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
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。按这种方式 调节酶活性的物质称为变构（别构）效应剂。

G蛋白偶联受体结构
N
胞外
胞浆
C
G蛋白 偶联区
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

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
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α，β，γ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α，β，γ亚型 和下游靶分子的特殊亚型同时控制。

Ubiquitin-mediated Proteolysis
E1 E2
Lys-48 -S- Ub
-S- Ub
E3
C terminus
substrates
Ub
Ub
Ub Ub
Ub
Proteasome 19S lid 20S core
19S lid
The Nobel Prize in Chemistry, 2004
“for the discovery of ubiquitin-mediated protein degradation”
Aaron Ciechanover
Avram Hershko
Irwin Rose
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。
蛋白质
核酸
糖类 单糖 （e.g 葡萄糖） 甘油
脂肪 脂肪酸
氨基酸
分解 …
核苷酸
分解
…
合成
…
合成
…
3-磷酸甘油醛
丙酮酸 乙酰CoA
三羧酸循环 CO2
NADH+,FADH2
氧电 化子 磷传 酸递 化链
糖类，脂类
糖类 氨基酸
ADP
O2
H2O
ATP
NAD+,FAD
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
受体的类型
根据受体在细胞中的位臵，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。
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α亚基与βγ解离，G蛋白释放出αs-GTP。 αs-GTP激活腺苷酸环化酶（AC），催化ATP转化为 cAMP。 βγ复合体也可以独立地作用于相应的效应物，与 α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。
糖原合成酶 （有活性）
+ +
磷酸化酶b （无活性）
糖原合成酶 P （无活性）
磷酸化酶a P （有活性）
+
磷蛋白磷酸酶抑制剂
磷 蛋 白 磷 酸 酶 1
磷蛋白磷酸酶抑制剂
P
（无活性）
（有活性）
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。
二、物质代谢的特点
1.整体性 2.代谢调节 3.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）
αs β γ
αs
GDP 活化型 G蛋白
GTP
Байду номын сангаас
β
γ
非活化 型G蛋白
G蛋白和G蛋白偶联受体
G蛋白偶联受体（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。
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
TPK
激 酶 插 入 序 列
EGF受体 EGF：表皮生长因子
IGF-Ⅰ受体
PDGF受体
FGF受体
PDGF：血小板衍生生长因子 FGF：成纤维细胞生长因子
IGF-Ⅰ：胰岛素样生长因子- Ⅰ
与酪氨酸蛋白激酶活性相关的受体
受体本身没有酶活性，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
P P
P P P
修饰酶活性调节举例
激素（胰高血糖素、肾上腺素等） 腺苷酸环化酶 （无活性） 腺苷酸环化酶 （有活性）
ATP
蛋白激酶A (PKA) （无活性）
cAMP
蛋白激酶A (PKA) （有活性）
+
磷酸化酶b激酶 （无活性） 磷酸化酶b激酶 P （有活性）
-
磷 蛋 白 磷 酸 酶 1
磷 蛋 白 磷 酸 酶 1
-
hormone
receptor
(AC)i
GTP
β
γ
αs
GDP
αs
GTP
+
ATP
AC
cAMP
β
γ
(AC)i AC
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
E3
substrate
Ub Ub Ub Ub
E2
-S- Ub

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。