1、信号转导信号转导n胞内的信号转胞内的信号转导过程是由前导过程是由前后相连的生化后相连的生化反应组成的。反应组成的。磷酸化可调节蛋白质的活性磷酸化可调节蛋白质的活性n磷酸化和去磷酸化是绝大多数信号通路组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化后具有活性，少数则在去磷酸化后具有活性。活性。n通过蛋白质的逐级磷酸化，使信号逐级放通过蛋白质的逐级磷酸化，使信号逐级放大，引起细胞反应。大，引起细胞反应。级联级联cascade：催化某一步反应的蛋白质由：催化某一步反应的蛋白质由上一步反应的产物激活或抑
2、制。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；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。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肾上腺素刺激下的信号放大n信号转导有通用性、特异性信号转导有通用性、特异性n胞内信号转导途径相互交叉胞内信号转导途径相互交叉细胞信号转导联盟细胞信号转导联盟n多个研究单位参与组成国际性的研究组织，以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蛋白介导和与其相关的信号转导系统”为研为研究对象，不仅包括涉及究对象，不仅包括涉及G蛋白的蛋白质，还有所蛋白的蛋白质，还有
3、所有信号相关蛋白间的相互作用关系和信号通路。有信号相关蛋白间的相互作用关系和信号通路。n对揭示生命本质，探讨疾病机制和新型药物筛选对揭示生命本质，探讨疾病机制和新型药物筛选有重大意义。有重大意义。n1992:Reversible protein phosphorylation as a biological regulatory mechanismn1994:G-proteins and the role of these proteins in signal transduction in cells n1998:Nitric oxide as a signalling molecule i
4、n the cardiovascular system n2000:Signal transduction in the nervous system n2004:odorant receptors and the organization of the olfactory system 细胞的能量转换细胞的能量转换n通过有机物的分解获得能量通过有机物的分解获得能量n摄取氧气，排出二氧化碳摄取氧气，排出二氧化碳n细胞能量：细胞能量：ATPn实现细胞器：线粒体实现细胞器：线粒体细胞呼吸与能量分子细胞呼吸与能量分子nCellular respirationn在细胞内特定的细胞器（主要是线粒体）内，
5、在细胞内特定的细胞器（主要是线粒体）内，在在O2的参与下，分解各种大分子物质，产生的参与下，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与此同时，分解代谢所释放出的能量储存于存于ATP中，这一过程称为细胞呼吸中，这一过程称为细胞呼吸(cellular respiration)，也称为生物氧化（也称为生物氧化（biological oxidation)或细胞氧化或细胞氧化(cellular oxidation)。n特点：特点：由酶系催化完成的一系列氧化还原反应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产生的能量贮存于高能磷酸键中 反应分步进行，能量逐步
6、释放反应分步进行，能量逐步释放 需适当的温度、压力及需适当的温度、压力及H2O的参与的参与n“能量货币能量货币”ATPATP中所携带的能量来源于糖、氨基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酸和脂肪酸等的氧化，这些物质的氧化是能量转换的前提的前提 n三个步骤：三个步骤：糖酵解（糖酵解（glycolysis）三羧酸循环（三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TAC）氧化磷酸化（氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）糖酵解糖酵解:一分子葡萄糖糖酵解，生成一分子葡萄糖糖酵解，生成2 2分子丙酮酸和分子丙酮酸和2 2分
7、子分子NADH+H+，净生成净生成2 2分子的分子的ATP。由高能底物水解放能，直接将高能磷酸键从底由高能底物水解放能，直接将高能磷酸键从底物转移到物转移到ADP上，使上，使ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的作用，的作用，称为底物水平磷酸化（称为底物水平磷酸化（substrate-level phosphorylation）n缺氧时，缺氧时，丙酮酸还原成乳酸或乙醇丙酮酸还原成乳酸或乙醇n供氧充足时，丙酮酸与供氧充足时，丙酮酸与NADH+H+进入线粒体中进入线粒体中苹果酸-天冬氨酸穿梭n肝肾等细胞胞质中肝肾等细胞胞质中NADH 在苹果酸脱氢酶在苹果酸脱氢酶催化下将草酰乙酸还原成苹果酸，然后苹催化
8、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，重新生成草酰乙酸酸脱氢酶催化下脱氢，重新生成草酰乙酸和和NADH+H+，NADH+H+随即进入呼吸链随即进入呼吸链进行氧化磷酸化进行氧化磷酸化苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭n草酰乙酸经天冬氨酸转氨酶催化形成天冬草酰乙酸经天冬氨酸转氨酶催化形成天冬氨酸，同时将谷氨酸变为氨酸，同时将谷氨酸变为-酮戊二酸，天酮戊二酸，天冬氨酸和冬氨酸和-酮戊二酸通过线粒体内膜返回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胞质，再由天冬氨酸转氨酶催化变成草酰乙酸，参与
9、下一轮循环，同时由乙酸，参与下一轮循环，同时由-酮戊二酮戊二酸生成的谷氨酸又回到线粒体中。酸生成的谷氨酸又回到线粒体中。磷酸磷酸-甘油穿梭甘油穿梭 n丙酮酸在线粒体基质中丙酮酸脱氢酶体系作用下，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丙酮酸进一步分解为2分子乙酰辅酶分子乙酰辅酶A，2NADH+2H+和和2CO2 TAC：在线粒体基质中，乙酰在线粒体基质中，乙酰CoA（2）与草酰乙与草酰乙酸结合成柠檬酸而进入柠檬酸循环，由于柠檬酸有酸结合成柠檬酸而进入柠檬酸循环，由于柠檬酸有3个个羧基羧基,故也叫三羧酸循环（故也叫三羧酸循环（TAC循环）。循环）。n整个过程中，总共消耗了整
10、个过程中，总共消耗了3个个H2O（2），生成，生成1个个GTP(可转变为可转变为1个个ATP)（2）、2个个CO2（2），3个个NAD+H（2）和）和1个个FADH2（2）。PathwaySubstrate-LevelPhosphorylationOxidativePhosphorylationTotalATPGlycolysis2 ATP2 NADH=4-6 ATP*6-8*CoA 2 NADH=6 ATP6Krebs Cycle2 ATP6 NADH=18 ATP2 FADH2=4 ATP24TOTAL4 ATP32-34 ATP36-38n三羧酸循环是有机物氧化的最后过程，也三羧酸循环是
11、有机物氧化的最后过程，也是有机物相互转化的关键。是有机物相互转化的关键。n细胞可以利用三羧酸循环的中间产物合成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。氨基酸、核酸等必需物质。n氧化磷酸化：氧化磷酸化：经糖酵解和经糖酵解和TAC产生的产生的NADH和和FADH2是两种还原型电子载体，它们携带的电子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化。这一反应中释放出的能量绝大部分被ATP合合酶用于合成酶用于合成ATP，少部分以热的形式释放。少部分以热的形式释放。电子传递链
12、电子传递链n氢原子以质子的形式脱下，其电子沿一系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，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这个电子传递体系称为电子传递呼吸链（electron transport respiratory chain）。n电子传递链在原核生物存在于质膜上，在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。真核细胞存在于线粒体内膜上。呼吸链的组成呼吸链的组成n呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。呼吸链由一系列的氢传递体和电
13、子传递体组成。除除CoQ和和细胞色素细胞色素C外，这些传递体有外，这些传递体有：NADH-QNADH-Q氧化还原酶（氧化还原酶（复合体复合体）、琥珀酸、琥珀酸-Q-Q氧化还氧化还原酶（原酶（复合体复合体IIII）、细胞色素氧化还原酶细胞色素氧化还原酶（复合复合体体IIIIII）、细胞色素氧化酶（、细胞色素氧化酶（复合体复合体IVIV）。NADHNADHNADH-QNADH-Q还原酶还原酶Q细胞色素细胞色素还原酶还原酶细胞细胞色素色素C C细胞色素细胞色素氧化酶氧化酶O2琥珀酸琥珀酸-Q-Q还原酶还原酶FADH2FADH2.NADH-CoQ氧化还原酶85000FMN、FeS 琥珀酸-CoQ氧化还
14、原酶97000FAD、FeS CoQH2-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-QNADH-Q还原酶还原酶(NADH(NADH脱氢酶、复合体脱氢酶、复合体)nNADH-Q还原酶是一个大的蛋白质复合体，还原酶是一个大的蛋白质复合体，FMN和铁和铁-硫中心（硫中心（Fe-S）是该酶的辅基，是该酶的辅基，辅酶辅酶Q是该酶的辅酶，由辅基或辅酶负责传是该酶的辅酶，由辅基或辅酶负责传递电子和氢。递电子和氢。vFMN通过氧化还原变化可接收通过氧化还原变化可接收NADH+H+的氢以及电子。的氢以及电
15、子。FMN FMNH2v铁硫中心通过铁硫中心通过Fe3+Fe2+变化，起传变化，起传递电子的作用，每次传递一个电子。递电子的作用，每次传递一个电子。铁硫中心铁硫中心（Fe-SFe-S）vNADH-Q还原酶先与还原酶先与NADH结合并将结合并将NADH上的两个氢转移到上的两个氢转移到 FMN辅基上，然后再转移辅基上，然后再转移到到CoQNADH+H+FMN FMNH2 2+NAD+铁硫络合物铁硫络合物CoQe-e-e-e-琥珀酸琥珀酸-Q-Q还原酶（复合体还原酶（复合体）n琥珀酸琥珀酸-Q-Q还原酶催化琥珀酸氧化为延胡索还原酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸，其辅基包括酸，其辅基包括FADFAD和和Fe
16、-SFe-S中心。中心。nFADFAD还原为还原为FADHFADH2 2，然后然后FADHFADH2 2又将电子传递又将电子传递给给Fe-SFe-S中心，最后电子由中心，最后电子由Fe-SFe-S中心传递给中心传递给辅酶辅酶CoQCoQ。v是脂溶性醌类化合物，且是脂溶性醌类化合物，且分子较小，可在磷脂双分子分子较小，可在磷脂双分子层中迁移。层中迁移。功能基团通过醌功能基团通过醌/酚的互酚的互变传递氢，变传递氢，Q(Q(醌型结构醌型结构)很很容易接受容易接受2 2个电子和个电子和2 2个质子，个质子，还原成还原成QHQH2 2（还原型）；还原型）；QHQH2 2也容易给出也容易给出2 2个电子和
17、个电子和2 2个质个质子，重新氧化成子，重新氧化成Q Q。因此，因此，它在线粒体呼吸链中作为电它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。子和质子的传递体。辅酶辅酶Q Q（泛醌、亦简称泛醌、亦简称Q)Q)是许多酶的辅酶，是许多酶的辅酶，如：如：NADH-QNADH-Q还原酶、还原酶、琥珀酸琥珀酸-Q-Q还原酶、脂酰还原酶、脂酰-CoACoA脱氢酶等脱氢酶等细胞色素细胞色素c c还原酶还原酶（细胞色素（细胞色素bcbc1 1复合体、复合体复合体、复合体）n含有两种细胞色素（细胞色素含有两种细胞色素（细胞色素b b、细胞色素细胞色素c1c1）和和一铁硫蛋白（一铁硫蛋白（2Fe-2S 2Fe-2S）。
18、）。n其作用是将电子从其作用是将电子从QH2QH2转移到细胞色素转移到细胞色素c c：QH2 cyt.b Fe-S cyt.c1 cyt.c细胞色素细胞色素c cn细胞色素主要是通过辅基中细胞色素主要是通过辅基中Fe3+Fe2+的互变的互变起传递电子的作用。一个细胞色素每次传递一个起传递电子的作用。一个细胞色素每次传递一个电子电子。细胞色素细胞色素c c在复合体在复合体III和和之间传递电子。之间传递电子。n细胞色素细胞色素c c能溶于水能溶于水n由由 cyt a和和a3 组组成。复合物中除了成。复合物中除了含有铁外，还含有含有铁外，还含有2 2个铜原子（个铜原子（CuCuA A，CuCuB
19、B）。）。细胞色素细胞色素c c氧化酶氧化酶（复合体（复合体）n当电子传递时，在细胞色素的当电子传递时，在细胞色素的Fe3+Fe2+间间和和Cu2+Cu+间传递，将电子从间传递，将电子从cytc直接传直接传递给递给O2。呼吸链的电子传递顺序呼吸链的电子传递顺序n呼吸链的各组分在线粒体内膜上是按一定顺序排列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：复合物的，在线粒体内膜上主要两条呼吸链：复合物、组成主要的呼吸链，催化组成主要的呼吸链，催化NADH的脱氢氧化，的脱氢氧化，复合物复合物、组成另一条呼吸链，催化琥珀酸组成另一条呼吸链，催化琥珀酸的脱氢氧化。的脱氢氧化
20、。电子传递过程n内膜的电子传递和内膜的电子传递和氧化磷酸化密切偶联，氧化磷酸化密切偶联，但它们分别在不同的酶系中进行。但它们分别在不同的酶系中进行。基粒（基粒（ATP合酶复合体）合酶复合体）nATP合酶（合酶（ATP synthetase）:分为球形的分为球形的F1（头部）和嵌入（头部）和嵌入膜中的膜中的F0（基部）（基部）以及连接柄部。以及连接柄部。nF1由由5种亚基种亚基33组成九聚体，具有三组成九聚体，具有三个个ATP合成的催化位合成的催化位点（每个点（每个亚基具有一亚基具有一个）。个）。和和单位交替单位交替排列，排列，贯穿贯穿复合体，复合体，并与并与F0接触，接触，帮助帮助与与F0结合
21、。结合。与与F0的两的两个个b亚基形成固定亚基形成固定复合体的结构。复合体的结构。nF1因子是依赖于因子是依赖于Ca2和和Mg2的的ATP酶，纯酶，纯化的化的F1可水解可水解ATP，但自然状态下合成，但自然状态下合成ATP。nF0因子镶嵌于内膜的膜脂成分中，可专一因子镶嵌于内膜的膜脂成分中，可专一性的传递质子，是质子流向性的传递质子，是质子流向F1的穿膜通道。的穿膜通道。n当去除当去除F1因子后，膜对质子便有了高通透因子后，膜对质子便有了高通透性，质子便漏入基质中。性，质子便漏入基质中。n将线粒体用超声波破碎，线粒体内膜碎片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
22、小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。电子传递和磷酸化的功能。n用尿素或胰蛋白酶处理后的小泡，表面的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。而无法维持质子浓度梯度。n柄部连接柄部连接F1 和和F0，没有催化活力。该处含，没有催化活力。该处含有寡霉素敏感性蛋白（有寡霉素敏感性蛋白（OSCP）。）。n柄部能控制质子的流动，从而控制柄部能控制质子的流动，从而控制ATP 的的生成速度。生成速度。n化学渗透假说
23、化学渗透假说 在在60年代初，年代初，Mitchell提出了提出了“化学渗透学说化学渗透学说”，认为在认为在ATP合成过程中，跨膜的质子动力势能推合成过程中，跨膜的质子动力势能推动动ATP合酶催化合成合酶催化合成ATP。该学说被广泛接受。该学说被广泛接受。nNADH 或或FADH2提供电子，经过电子传递链，最提供电子，经过电子传递链，最后被后被O2接受；当电子沿呼吸链传递时，所释放的接受；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
24、于基质，在内膜的两侧形成电化学梯质子浓度高于基质，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度；质子沿电化学梯度穿过内膜上的ATP酶复合酶复合物流回基质，使物流回基质，使ATP酶的构象发生改变，将酶的构象发生改变，将ADP和和Pi合成合成ATP。n有关有关ATP合酶催化机制的假说很多，最引人注目合酶催化机制的假说很多，最引人注目的是的是Boyer提出的提出的ATP合酶的催化模型合酶的催化模型“结合结合变构机制变构机制(binding change mechanism)”说，认说，认为质子运输后释放的能量引起为质子运输后释放的能量引起F1因子构象变化。因子构象变化。n第一步，随着酶
25、的构象变化，在催化位点上疏松第一步，随着酶的构象变化，在催化位点上疏松结合的结合的ADP和和Pi与酶的结合变得紧密；第二步，与酶的结合变得紧密；第二步，紧密结合的紧密结合的ADP和和Pi被转化成被转化成ATP；第三步就是；第三步就是ATP的释放。的释放。化学渗透与结合变构机制n结合改变机制主要涉及的是结合改变机制主要涉及的是F1上上3个核苷酸个核苷酸催化位点在合成或水解催化位点在合成或水解ATP过程中的构象过程中的构象变化，对于整个酶来讲，变化，对于整个酶来讲，亚基上的催化位亚基上的催化位点的构象变化主要是靠点的构象变化主要是靠亚基和亚基和亚基在催亚基在催化过程中相对于化过程中相对于33的旋转
26、运动来调节的。的旋转运动来调节的。支持构象耦联假说的实验支持构象耦联假说的实验n日本的日本的Yoshida等人将等人将33固定在玻片上，固定在玻片上，在在亚基的顶端连接荧亚基的顶端连接荧光标记的肌动蛋白纤光标记的肌动蛋白纤维，在含有维，在含有ATP的溶的溶液中温育时，在荧光液中温育时，在荧光显微镜下可观察到显微镜下可观察到亚亚基带动肌动蛋白纤维基带动肌动蛋白纤维旋转旋转n实验证实，游离的实验证实，游离的F1水解水解ATP是在是在33的的3个催化位点上按照个催化位点上按照3个步骤循环催化进行并个步骤循环催化进行并伴随着伴随着亚基的旋转。亚基的旋转。nF0F1全酶上，全酶上，ATP的合成极有可能是的合成极有可能是亚基亚基反方向的旋转催化。反方向的旋转催化。细胞能力代谢与医学细胞能力代谢与医学n细胞病变可导致线粒体变化细胞病变可导致线粒体变化n线粒体线粒体DNA突变可导致疾病产生突变可导致疾病产生The end
