激素作用的分子生物学机制

激素作用的分子 生物学机制解放军总医院内分泌科母义明

激素的分类 一、肽及蛋白质激素（1）多肽、蛋白质激素都是氨基酸组成的多肽链（2）氨基酸分子在肽和蛋白质链中的排列对其生物活性非常重要二、类固醇激素（1）均有一个环戊烷多氢菲的核心（2）其侧链结构和其功能密切相关三、胺类及氨基酸衍生物激素分子量小、结构简单四、固醇类激素维生素D衍生物五、脂肪酸衍生物前列素类

激素的分类 b 一、肽及蛋白质激素（1）多肽、蛋白质激素都是氨基酸组成的多肽链（2）氨基酸分子在肽和蛋白质链中的排列对其生物活性非常重要二、类固醇激素（1）均有一个环戊烷多氢菲的核心（2）其侧链结构和其功能密切相关三、胺类及氨基酸衍生物激素分子量小、结构简单四、固醇类激素维生素D衍生物五、脂肪酸衍生物前列素类

激素的合成和释放 一、肽及蛋白质激素（1）细胞核内DNA被激活转录合成mRNA 通过核膜微孔进入胞浆翻译出多肽、蛋白质激素（2）肽类激素几乎都是先合成前体激素原，然后脱去一部分肽链成为激素二、类固醇激素（1）以胆固醇为原料，在各种酶的作用下转变成不同的类固醇激素（2）在滑面内质网合成，以脂滴的形式外排三、激素的运输（1）与特殊的载体蛋白结合（2）利于运输、储存和缓冲机制

激素的作用特点 一、只影响靶细胞的功能或物质代谢反应的强度和速度二、激素的高效能作用三、分泌的节律性四、不断的生成、代谢和失活五、作用的特异性

General Schemes of Intercellular signaling 1) Endocrine Signaling 3) Autocrine Signaling Blood vessel Hormone secretion Into blood by endocrine gland Distant target cells 2) Paracrine Signaling 4) Signaling by plasma membrane -attached proteins Signaling cell Adjacent target cell • – 3): Cell-to-cell signaling by extracellular chemicals • 4): Proteins attached to the plasma membrane of one cell can interact directly with • receptors on an adjacent cell

Classification of Hormone Receptor Hormones can be classified based on their solubility and receptor location: Lipophilic hormones with intracellular receptors: steroids, thyroxine, and retinoic acid Water-soluble hormones with cell-surface receptors (1) peptide hormones, such as insulin, growth factors, and glucagon (2) small charged molecules, such as epinephrine and histamine Lipophilic-hormone with cell-surface receptors prostaglandins, arachidonic acids

Classification of Hormone Receptor Hormones can be classified based on their solubility and receptor location: Lipophilic hormones with intracellular receptors: steroids, thyroxine, and retinoic acid Water-soluble hormones with cell-surface receptors (1) peptide hormones, such as insulin, growth factors, and glucagon (2) small charged molecules, such as epinephrine and histamine 3)Lipophilic-hormone with cell-surface receptors prostaglandins, arachidonic acids

Classification of Hormone Receptor Hormones can be classified based on their solubility and receptor location: Lipophilic hormones with intracellular receptors: steroids, thyroxine, and retinoic acid Water-soluble hormones with cell-surface receptors (1) peptide hormones, such as insulin, growth factors, and glucagon (2) small charged molecules, such as epinephrine and histamine Lipophilic-hormone with cell-surface receptors prostaglandins, arachidonic acids

激素-受体的作用原理 一、第二信使学说（1）膜受体-cAMP-蛋白激酶体系（2）酪氨酸激酶受体-ras-MAPK （3）膜受体-磷脂酰肌醇代谢体系及其他二、基因表达学说核受体-基因调控模式

Suthernland的经典第二信使学说 一、激素为第一信使与靶细胞膜上的特异性受体结合二、激活膜上的腺苷酸环化酶系统三、在Mg2+的存在下使ATP转化为cAMP, cAMP作为第二信使四、cAMP激活蛋白激酶系统，从而发挥各种功能

第二信使学说的新认识 一、经典第二信使学说只适用于膜受体激素，不适用于类固醇和含氮激素二、激素和受体结合后也可以进入细胞内三、激素和受体结合后首先激活G蛋白，然后通过腺苷酸环化酶发挥作用四、第二信使，如cAMP既可升高也可降低五、受体分为兴奋型和抑制型两种六、第二信使不止cAMP一种，至少还包括cGMP、Ca++、前列腺素、磷脂酰肌醇和神经酰胺等七、第二信使作用下， Ca++浓度的增高以及钙调蛋白的出现对部分细胞有重要作用八、有多种蛋白激酶

Characteristics Properties of Principal Types of Mammalian Hormones Property Steroids Thyroxine Peptides and proteins Catecholamines Feedback regulation Yes Yes Yes Yes of synthesis Storage of preformed Very little Several weeks One day Several days, in Hormone adrenal medulla Mechanism of Diffusion through Proteolysis of Exocytosis of Exocytosis of Secretion plasma membrane thyroglobulin storage vesicles storage vesicles Binding to plasma Yes Yes Rarely No Protein Lifetime in blood Hours Days Minutes Seconds Plasma Time course of action Hours to days Days Minutes to hours Second or less Receptors Cytosolic or nuclear Nuclear Plasma membrane Plasma membrane Mechanism of action Receptor-hormone complex controls change in membrane potential transcription and stability of mRNA triggers synthesis of second messengers

一、Cell-Surface Receptors (1) G protein-coupled receptor (epinephrine, glucagon, serotonin) Plasma membrane R E E R E G G G Receptor Inactive G Inactive effector Activated Active effector form of generates “second protein signal- enzyme (adenylyl G protein messengers” (cAMP; transducing cyclase, phospho- IP3; DAG) protein Lipase c, or others) (2) Ion-channel receptor (acetycholine) Ligand Ligand binding-site Ion Exterior Cytosol Receptor protein

一、Cell-Surface Receptors (3) Tyrosine kinase-linked receptors (cytokines, human growth factors,interferones) Ligand P P P Phosphorylated ADP ATP Substrate protein ADP P P ATP Protein-tyrosine kinase (inactive) Substrate protein

一、Cell-Surface Receptors (4) Receptors with intrinsic enzymatic activity (Insulin and growth factor receptors) Ligand Exterior GTP Cytosol 3',5'-cyclic GMP PPi Ligand Exterior Cytosol ATP P P ADP ADP Tyrosine kinase Activity (NGF, PDGF) ATP 蛋白 These receptors autophosphorylate residues in their own cytosolic domain and also can phosphorylate various substrate proteins

(一)、G蛋白(GTP-dependent regulatory protein or GTP-binding signal-transducing proteins, G-proteins)与腺苷酸环化酶的激活

Schematic Diagram of the General Structure of G Protein-coupled Receptors Transmembrane a helix E1 E2 E3 E4 NH3+ Exterior H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7 H1 Cytosol COO- C3 C4 C1 C2 E:extracellular loop C:cytosolic loop Important for interactions with the coulped G proteins

G蛋白受体的分类 根据核苷酸和氨基酸序列的类似性G蛋白受体可分为三类： • 视紫红质／b-肾上腺素受体家族: • 具有参于信号传导和受体磷酸化功能的特定的糖基化位点和氨基酸序列。此 • 类受体可被多种物质激活，包括光子、气味、激素和神经介质等。 • 配基包括生物胺，如儿茶酚胺和组织胺、多肽类激素，如P物质和GnRH等， • 以及糖蛋白激素，如LH和FSH等。受体的Ｎ-末端和Ｃ-末端结构差异较大； • 2. 代谢型谷氨酸受体: • 包括至少六组密切关联的受体，均与中枢神经系中主要的兴奋性递质谷氨酸 • 结合。本类受体的Ｎ-末端较长，Ｃ-末端长短不一； • 3. 胰泌素／血管肠肽受体: • 包括许多神经肽和肽类激素受体，前者包括血管肠多肽和垂体腺苷酸环化酶 • 激活肽，后者包括降钙素、甲状旁腺素、胰高糖素、类胰高糖素肽、生长激 • 素释放激素（GHRH）以及促肾上腺皮质激素释放激素（ACTH）受体等。 • 此类受体除第３个跨膜区或Ｃ-末端的第一个胞外环与第二个胞外环形成的 • 二硫键外，没有第一类受体的指纹残基结构的特点。在Ｎ-末端有至少６个 • 参于配基结合的半胱氨酸残基。

Signaling Pathway Leading to Activation of Transcription Factors and Modulation of Gene Expression

Hormone-Induced Activation and Inhibition of Adenylyl Cyclase (AC) Mediated by Gas and Gai 肾上腺素 PGE1 抑制性激素刺激性激素胰高糖素腺苷 ACTH 细胞外腺苷酸环化酶 (AC) 激活AC 抑制AC 细胞内抑制激素受体 Gas Gai 刺激激素受体 Gg Gg Gb Gb GDP GDP 刺激性G 蛋白复合物抑制性G 蛋白复合物

Mechanism of G Proteins Activation 激素细胞外 G蛋白腺苷酸环化酶 (AC) 腺苷酸环化酶 (AC) 细胞内 Gas Gas Gg Gb GDP Gg Gb GTP 1.激素与受体结合引起受体构象改变 4.Gas与AC结合,激活 cAMP合成；激素与受体分离腺苷酸环化酶 (AC) 腺苷酸环化酶 (AC) Gas Gas Gg Gb Gg GDP Gb GTP 2.受体与Gas结合 ATP cAMP+PPi 腺苷酸环化酶 (AC) Pi 5.GTP水解成GDP, Gas与AC分离并与Gbg结合 Gas 腺苷酸环化酶 (AC) Gg Gb GDP 3.与受体结合后引起 Gas GDP Gas构象改变 Gg GTP Gb GTP替代GDP, GDP Gas与Gbg分离

Tertiary structure of the Gs protein and location of important amino residues Inactivation of Gs GTPase “turn-off” reaction Guanine nucleotide

Ga蛋白基因（GNAS1）突变导致的AC被持续激活相关的内分泌性疾病：Ga蛋白基因（GNAS1）突变导致的AC被持续激活相关的内分泌性疾病： • 垂体生长激素（GH）瘤: • 约有40%的GH瘤伴有GNAS1外显子8和9的Arg201或Gln227突变，造成内源性GTP酶活性增强和催化GTP水解能力降低，结果腺苷酸环化酶被持续激活。 • McCune-Albright综合症（MAS）: • 此病以性早熟、位于身体中线一侧单发或多发性皮肤牛奶咖啡样色素沉着斑、多发性囊性骨纤维发育不良为特点。 • 其他内分泌腺体疾病： • 包括甲状腺、肾上腺和垂体等伴功能亢进的增生或肿瘤与GNAS1突变有关。

McCune-Albright Syndrome

Ga蛋白基因(GNAS1)突变导致Gαs功能下降的相关 内分泌性疾病： Albright遗传性骨营养不良（Albright hereditary osteodystrophy, AHO）: 由于GNAS1突变所致。AHO患者以骨骼发育缺陷（身材矮小和缺指、趾）、皮下骨化、向心性肥胖、扁鼻梁、过距症和智力发育不良为特征，其中伴有多发性激素抵抗的母性遗传性AHO也称之为假性甲旁减IA型（pseudohypoparathyroidism type IA, PHPIA），父性遗传的AHO也称之为假假性甲旁减（pseudopseudohypoparathyroidism, PPHP）。 GNAS1突变类型在AHO患者中多种多样，除外显子3外，其他外显子均有突变的报道。其中外显子7中4-bp缺失型突变发生频率最高，至少有139个家族性突变报道。GNAS1突变引起Gαs蛋白活性和mRNA表达量下降。此外，受体突变会造成腺苷酸环化酶的激活受阻，受体C末端的突变还会引起Gαs蛋白与偶联的甲状旁腺素（PTH）受体结合力降低等疾病。

Albright Hereditary Osteodystrophy, AHO

G蛋白的调节机制 GPCRs参与的信号传导功能至少在3个水平受到调节:偶联受体、 G蛋白和效应酶功能异常：在偶联受体水平，第一种机制是通过改变受体构象影响与G蛋白之间的相互作用。其他两种机制均为受体的失敏感化。 1. 促甲状腺激素（TSH）受体突变导致G蛋白持续激活引起部分孤立性毒性甲状腺腺瘤; 2. LH/hCG受体第六个跨膜区或第三个胞内环的突变通过激活Gas蛋白导致睾丸Leydig细胞分泌睾酮增加，造成男性性早熟。而部分GPCRs的突变则导致激素分泌不足性疾病。 1. 部分甲状腺机能减退症和TSH抵抗综合征是由于TSH受体突变造成的; 2. LH受体（第3个胞内环）的Arg554Stop纯合子突变导致提前出现终止密码子（TGA），以及第7个跨膜区Ser616Tyr纯合子突变均可导致患者卵巢和睾丸功能减退。男性患者表现为睾丸发育不良，男性假两性畸形。这些患者均为GPCRs突变后不能有效的激活G蛋白，引起靶器官激素分泌不足和性腺发育不良。

Structure and Mammalian Adenylyl Cyclase COO- NH3+ 催化域

腺苷酸环化酶（AC）的分型、组织分布和调节 调节作用 AC类型　组织分布 Gas GbgGaiCa2+ 嘌呤 forskolin Ca2+ PKA PKC CaM激酶 /CaM 核苷 ACI大脑、神经组织 ↑ ↓ ↓ ↑↑ ↓ ↑ ↑↑U -/↑ ↓ ACⅡ 大脑、肺 ↑↑ ↑ ↓？ U ↓ ↑↑ - U ↑↑ U ACⅢ 嗅神经上皮细胞为主，↑↑ - ↓ ↓？ ↓ ↑↑ ↓？ U - ↓ 大脑和其它组织少量 ACⅣ 分布广泛，但表达量少↑↑ ↑ ？ U ↓ ↑↑ - U - U ACⅤ 心脏和文状体为主， ↑↑ - ↓↓↓ U ↓ ↑↑ ↓ ↓ -/↑ U 其它组织少量 ACⅥ 分布广泛，但表达量少↑↑ - ↓↓↓ U ↓ ↑↑↑ ↓ ↓ - U ACⅦ 心脏，大脑 ↑↑ ↑？？ U ↓ ↑↑ U U ↑ U ACⅧ 大脑、神经组织 ↑↑ ↓ ？ ↑↑ ↓ ↑↑ ↑↑U - - ACⅨ 分布广泛 ↑↑ - ？ U ↓ ↑ U U U U 注：“↑”：刺激作用；“↓”：抑制作用；“-”：无作用；“U”未知；“？”：作用不明确调节作用的强度只在同种调节因子作用下各种AC之间的比较，同种AC对不同调节因子的反应强度之间在本表中无可比性。

GTP GTP GTP P P P P P P P P Ras-Dependent and –Independent Pathways of Mitogen-activated Protein Kinase (MAPK) Activation by G Protein-coulped Receptors a1b-AR Ras M1AChR 细胞膜 Gaq b g Raf Gaq g PTK, PKC, Ca++ CaM b MEK Shc Sos Grb2 PLCb1 PKC MAPKs IP3+DAG Ras依赖性 Ras非依赖性 cMyc Eik-1 SRF cJun 靶基因转录细胞核转录因子

a4-b6 a3-b5 GTP Switch II Foskolin Adenylyl cyclase Catalytic fragments Gsa The Structure of Gsa.GTP complexed with two fragments encompassing the catalytic domain of adenylyl cyclase The a3-b5 loop and the helix in the switch II region of Gsa -GTP interact simultaneously with a specific region of adenylyl cyclase. The dark gray portion of Gsa is the Ras-like domain, which has GTPase activity, and the light gray portion is the helical domain. The two adenylyl cyclase fragments are shown in purple and brown. Forskolin locks cyclase fragments in their active conformations. Other studies indicate that Gia binds to a different region of adenylyl cyclase, accounting for its different effect on the effector.

Metabolic Responses to Hormone-Induced Rise in cAMP in Various Tissues Tissue Hormone Inducing Metabolic Response Rise in cAMP Increase in hydrolysis of triglyceride; decrease in amino acid uptake Increase in conversion of glycogen to glucose; inhibition of synthesis of glycogen; increase in amino acid uptake; increase in gluconeogenesis (synthesis of glucose from amino acids) Increase in synthesis of estrogen and progesterone Increase in synthesis of aldosterone and cortisol Increase in contraction rate Secretion of thyroxine Increase in resorption of calcium from bone Coversion of glycogen to glucose Fluid secretion Resorption of water Inhibition of aggregation and secretion Adipose Liver Ovarian follicle Adrenal cortex Cardiac muscle cells Thyroid Bone cells Skeletal muscle Intestine Kidney Blood platelets Epinephrine; ACTH; Glucagon Epinephrine; Norepinephrine; Glucagon FSH; LH ACTH Epinephrine TSH Parathyroid hormone Epinephrine Epinephrine Vasoprssin Prostaglandin I

cAMP蛋白激酶体系对代谢的调节作用 被蛋白激酶磷酸化的蛋白质磷酸化的结果对代谢的影响无活性的磷酸化酶b激酶激活激活磷酸化酶、引起糖原分解酶脂肪组织脂肪酶激活脂肪分解有活性的糖原合成酶 I抑制抑制糖原合成核蛋白组蛋白DNA上基因阻抑，促进核酸合成，加速复制转录促进蛋白质合成酸性蛋白加速转录 mRNA合成加速，蛋白合成加速核蛋白体蛋白质加速翻译作用促进蛋白质合成细胞膜蛋白膜蛋白构型和功能改变加速或抑制转运作用加速或抑制通透作用微管蛋白构型和功能改变影响细胞分泌

不激活腺苷酸环化酶的激素 GH（生长激素） PRL（泌乳素） OXT（催产素） GHIH（生长抑素） VP（加压素）儿茶酚胺（a能受体）血管紧张素胰岛素胎盘催乳素 EGF（上皮生长因子） FGF（纤维母细胞生长因子） IGF（胰岛素样生长因子）多巴胺D2 5-羟色胺1 组织胺1 前列腺素2a P物质乙酰胆硷M受体胆囊收缩素胃泌素

(二)、酪氨酸激酶受体(Receptor tyrosine kinase)和ras (Insulin, FGF, EGF, NGF, and PDGF)

=半胱氨酸残基 S S S S GXGXXG GXGXXG K721 K1018 K602 RTKs的结构和功能域配基结合区 Y=酪氨酸残基 GXGXXG= 甘-X- 甘-XX-甘 S S K=赖氨酸残基细胞膜 NPEY960 GXGXXG 酪氨酸激酶区激酶 1 Y1146 Y1150 激酶 Y708 激酶 Y1151 Y845 Y719 Y992 激酶 2 Y1068 Y825 Y1148 Y1316 Y1173 Y1322 Y1021 COOH COOH COOH 胰岛素受体 IGF-1受体 IRR PDGF受体 CSF-1受体 EGF受体 HER-2受体

General Structure and Activation of Receptor Tyrosine Kinases (RTKs) Ligand-binding Ligand site Extracellular domain Exterior Transmembrane a helix Cytosol ATP ATP Kinase catalytic ADP ADP site Cytosolic domain P P The ligand for some RTKs, such as the receptor for EGF, are monomeric; ligand binding induces a conformational change in receptor monomers that promotes their dimerization. The ligands for other RTKs are dimeric; their binding brings two receptor monomers together directly.

Activation of Ras Following Binding of EGF to an RTK EGF 受体单体细胞膜 P P SH2 P P P P SH3 GDP SOS GRB2 失活Ras EGF与受体结合引起受体二聚体化和酪氨酸残基自身磷酸化 SOS促使GDP与Ras分离，并与GTP结合，SOS与激活的Ras解离 GDP GTP Ras激活 P P P P SH2 P P P P P P P P SH3 SOS GRB2 GTP 被磷酸化的GRB2连同 SOS与失活的Ras结合调节下游基因

P P P P P P 胰岛素的作用机制胰岛素胰岛素受体细胞膜 p62 ATP GAP Ras复合体 Shc IRS-1 Ras P P SOS PI-3-激酶 GRB2 P P SHP TP2 含有SH2的蛋白 p70S6 MAPKK p90S6 MAPK Raf-1 cJun p62TCF G亚单位蛋白磷酸酶-1 转录因子核蛋白磷酸化糖元合成酶 S6蛋白磷酸化靶基因蛋白合成脂质合成糖元合成细胞生长和基因表达

胰岛素调节葡萄糖转运子向细胞膜移位的机制 胰岛素受体运动细胞膜胰岛素 GLUT-4 p85 p110 P P PI-3-激酶 IRS 5-AMP激活激酶 PKB (Akt) P PI-3-依赖性蛋白激酶-1 PKC 同工酶向细胞膜移位 P GLUT-4

5种促进葡萄糖弥散进入细胞的GLUT的特点 转运子蛋白氨基酸染色体定位葡萄糖的Km值组织分布功能特点（KD） (mmol/L) GLUT-1 55 492 1p35~p31.3 20 广泛，主要在大基础萄糖转运脑、红细胞和血管内皮细胞 GLUT-2 58 524 3q26.1~q26.3 42 肾脏、小肠上皮、低亲和力葡萄糖肝和胰腺b细胞转运子，在胰岛具有感受葡萄糖浓度的功能 GLUT-3 54 496 12p13.3 10 神经细胞、胎盘高亲和力葡萄糖转运子 GLUT-4 55 509 17p13 骨骼肌、心肌和胰岛素刺激性葡脂肪细胞萄糖转运子 GLUT-5 50 501 1p32~p22 小肠、精子、肾、果糖转运子，与大脑、脂肪细胞葡萄糖的亲和力和肌肉极低

（三）、膜受体-磷脂酰肌醇代谢体系

Elevation of Cytosolic Ca++ via the Inositol-lipid Signaling Ca2+ PIP2 磷脂酶C(PLC) DAG 细胞外细胞浆 IP3 PKC 底物磷酸化 IP3:三磷酸肌醇 PLC:磷脂酶C DAG:甘油二脂 PIP2:磷脂酰肌醇二磷酸 IP3 Ca2+ IP3敏感性 Ca2+通道胞浆内质网 Ca2+ This pathway can be triggered by ligand binding to RTKs or to GPCRs

Cellular Responses to Hormone-Induced Rise in IP3 and Subsequent Rise in Cytosolic Ca++ in Various Tissues Tissue Hormone Inducing Cellular Response A Rise in IP3 Pancreas Acetylcholin Secretion of digestive enzymes, such as amylase and trypsinogen Parorid (salivary gland) Acetylcholin Secretion of amylase Pancreas (b cell) Aceytcholin Secretion of insulin Vascular or stomach Aceytcholin Contraction smooth muscle Liver Vasopressin Conversion of glycogen to glucose Blood platelets Thrombin Aggregation, shape change, secretion of hormones Mast cells Antigen Histamine secretion Fibroblasts Peptide growth factors, DNA synthesis, cell division such as bombesin and PDGF Sea urchin eggs Spermatozoa Rise of fertilization membrane

激素作用的分子 生物学机制