蛋白激酶与磷酸酶
蛋白磷酸化的名词解释
蛋白磷酸化的名词解释蛋白磷酸化是一种重要的细胞信号传导过程，它在调控蛋白功能、细胞生理和病理过程中起着关键作用。
磷酸化是一种化学修饰，通过在蛋白质分子上加上磷酸基团改变其结构和功能。
一、蛋白磷酸化的基本概念蛋白磷酸化是指将磷酸基团（PO4）连接到蛋白质的氨基酸残基上。
磷酸化可以发生在多种氨基酸残基上，包括丝氨酸（Ser）、苏氨酸（Thr）和酪氨酸（Tyr）。
这个化学修饰过程由蛋白激酶（protein kinase）和蛋白磷酸酶（protein phosphatase）这两类酶催化进行。
二、蛋白磷酸化的功能蛋白磷酸化在调控细胞的多种生理过程中起着重要作用。
它可以调节蛋白质的酶活性、亚细胞定位、特异性结合以及稳定性。
这种化学修饰可以改变蛋白质的电荷分布和构象，从而调控它们与其他蛋白质、DNA或小分子的相互作用。
1. 调节酶活性：许多蛋白激酶通过磷酸化来激活或抑制底物的酶活性。
例如，丝氨酸/苏氨酸激酶（serine/threonine kinase）可以磷酸化肌球蛋白，进而改变细胞骨架的结构和细胞形态。
另外，酪氨酸激酶可以磷酸化细胞表面受体，从而触发细胞信号通路。
2. 调节亚细胞定位：磷酸化可以改变蛋白质的亚细胞定位，影响它们在细胞内的分布。
例如，磷酸化可以使特定的核转录因子转入或转出细胞核，从而影响基因的转录。
此外，它还可以调节细胞骨架的动态重组，参与细胞的形态变化和迁移。
3. 调节特异性结合：蛋白磷酸化可以改变蛋白质与其他分子的结合能力。
例如，磷酸化可以促使某些蛋白质与DNA结合或解离，从而影响基因的表达。
此外，它还可以调节蛋白质与其他蛋白质之间的相互作用，介导细胞信号转导。
4. 调节蛋白稳定性：磷酸化可以影响蛋白质的降解速率。
一些磷酸化位点的出现或消失可以增加或降低蛋白质的稳定性。
这种调控方式在一些疾病的发生中起着重要作用，如肿瘤的发生和进展。
三、蛋白磷酸化与人类疾病蛋白磷酸化异常与多种人类疾病的发生和进展相关。
蛋白质的修饰和功能调控
蛋白质的修饰和功能调控蛋白质是生命体中最基本的分子组成部分之一，它们参与了细胞的几乎所有生物学过程。
然而，蛋白质单独的氨基酸序列并不能完全解释它们的多样功能。
蛋白质的修饰和功能调控起着非常重要的作用，通过化学修饰以及与其他分子的相互作用，蛋白质的功能可以被调节和扩展。
一、蛋白质修饰的类型及功能1. 磷酸化修饰磷酸化修饰是一种常见的蛋白质修饰方式，通过将磷酸基团共价地添加到蛋白质的特定氨基酸上，如丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸。
这种修饰方式可以影响蛋白质的空间结构和电荷状态，从而改变其功能。
例如，磷酸化可以调节酶的活性，参与信号转导通路，调控细胞增殖和凋亡等过程。
2. 甲基化修饰甲基化修饰是一种将甲基基团共价地添加到蛋白质的氨基酸上的修饰方式。
这种修饰方式可以改变蛋白质的亲水性、电荷状态以及相互作用的能力，从而调节蛋白质的功能。
例如，甲基化修饰可以在染色质结构的调控中起到重要作用，调节基因的转录和表达。
3. 乙酰化修饰乙酰化修饰是一种将乙酰基团共价地添加到蛋白质的氨基酸上的修饰方式。
这种修饰方式可以改变蛋白质的结构和电荷状态，影响蛋白质的功能。
例如，乙酰化可以调节组蛋白的结构，影响染色质的结构和稳定性，从而调控基因的表达。
4. 糖基化修饰糖基化修饰是一种将糖基团共价地添加到蛋白质的修饰方式。
这种修饰方式可以改变蛋白质的结构、稳定性和溶解度，影响蛋白质的功能。
例如，糖基化修饰可以参与细胞黏附、信号转导和免疫应答等重要的生物学过程。
二、蛋白质修饰的调控机制1. 激酶和磷酸酶的作用蛋白质的磷酸化修饰通常是由激酶和磷酸酶调控的。
激酶可以添加磷酸基团到蛋白质上，而磷酸酶可以将磷酸基团去除。
这种激酶和磷酸酶之间的平衡调节，可以使蛋白质的磷酸化状态发生变化，从而影响其功能。
2. 转录调控因子的作用转录调控因子可以结合到蛋白质上，并改变蛋白质的修饰状态，从而调节蛋白质的功能。
通过与转录因子的相互作用，蛋白质可以参与基因的转录和表达调控。
细胞信号传导中的磷酸化调控机制
细胞信号传导中的磷酸化调控机制细胞信号传导中的磷酸化调控机制是细胞内信息传递中的重要环节。
磷酸化是指将磷酸基加到分子中的化学反应，常常会导致蛋白质结构和功能的改变。
通过磷酸化调控蛋白质活性、互作和/或定位，细胞可以响应各种内外部信号。
这种调控机制在许多重要的生物学过程中发挥着关键作用，如细胞周期、细胞分化、细胞凋亡、代谢和免疫反应等。
磷酸化调控机制复杂而精密，涉及到许多相关的蛋白和酶。
其中最知名的是蛋白激酶和磷酸酶。
蛋白激酶是一种可以将磷酸基加到靶蛋白的酶，而磷酸酶则是可以将已经加入到蛋白质中的磷酸基移除的酶。
这两个反应都是可逆的，因此可以通过这些相对运动的关键分子，控制特定的信号通路。
不同类型的信号(如激素、生长因子、细胞外基质、体内外压力和感染识别等)被特定的膜受体捕获，这些受体会激活一系列的信号分子，并触发一系列的磷酸化和去磷酸化反应。
其中，细胞内的使蛋白激酶系列和磷酸酶系列尤其重要。
蛋白激酶可以根据其底物的位置分为三个类别。
第一类激酶，如下游的丝氨酸/苏氨酸激酶，可以磷酸化激酶-丝氨酸/苏氨酸底物。
第二类激酶，如JNK和p38等，激活一系列重要的转录因子，进而调节各种生物学反应。
第三类激酶，如十四三烷基化磷酸酰化蛋白激酶(TAK1)和编码蛋白激酶（MEKK），与其他激酶相互协调，参与各种生物过程，例如细胞凋亡、炎症反应和代谢调节等。
另一方面，一系列蛋白磷酸酶也是细胞信号传导的重要组成部分。
蛋白磷酸酶可以基于它们去磷酸化靶蛋白质的位置被分类为“酸性”和“碱性”。
在细胞信号传导中，酸性蛋白磷酸酶主要参与凋亡信号的传导和细胞生长、分化等过程。
特别是，半胱氨酸蛋白磷酸酶家族(如PP2A)是细胞信号传导的重要调节因子，可以调控多种细胞生命活动，包括细胞凋亡、代谢和细胞周期等。
此外，碱性蛋白磷酸酶也可以通过调节肌动蛋白网络和细胞骨架蛋白，调节细胞的结构和运动。
总之，磷酸化调控机制是细胞信号传导的重要组成环节。
蛋白激酶
b）JAK激酶家族
JAK (Janus kinase) 家族成员有 JAK1、JAK2、JAK3和TYK2。
特征性结构是有两个激酶结构域：激 酶区（JH1）和激酶相关区（JH2或假SH1 区）。此外，还有5个同源结构域（ JH3 ~JH7 ）。
O
分类： （1）非受体酪氨酸蛋白激酶（NRTK） （2）受体酪氨酸蛋白激酶（RTK） （3）核内酪氨酸蛋白激酶
（1）非受体酪氨酸蛋白激酶（NRTK）
1）非受体酪氨酸蛋白激酶的重要结构域
有SH1（c-Src homology domain 1）、SH2、SH3、PH、PTB等。它们在激 酶的催化反应、酶定位、活性调节以及与 其他分子相互作用中起重要作用。
1）受体酪氨酸激酶的自主磷酸化位点
常位于受体的羧基末端胞质域的非催 化区，或质膜与酪氨酸激酶结构域之间。
主要功能是与靶蛋白的SH2结构域结合， 激活靶蛋白。
靶蛋白与磷酸化位点的结合依赖于 pTyr附近的氨基酸组成及顺序。
2）受体酪氨酸激酶激活信号蛋白的机制 一是信号分子的膜转位； 二是通过结构改变而被激活； 三是通过酪氨酸的磷酸化被激活。
DNA-PK可发生自主磷酸化，其催化 亚基和Ku蛋白都依赖于DNA和ATP而磷酸 化。
2. 酪氨酸蛋白激酶（PTK）
是一类催化ATP上 -磷酸基团转移到蛋 白酪氨酸残基酚羟基上的激酶，使多种底物 蛋白磷酸化，在细胞增殖、分化中起重要作 用。
NH
HC CH2
OH
OC
NH HC CH2 OC
O OP O
作为PTK底物的信号蛋白又分为具有酶 活性和不具有酶活性的接头蛋白两类。
蛋白质的磷酸化与信号转导
蛋白质的磷酸化与信号转导在细胞内，蛋白质磷酸化是一种常见的化学修饰方式，通过磷酸化作用，可以调控蛋白质的活性、位置、互作等特性，进而影响细胞内的信号转导过程。
本文将探讨蛋白质磷酸化与信号转导之间的关系，以及这种修饰机制对细胞功能的影响。
一、蛋白质磷酸化的概述蛋白质磷酸化是一种在细胞中广泛发生的化学修饰方式，通过将磷酸基团（PO4）结合到蛋白质分子的氨基酸残基上，改变蛋白质的性质和功能。
常见的磷酸化位点包括丝氨酸（Ser）、苏氨酸（Thr）和酪氨酸（Tyr）残基。
磷酸化修饰是由蛋白激酶（protein kinase）催化的，而蛋白磷酸酶（protein phosphatase）则可以去除这些磷酸基团。
二、蛋白质磷酸化与信号转导信号转导是指细胞内外信号的传递与转导过程，确保细胞能够及时做出响应。
蛋白质的磷酸化在信号转导中起着重要的作用。
当外界刺激（如荷尔蒙、生长因子等）到达细胞表面受体时，会引起受体聚合或构象变化，进而激活相应的酪氨酸激酶。
此时，激酶会磷酸化特定的底物蛋白，从而传递信号并触发下游的生物效应。
蛋白质磷酸化的信号转导机制可以分为两类：直接激活型和级联激活型。
直接激活型机制中，磷酸化直接影响底物蛋白的功能，如激活或抑制其酶活性。
级联激活型机制中，磷酸化作用会导致一系列的修饰和调节步骤，进而介导信号传导到细胞内的不同部位。
三、蛋白质磷酸化调控的生物效应蛋白质磷酸化的调控可以影响多种生物效应，包括细胞周期调控、基因转录调节、细胞凋亡、细胞增殖等。
例如，细胞增殖的调控往往伴随着信号转导通路的激活，而蛋白质的磷酸化是这一过程中不可或缺的关键步骤。
磷酸化修饰可以激活或抑制蛋白质的酶活性，从而介导细胞周期的进行。
另外，蛋白质磷酸化还可以调节蛋白质的亚细胞定位和相互作用。
磷酸化作用可以导致蛋白质结构的变化，从而影响蛋白质的定位和与其他蛋白质的相互作用。
这种调控方式在细胞信号转导通路中起着至关重要的作用，确保蛋白质在特定的细胞区域发挥正确的功能。
蛋白激酶和蛋白磷酸酶蛋白激酶
SH1：催化活性结构域 SH2、SH3、PH：分子间相互作用
Src家族蛋白酪氨酸激酶
Lck(p56lck): 与CD4/CD8相关，受体交联后，Lck活
化并磷酸化CD3z链ITAM的酪氨酸，使ZAP-70能结合 该处，ZAP-70进一步传递信号。
Fyn(p59fyn): 与CD3z链相关，Fyn活化后，细胞内
锚定蛋白:
特殊的接头蛋白，通过分子的一段将某一 信号途径中密切相关的信号分子定位于近膜 区，也称支架蛋白（scaffold protein）。如 Shc、IRS-1等.
穿膜接头蛋白(含大量酪氨酸)
LAT(linker for activation of T cells)主要介 导TCR的信号。TCR交联后激活ZAP-70，后 者磷酸化LAT的酪氨酸残基，为Grb2、Grap 或PLCg提供停泊位点。
ITIM：某些免疫受体胞浆区具有单个排列的 YXXL序列，免疫受体活化后，其酪氨酸残基 可被细胞内的酪氨酸激酶磷酸化，结合抑制性 信号分子，是免疫受体酪氨酸抑制模块。
（四）胞浆信号分子的募集
酶、接头蛋白或锚定蛋白
二. 信号分子的特殊结构域
50－100aa组成、具有一定的空间结构的蛋白 结构域，或称蛋白模块（protein modular） 结合特定的基团或氨基酸序列
SH3结构域：PxxP，存在于NRTK、PSK、 磷脂代谢酶、小G蛋白、接头蛋白、转录 因子等
WW（色胺酸）结构域：PPxY或PPLP基 序
（三）其他结构域
PH结构域：血小板－白细胞C激酶底物同 源区，识别膜磷脂成分及其代谢产物如 PIP2、PIP3、IP3等
死亡结构域：涉及死亡结构域蛋白、TNF 受体相关蛋白及其它多种信号转导蛋白
磷酸蛋白的互作原理
磷酸蛋白的互作原理磷酸蛋白的互作原理可以概括为以下几点:1. 蛋白质激酶可以催化其底物蛋白发生磷酸化反应,在底物蛋白特定位点的羟基上转移γ-磷酸基团。
2. 磷酸化会改变蛋白质的构象和性质,从而影响其与其他分子的相互作用,是重要的后转录调控方式。
3. 激酶识别特定底物的关键在于结合部位的氨基酸序列和空间构象互补性。
激酶的催化域与底物配体识别域协同工作。
4. 激酶激活往往需要第二信使(如cAMP)或结合蛋白的结合,使激酶磷酸化部位暴露,进而激活。
5. 激酶也可以自身发生自磷酸化,通过改变构象开启激酶活性。
还可产生级联放大效应,继续磷酸化下游靶点。
6. 磷酸酶可以去除蛋白质上的磷酸基团,反向调控磷酸化过程,动态平衡磷酸化状态。
7. 磷酸化后的部位可与其他含磷酸结合蛋白域(如SH2结构域)识别结合,从而进行信号转导。
8. 例如,受体酪氨酸激酶在激素诱导下,磷酸化靶蛋白酪氨酸残基,激活下游信号级联反应。
9. MAP激酶磷酸化并激活其他蛋白激酶,产生放大级联效应,扩大信号网络范围。
10. 细胞骨架蛋白也可通过磷酸化改变组装状态,影响细胞形态。
11. 磷酸化调控网络异常会引起多种疾病。
药物通过作用于蛋白激酶或磷酸酶调节这些过程。
12. 综上,蛋白质的可逆磷酸化构成细胞内信息流和功能调节的重要环节。
既有高选择性,也有放大作用。
13. 磷酸蛋白网络关系复杂,一个激酶可作用于多靶点,不同激酶可共同作用于一个靶点实现协同调控。
14. 同时受多种机制(第二信使、蛋白相互作用等)的上下游调控,构成一个动态平衡、高度协同的系统,以应对细胞内外环境变化。
第五章蛋白激酶
PLC-1的PH domain与IP3结合
血影蛋白的PH domain与膜磷脂结合
e）PTB结构域
PTB结构也可识别一些含磷酸化酪氨 酸的模体。
Shc PTB Domain
非受体酪氨酸蛋白激酶重要结构域的特点：
• 一个信号分子可含有两种以上的结构域， 因此可同时与两种以上的其他信号分子结 合。
（一）蛋白激酶的结构
共同的结构特征：
• 保守的催化结构域/亚基
• 调节结构域/亚基
• 其他功能结构域
PKC
1. 催化结构域/亚基
催化核心含有12个高度保守的亚区。
功能： • 与蛋白质或多肽底物结合； • 与磷酸供体ATP/GTP结合； • 转移磷酸基到底物相应的氨基酸残基上。
2. 调节结构域/亚基
p p
ANK ANK ANK ANK
Kinase domain
Mig-2
RTK
paxillin
Integrins
ECM
Generously provided to the CMC by Cary Wu (Apr-03
（9）DNA依赖性蛋白激酶 DNA依赖性蛋白激酶（DNA-dependent protein kinaes，DNA-PK）可磷酸 化许多核蛋白，包括核受体、转录因子、 DNA拓扑异构酶和RNA聚合酶Ⅱ等。 DNA-PK可发生自主磷酸化，其催化 亚基和Ku蛋白都依赖于DNA和ATP而磷酸 化。
（2）受体酪氨酸蛋白激酶
PDGF一类的跨膜受体，可磷酸化靶蛋 白的酪氨酸，因此称为受体酪氨酸蛋白激 酶（receptor tyrosine kinase，RTK）。
1）受体酪氨酸激酶的自主磷酸化位点
常位于受体的羧基末端胞质域的非催 化区，或质膜与酪氨酸激酶结构域之间。 主要功能是与靶蛋白的SH2结构域结合， 激活靶蛋白。 靶蛋白与磷酸化位点的结合依赖于 pTyr附近的氨基酸组成及顺序。
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OH
OH
PI-Kinase
PI PIP
4 5 P
P
HO
P
P
3
P
OH
o
o o
o
o
o o
o
PI-Phosphatase
磷酸肌醇循环
PI3K-PKB/Akt信号通路
蛋白激酶与磷酸酶
+ PPP inhibitor
Western blot analysis of whole cell lysates of Jurkat cells, with 0.1M calyculin A for 20 minutes prior to lysis, using Phospho-Thr antibody.
蛋白质磷酸酶
丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶 (PP1, PP2A)； 酪氨酸蛋白磷酸酶 (PTP1B)； 双特异性蛋白磷酸酶 (DUSP1)； 脂质磷酸酶 (PTEN, SHIP)。
Ser/Thr与Tyr蛋白磷酸酶
Ser/Thr磷酸酶 (PP1)
催化机制：
含有双核的金属离子中心； 通过水分子来进行亲核攻击； 磷酸基团不转移到磷酸酶上， 是一步催化反应。 没有金属离子的参与； 通过催化结构域的半胱氨酸残基进 行亲核攻击； 形成磷酸基-酶中间体，是二步催 化反应。
人类的激酶组包括518蛋白激酶基因 约占人类基因总数的1.7% 其中218个基因与人类疾病的发生发展密切相关
约30个基因是肿瘤抑制基因
约100个为原癌基因 ~30%的蛋白质可以发生磷酸化修饰
蛋白激酶的结构
激酶结构域（Kinase domain） 调节结构域（Regulatory domain） 靶向性结构域（Targeting domain）
蛋白激酶与磷酸酶
病理生理学教研室
蛋白质翻译后修饰
Post-translational modifications (PTMs)
磷酸化修饰（Phosphorylation ） 糖基化修饰（Glycosylation ） 泛素化修饰（Ubiquitination ） 乙酰化修饰（Acetylation ） 甲基化修饰（Methylation ）
受体二聚体化与激酶的激活
胰岛素受体
Binding of insulin to the alpha subunits causes the beta subunits to phosphorylate themselves (autophosphorylation), thus activating the catalytic activity of the receptor.
蛋白激酶的分类
酪氨酸蛋白激酶
受体激酶 (EGFR,FGFR,PDGFR) 非受体激酶 (JAK,Src,Abl)
丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶 (PKC,MAPK,Plk,Rho Kinases) 双特异性蛋白激酶 (MAPKK) 磷酯酰肌醇激酶 ( PI3K)
受体酪氨酸激酶（RTK）
受体酪氨酸激酶包括大多数生长因子的受体，参与了 细胞的多种生命活动如细胞的生长、细胞形态与细胞 周期调控、基因的转录与细胞凋亡等； RTKs通常是含有单次跨膜结构域的单体蛋白分子，与 配基结合后发生二聚体化，使细胞内的结构域靠近， 通过自磷酸化而激活； 该家族受体的激活与许多原癌基因的活化密切相关。
EEVAS*EPEEAAS*PTTPK y1-y5, M y6-y12, M+80 y13-y17,M+160
磷酸化蛋白质组（Phosphoproteome）
IMAC: Immobilized Metal Affinity Chromatography 固定化 金属离子亲和性层析法 SIMAC: sequential elution from IMAC 从IMAC顺序洗脱
Tyr磷酸酶 (PTP, DUSP1)
结构上：
数量有限的催化亚基与众多调 节亚基配对。
多基因家族，在单一磷酸酶中同时 含有催化与调节结构域。
Ser/Thr蛋白磷酸酶催化模式图
Fe H O Zn
O
O
P
O
O-Ser-substrate
H-His
PP2A磷酸酶的多样性与复杂性
翻译后修饰对磷酸酶功能的调控作用
MAPKKK
MAPKK
MEK1/2
MKK3/6
MKK4/7
MEK5
MAPK
ERK1/2
p38 MAPK
JNK1,2,3
ERK5/BMK1
Biological responses
Growth, Differentiation, Development
Inflammation, Apoptosis, Growth, Differentiation
蛋白激酶与磷酸酶
Protein Kinase
Protein OH + ATP Protein O O P O Pi H2O O + ADP
Protein Phosphatase
蛋白激酶将ATP末端的磷酸基团转移到蛋白质侧 链的羟基上； 磷酸酶催化蛋白质侧链上磷酸基团的水解。
Human Kinome
2 Active protein kinase 1 transfers a phosphate from ATP to an inactive molecule of protein kinase 2, thus activating this second kinase.
Active protein kinase 2 ATP ADP Pi PP Inactive protein Active protein kinase 3 ATP ADP P i PP Active protein P P
Growth, Differentiation, Development
磷酸酶的信号级联反应
14-3-3
14-3-3 S287 T138 S287 T138
During interphase, Cdc25 is held inactive via by inhibitory phosphorylation at Ser287 and 14-3-3 binding. Likewise, PP2A/B56δ maintains Thr138 in the dephosphorylated state. At the G2/M transition, Cdc25 is activated in a stepwise fashion. First, Cdk2 phosphorylates Thr138 which triggers the release of 14-3-3. Phosphorylated keratin intermediate filaments assist in 14-3-3 removal from Cdc25 and Plx1 may also play a role in this process. Exposed Ser287 is then readily dephosphorylated by PP1, inducing the activation and nuclear translocation of Cdc25 and dephosphorylation of Cdc2. Once activated, Cdc2/Cyclin B phosphorylates multiple sites on Cdc25, enhancing its activity and preventing inactivation. Cdc2/Cyclin B may also activate the MAP kinase cascade which can phosphorylate Cdc25 in a parallel positive feedback loop.
4 Finally, active protein kinase 3 phosphorylates a protein (pink) that brings about the cell’s response to the signal.
P Cellular response
MAPK信号级联反应
Stimulus
6：磷酸化修饰可诱导其下游的促凋亡蛋白基因如p53AIP1 等的表达；
S392: UV诱导其磷酸化修饰，其功能与抑制UV诱导的皮肤癌 密切相关。
蛋白质的磷酸化修饰分析
生物质谱分析蛋白质的磷酸化修饰
生物质谱分析蛋白质的磷酸化修饰
EEVASEPEEAASPTTPK y1-y17, M
EEVAS*EPEEAASPTTPK y1-y12, M y13-y17,M+80
位点特异性的磷酸化修饰
p53:
Kinase: ATM, ATR, DNAPK, CK1, CK2, Chk1, Chk2, etc.
T55/S376:在正常细胞中发生磷酸化修饰，但在受到应激刺激 时发生去磷酸化；
S15/S20: 磷酸化修饰降低其与Hdm2的结合，并促进与转录 共刺激分子的结合，但它们在细胞中的功能是冗余的；
Growth factors, Mitogen, GPCR Raf, Mos, Tpl2
Stress, GPCR, Inflammatory cytokines, Growth factors
MLK3, TAK, DLK MEKK1, 4, MLK3, ASK1
Stress, Growth factors, Mitogen, GPCR MEKK2, 3, Tpl2
3 Active protein kinase 2 then catalyzes the phosphorylation (and activation) of protein kinase 3.