蛋白质生物学推介（四）

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Cdk和Src蛋白激酶的调节显示了蛋白质如何作为微芯片发挥作用

聊生信：此处的微芯片（Microchip）不是指将蛋白质用于生物芯片，而是比喻某些激酶可以像计算机（微）芯片一样，具备一定的逻辑相应能力（即：汇集和计算复杂信号或情形，并做出逻辑判断和相应）。

真核细胞中数百种不同的蛋白激酶形成复杂的信号通路网络，这些网络有助于协调细胞的活动、驱动细胞周期并将信号从细胞（外）环境传递到细胞中。许多涉及的细胞外信号需要被细胞整合和放大。单个蛋白激酶（和其他信号蛋白）在整合过程中充当输入-输出（input–output）装置或“微芯片”（microchips）。 这些蛋白质的一个重要输入部分来自信号网络中分别由蛋白激酶和蛋白磷酸酶添加和去除磷酸（化）所施加的控制。

对于在多个位点磷酸化的蛋白质，特定的磷酸基团可以激活蛋白质，而其他磷酸基团可以使其失活。细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶（Cdk）是此类信号处理装置的一个很好的例子。此类激酶使丝氨酸磷酸化，它们是真核细胞中细胞周期控制系统的核心组成部分。当这些激酶中的一个启动时，它会通过影响它磷酸化的蛋白质来影响细胞行为。

只有当Cdk 蛋白与称为细胞周期蛋白的第二种蛋白结合时，它才会作为丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶变得活跃（聊生信：蛋白激酶的选择性）。但是，细胞周期蛋白的结合只是激活Cdk 所需的三个不同“输入”之一（如下图）。除了细胞周期蛋白结合之外，必须将磷酸添加到特定的苏氨酸侧链，并且必须去除蛋白质中其他地方的磷酸。因此，Cdk监测一组特定的细胞成分，细胞周期蛋白、蛋白激酶和蛋白磷酸酶，并且它充当输入-输出装置，当且仅当这些成分中的每一个都达到其适当的活动状态时（才）开启。一些细胞周期蛋白的浓度随着细胞周期的变化而上升和下降，数量逐渐增加，直到它们在周期的特定点突然被破坏。

Cdk蛋白如何作为一个整合装置

Src蛋白及其同源物包含一个短的N端区域，该区域与强疏水性脂肪酸共价连接，该脂肪酸将激酶固定在质膜的细胞质面上。接下来是两个肽结合模块，一个Src同源3（SH3）域和一个SH2域，然后是激酶催化域。这些激酶通常以非活性构象存在，其中靠近C端的磷酸化酪氨酸与SH2结构域结合，而 SH3结构域以一种使酶活性位点扭曲的方式，与内部肽结合，并有助于使其处于非活性状态。

（之前列过此图）Src家族蛋白激酶的结构域，沿着氨基酸序列绘制。在Src蛋白中，两个结构域形成一个蛋白激酶酶，而SH2和SH3结构域执行调节功能。

打开激酶至少涉及两个特定的输入：去除C端磷酸酯和通过特定的激活蛋白结合SH3结构域（聊生信：从而解除其对激酶活性位点的抑制。如果氨基酸突变发生在这些机构域或其附近，则可能使上述调节机制失效，导致疾病）（如下图）。至于 Cdk 蛋白，Src 激酶的激活表明一组特定的独立上游事件已经完成（图 3-69）。因此，Cdk 和 Src 蛋白质家族都充当特定的信号整合器，帮助生成信息处理事件的复杂网络（complex web of information-processing events），使细胞能够计算（或决策）对一组复杂情况的逻辑响应（compute logical responses to a complex set of conditions）。

由两个连续事件激活Src型蛋白激酶

Src型蛋白激酶可作为一个整合装置

SH3结构域相互作用（绿色）的破坏可能涉及用与Nef蛋白更紧密的相互作用替换其与指示的红色连接区的结合

结合和水解GTP的蛋白质是广泛存在的细胞调节因子

我们已经描述了细胞如何利用蛋白质上磷酸基团的添加或移除来控制蛋白质的活性。真核细胞还有另一种通过添加和去除磷酸盐来控制蛋白质活性的方法。在这种情况下，磷酸盐不会直接附着在蛋白质上；相反，它是鸟嘌呤核苷酸GTP的一部分，与蛋白质紧密结合。总的来说，以这种方式调节的蛋白质与GTP结合后处于其活性构象。当结合的GTP在蛋白质自身催化的反应中水解为GDP时，磷酸基团的损失发生，并且在其GDP结合状态下，蛋白质不活跃。通过这种方式，GTP结合蛋白充当开关，其活性由结合的GDP分子上是否存在额外的磷酸（基团）决定。（聊生信：不像ATP/ADP，GTP/GDP有时不会从蛋白质上脱落。

作为分子开关的GTP结合蛋白。GTP结合蛋白（也称为GTP酶）的活性通常需要一个紧密结合的GTP分子的存在（开关“打开”）。这个GTP分子的水解产生GDP和无机磷酸盐（Pi），它导致蛋白质转化为不同的（通常失活的）构象（开关“关闭”）。如图所示，重置开关需要紧密绑定的GDP分离，这是一个缓慢的步骤（可被特定的信号急剧加速）；一旦GDP分离，GTP分子就会迅速反弹。

GTP结合蛋白（也称为GTP酶，因为它们催化GTP水解）组成了一个大的蛋白家族，所有的蛋白都包含相同的GTP结合球状结构域的（不同）变体。当紧密结合的GTP水解为GDP时，该结构域发生构象变化，使其失活。这个家族的一个典型成员，称为Ras的单体GTPase（GTP酶）的三维结构如下图所示。

Ras蛋白GTP结合形式的结构

这个单体GTPase说明了一个GTP结合域的结构，该结构域存在于一个GTP结合蛋白家族中。当GTP分子被蛋白质水解为GDP和无机磷酸盐时，红色区域的构象发生了变化；GDP仍然与蛋白质结合，而无机磷酸盐被释放。

下图解释了“开关螺旋”在Ras相关蛋白中的特殊作用：

GTP水解引起的EF-Tu构象大幅度变化 （A） 具有GTP束缚的EF-Tu的三维结构。顶部的结构域与Ras蛋白同源，其红色α螺旋为开关螺旋，在GTP水解后移动，如图3-71所示。（B）结构域1中开关螺旋构象的变化导致结构域2和3作为一个单元向观察者旋转约90°，释放如下图所示的与该结构结合的tRNA：

一个与EF-Tu结合的氨基酰tRNA分子
EF-Tu蛋白的三个区域颜色不同，以匹配上述倒数第二张图。这是一种细菌蛋白质；然而，在真核生物中存在一种非常相似的蛋白质，被称为EF-1。

Ras蛋白在细胞信号传导中具有重要作用。在其GTP结合形式下，它是活跃的，并刺激细胞内的蛋白质磷酸化级联。然而，大多数时候，这种蛋白质是不活跃的，与GDP结合的形式。当它将其GDP交换为GTP分子时，就会对胞外信号（如与质膜受体结合的生长因子）作出反应，变得活跃。

撰写：宋红卫，叶明皓

校对：叶明皓

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