生 物 化 學 【第5版】 CH12 生物訊息

12.4 鳥糞嘌呤核苷醯環化酶之接受器、鳥糞嘌呤核苷 3’,5’-環單磷酸及蛋白質激酶 G 12.1 訊號傳導的分子機制 12.2 G 蛋白-偶合接受器及第二傳訊者 12.3 接受器 Tyr 激酶 12.4 鳥糞嘌呤核苷醯環化酶之接受器、鳥糞嘌呤核苷 3’,5’-環單磷酸及蛋白質激酶 G 12.5 多價之承接蛋白質及膜筏 12.6 閘控型離子通道 p.447

12.7 整合蛋白：雙方向之細胞黏著接受器 12.8 類固醇荷爾蒙所調控的轉錄作用 12.9 植物和微生物的訊息傳遞 12.10 視覺、嗅覺及味覺的感覺傳導 12.11 蛋白激酶對細胞週期的調控 12.12 致癌基因、腫瘤抑制基因和程序性細胞死亡 p.447

12.1 訊號傳導的分子機制 訊號傳導（signal transduction）具有專一性和高度敏 感性。 專一性（specificity）是由訊號和接受器分子（圖 12- 1a）之間，藉由與酵素－受質與抗原－抗體之間相同 的微弱交互作用力（非共價的）進行精確的分子互補 作用來完成的。 p.447

圖 12 - 1 圖12-1　訊號傳導系統的四個特徵。 p.449

接受器與配位基交互作用的協同性（cooperativity） 導致接受器活性在配位基濃度細微變化時有大改變。 有三個因素掌管著這特別敏感的訊號傳導：接受器對 訊號分子的高度親和力、（經常地但非總是）在配位 基與接受器交互作用中的協同性、由酵素串聯引發的 訊號擴增作用。 訊號（配位基）與接受器之間的親和力（affinity）可 以解離常數 Kd 來表示，Kd 通常是10－10 M 或更低， 這意味著接受器可偵測到兆分之一莫耳濃度的訊號分 子。 接受器與配位基交互作用的協同性（cooperativity） 導致接受器活性在配位基濃度細微變化時有大改變。 p.448

酵素串聯（enzyme cascades)的擴增作用(amplification) 是由於當與訊號接受器相結合的酵素被活化時，接著 依次催化了許多第二酵素分子的活性，其中每個酵素 再各別活化許多的第三酵素分子，以此類推(圖 12-1b) 。 接受器系統的敏感性會受到修飾作用的管制。當一個 訊號持續存在時，最終導致接受器系統去敏感化作用 （desensitization）（圖 12-1c）；當刺激強度低於某閾 值時，此系統才會再一次呈現敏感狀態。 訊號傳導系統最後一個值得注意的特點是整合作用（ integration）（圖 12-1d），此系統有能力接收多重的 訊息，並發出統一的回應去配合細胞或生物體所需。 p.448

其中的 Ka 為結合常數，而 Kd 為解離常數。 BOX 12-1 接受器與配位基交互作用的 Scatchrd定量分析 BOX 1-2 FIGURE 1 接受器與配位基的結合可用以下方程式表示 這樣的結合，如同酵素與其受質，都是取決於交互作 用成分的濃度，並且可以平衡常數來表示 其中的 Ka 為結合常數，而 Kd 為解離常數。 p.448

BOX 12-1(續) BOX 1-2 FIGURE 1 未結合位置的數目可以用所有結合位置數目減去已結 合位置數目表示：[R]＝Bmax－[RL]。 方程式則可寫為 為了取得接受器結合態配位基與游離態（未結合）配 位基的比例而加以重排，我們可得到 p.448

BOX 12-1(續) BOX 1-2 FIGURE 1 p.449

表 12 - 1 p.449

訊號傳導的六種類型: 1. G蛋白質-偶合接受器 2. 接受器酪胺酸激酶 3. 接受器鳥糞嘌呤核苷醯基環化酶 4. 閘控型離子通道 5. 附著接受器（整合蛋白） 6. 核膜接受器 p.450

圖 12 - 2 圖12-2　訊號傳導的六種類型。 p.450

總結 12.1 所有細胞都有在演化過程中被保留下來的專一性及高 敏感性的訊號傳導機制。 多樣化的刺激是經由細胞膜表面特定的蛋白質接受器 來執行。 接受器與訊號分子結合，擴增訊號，並與來自其他接 受器輸入的訊號結合後，傳遞到細胞內。若此訊息持 續存在，接受器去敏感化而降低或終止該反應。 多細胞生物具有六種基本類型的訊號傳導機制：透過 G 蛋白執行的細胞膜蛋白；接受器 Tyr 激酶；經由蛋 白激酶執行的接受器鳥糞嘌呤核苷醯環化酶；閘控離 子通道；在細胞外基質與細胞骨架間傳導訊號的附著 接受器；以及經由與類固醇結合改變基因表現的核接 受器。 p.451

12.2 G 蛋白質-偶合接受器及第二傳訊者 G 蛋白質-偶合接受器（G protein-coupled receptors； GPCRs）經三個重要成分傳達訊息傳導，包括： (1) 一個具有七個跨膜螺旋構造的細胞膜接受器 (2) 位於細胞膜之效應酵素並可產生細胞內之第二傳訊 者（secondmessenger） (3) 一種可活化該效應酵素的鳥糞嘌呤核苷酸-結合蛋白 （guanosine nucleotide–binding protein），又稱為 G 蛋白質（G protein）。 p.451

β-腎上腺素接受器系統透過第二傳訊者 cAMP產生作用 腎上腺素接受器（adrenergic receptors；“adrenergic” 也 可以epinephrine 或 adrenaline 代替）擁有 α1、α2、β1 及 β2 這四種一般類型，以它們對促效劑和拮抗劑些微不同的 親和性和反應分類。 促效劑（agonists）是與接受器結合的結構性類似物並 模擬其天然配位基的作用。 拮抗劑（antagonists）則是可結合卻無法促成正常反應 的類似物，因而阻斷促效劑（包括全物性配位基）的作 用。 p.452

圖 12 - 3 圖12-3　腎上腺素及其合成的相似物。由腎上腺分泌的腎上腺素，可調節在肌肉、肝臟及脂肪組織中能量產生的代謝作用，也可以作為在腎上腺素神經元中的神經傳導物質。它對接受器的親和性以接受器-配位基複合體的解離常數呈現。異丙基腎上腺素（isoproterenol）和 β 型交感神經接受器阻斷劑（propranolol）是合成的類似物，前者是對接受器的親和性高過腎上腺素的促效劑，而後者則是具有極端高親和性的拮抗劑。 p.452

β-腎上腺素接受器（β-adrenergic receptors）是一個鑲 嵌蛋白質，具有七個由 20 至 28 個胺基酸所組成的厭 水性區域，使其可「蛇行」往返穿越細胞質膜七次， 因而 GPCRs 又稱為蛇形受體（serpentine receptors）， 或是七螺旋接受器（heptahelical receptors）。 腺嘌呤核苷醯環化酶（adenylyl cyclase）是一種細胞膜 上的鑲嵌蛋白質，其活化的位置在細胞質側，活化酸 的 Gsα 與腺嘌呤核苷醯環化酶結合時可刺激環化酶催 化由 ATP 合成 cAMP 的反應，促進細胞質中[cAMP] 濃度上升。 p.452

圖 12 – 4(a) p.453

圖12-4　腎上腺素訊號的傳遞：β-腎上腺素路徑。(a) 將腎上腺素（E）結合至接受器（Rec）與腺嘌呤核苷醯環化酶（AC）的活化連接起來的機制；這七個步驟會在內文中進一步討論。在細胞質膜中同一個腺嘌呤核苷醯環化酶分子可能是由在此所顯示的刺激性 G 蛋白質（Gs）或是抑制性 G 蛋白（Gi，未顯示）所調節。Gs 和 Gi 受到不同的荷爾蒙所影響。促進 GTP 與 Gi結合的荷爾蒙，會使腺嘌呤核苷醯環化酶的活性受到抑制，導致細胞內 [cAMP] 濃度下降。 p.453

圖 12 – 4(b) 圖12-4　腎上腺素訊號的傳遞：β-腎上腺素路徑。 (b) 催化第 4 與第 7 步驟反應的酵素共同作用下，第二傳訊者腺嘌呤核苷 3’，5’-環單磷酸（cAMP）先形成接著去活化。 p.453

Gsα 是一種 GTP水解酶，會經由將所結合之 GTP 水解 成 GDP 而回復到不活化態（圖 12-5）。 腺嘌呤核苷 3’,5’ 環單磷酸（cAMP）再經異位效應活 化 cAMP-依賴性蛋白激酶（cAMP-dependent protein kinase）又稱蛋白激酶 A（protein kinase A 或是PKA ）。 PKA 之不活化型具有兩個完全相同的催化次單元(C) ，及二個完全相同的調控次單元 (R)（圖 12-6a）。 p.453

BOX 12-2 G 蛋白質：健康與疾病的雙向開關 BOX 1-2 FIGURE 1 p.454

BOX 12-2(續) BOX 1-2 FIGURE 1 p.454

BOX 12-2(續) BOX 1-2 FIGURE 1 p.455

BOX 12-2(續) 圖3　調控 G 蛋白質活性之因子（綠色）。處於非活化態的 G 蛋白質（小 G 蛋白質如 Ras 以及異三聚體 G 蛋白質如 Gs）與上游的 GTP-GDP 交換因子 GEF（紅色，通常是活化之接受器如視紫紅質，β 腎上腺素接受器，及Sos）相互作用後，與 GTP 結合然後活化。此活化態的 G 蛋白質可活化下游之效應酵素（藍色，如 cGMP 磷酸二酯酶、腺嘌呤核苷醯環化酶及 Raf），GTP 水解酶活化蛋白質（於小 G 蛋白質，為 GAPs）及 G 蛋白質傳訊調控因子 （RGSs）（黃色）經由調節 G 蛋白質的 GTP 水解酶活性來決定 G 蛋白質處於活化態的時間長短。 p.455

BOX 12-2(續) BOX 1-2 FIGURE 1 p.457

圖 12 - 5 圖12-5　Gs 的自我去活化作用。這些步驟在本書中有進一步的討論。蛋白質的內部 GTP 水解酶活性，在許多例子中受到 RGS 蛋白質（G 蛋白訊號傳導調節劑）的活化，決定多快可將 GTP 水解成 GDP 因而知道 G 蛋白可以保留活化態多久。 p.456

圖 12 – 6(a) p.457

圖 12 – 6(b) p.457

圖12-6　cAMP-依賴性蛋白質激酶（PKA）之活化。(a)當[cAMP] 濃度低時，兩個結構完全一樣之調控次單元（R；紅色）與兩個結構完全一樣之催化次單元（C；藍色）結合。在此 R2C2 複合物中，R 次單元之抑制序列位於與 C 次單元受質結合裂縫，阻止蛋白受質結合，故此複合體不具催化活性。R 次單元之氮端序列相互作用形成雙體 R2，為激酶附著蛋白（AKAP；綠色）結合位置。當 [cAMP] 濃度為反應荷爾蒙訊號而上升時，每個 R 次單元與兩個 cAMP 分子結合，引起結構之巨大改變，使抑制序列由 C 次單元移開，開啟與受質結合之裂縫，釋出自催化活性之 C 次單元。(b) R2C2複合物部分的結晶構造（PDB ID 1U7E）—一個 C 次單元（藍色）及 R 次單元之部分構造（兩種深淺不同的紅色）。R 次單元之與雙體化有關之氮端，為表示清楚而省掉。C 次單元之小葉含有 ATP 結合結構，而大葉圍繞並定義蛋白受質結合並進行 Ser 及 Thr 之磷酸化的裂縫所在位置。在此不活化型態，R 之抑制序列（鮮紅）占據 C 次單元之受質結合裂縫而使其不活化。 p.457

比較 PKA的一些蛋白質受質序列可得共有序列（ consensus sequence）。 經腺嘌呤核苷醯環化酶傳遞的訊號必須要經由幾個步 驟放大最初的荷爾蒙訊號（圖 12-7）。 p.457

表 12 - 2 p.458

圖 12 – 7 圖12-7　腎上腺素串聯。腎上腺素於肝細胞中誘發一系列反應，在此反應中，經由催化劑活化催化劑使得訊號巨幅放大。少數的腎上腺素分子與細胞表面特定的 β-腎上腺素接受器結合活化腺嘌呤核苷酸環化酶。圖上所示的分子數目僅為闡明放大的情況，這些分子的數目可能被嚴重低估。（因為二分子的腺嘌呤核苷 3’，5’-環單磷酸才能活化一分子的蛋白激酶 A 催化次單元，所以在這個步驟中訊號並未放大。） p.458

一個實用的訊息傳導系統需於荷爾蒙或別的刺激停止 時關閉，且其關掉訊號機轉為所有訊息系統所固有。 導致 β 腎上腺素反應中止之數種機轉 一個實用的訊息傳導系統需於荷爾蒙或別的刺激停止 時關閉，且其關掉訊號機轉為所有訊息系統所固有。 第二個終止回應 β-腎上腺素刺激的方法為經由G 蛋白 質固有之 GTP 水解酶活性把與 Gα 結合之 GTP水解成 GDP。 第三種終結反應之機轉為經環狀核苷酸磷酸二酯酶（ cyclic nucleotide phosphodiesterase）水解 cAMP成 5’- AMP 去除第二傳訊者（second messenger） p.459

β-腎上腺素接受器經由磷酸化以及和抑制蛋白結合進行去敏感化 β-腎上腺素接受器之去敏感化是由磷酸化接受器與 Gs 結合之細胞內區域的蛋白質激酶所主導（圖 12-8）。 β-腎上腺素接受器激酶為（β-adrenergic receptor kinase ） G 蛋白質-偶合接受器激酶（G protein-coupled receptor kinases；GRKs）， p.459

圖 12 – 8 圖12-8 β-腎上腺素接受器在腎上腺素持續存在下的去敏感化作用。這過程受到兩個蛋白質所調控：β-腎上腺素蛋白質激酶（βARK）和 β-抑制蛋白（βarr；抑制素 2）。 p.459

腎上腺素僅僅是許多能改變細胞內 [cAMP] 濃度繼而改 變 PKA 活性的荷爾蒙、生長因子及調控分子之一員（表 12-3）。 在許多種細胞中，PKA 的催化次單元也可進入細胞核 中，並在細胞核中磷酸化腺嘌呤核苷 3’,5’ 環單磷酸反應 序列結合蛋白質（cAMP response elemet binding protein； CREB），因而改變受到腺嘌呤核苷 3’,5’ 環單磷酸（ cAMP）所調控的特定基因表現。 p.460

表 12 - 3 p.460

第四個因素是，傳訊過程被承接蛋白質（adaptor proteins）限制在細胞的特定區域—結合其他一起作用 蛋白的非催化性蛋白。 有些荷爾蒙藉由抑制腺嘌呤核苷醯環化酶因而降低 [cAMP] 的濃度且抑制蛋白質磷酸化而發生作用。例如 ：生長激素釋放抑制因子（somatostatin）與接受器結 合導致抑制性 G 蛋白質（inhibitory G protein；Gi）活 化。 第四個因素是，傳訊過程被承接蛋白質（adaptor proteins）限制在細胞的特定區域—結合其他一起作用 蛋白的非催化性蛋白。 p.460

圖 12 – 9 p.461

圖12-9　經由 A 激酶錨定蛋白（AKAPs）之超分子複合體的聚集。 許多種類的AKAPs（綠色）扮演著多價數鷹架的角色，透過 AKAP 與 PKA 調控次單元（紅色）的相互作用將 PKA 的催化次單元（藍色）限定在細胞的特定區域或胞器附近。AKAP79 位於細胞膜的細胞質側，能同時與 PKA與腺嘌呤核苷醯環化酶結合。腺嘌呤核苷醯環化酶所生成的 cAMP 能迅速到達鄰近的 PKA，且濃度幾乎沒有稀釋。AKAP79 亦能與 PKA、PKA 的作用標的蛋白（一種離子通道）以及能移除標的蛋白的磷酸之磷蛋白磷酸酶結合（未在此圖呈現）。AKAP250，或稱為 gravin，不僅將 PKA 限定在細胞膜上，同時能與 cAMP 磷酸二酯酶（PDE）結合，其能將 cAMP 轉變成 AMP 因而使 PKA 的訊號中止。在這兩個例子中，AKAP 在局部區域提高酵素與第二傳訊因子的濃度，使得訊號傳導的迴路保持高度區域化。 p.461

二醯甘油、肌醇三磷酸及鈣離子具有相關的第二傳訊者作用 第二類的 GPCRs 可藉由 G 蛋白質偶合至細胞膜之磷脂 酶 C（phospholipase C；PLC）。二醯甘油（ diacylglycerol）及肌醇 1,4,5 三磷酸（inositol 1,4,5-trisphosphate）或 IP3。 Ca2+ 濃度上升的其中一個作用是活化蛋白質激酶 C（ protein kinase C；PKC）。 p.461

表 12 - 4 p.461

圖 12 – 10 圖12-10　荷爾蒙活化磷脂酶 C 和 IP3。兩個細胞內第二傳訊者在對荷爾蒙敏感的磷脂醯肌醇系統中產生：肌醇 1,4,5-三磷酸（IP3）和二醯甘油。這兩者對蛋白質激酶 C 的活化都有貢獻。透過提升細胞質中的 [Ca2+ ]，IP3也會活化其他 Ca22+ -依賴型酵素；如此使得Ca22+ 也可作為第二傳訊者。 p.462

BOX 12-3 FRET：在活細胞中看生物化學反應 BOX 1-2 FIGURE 1 p.463

BOX 12-3(續) BOX 1-2 FIGURE 1 p.463

BOX 12-3(續) BOX 1-2 FIGURE 1 p.464

BOX 12-3(續) BOX 1-2 FIGURE 1 p.465

鈣離子為第二傳訊者，其分布可能限定於特定的空間與時間 於未刺激細胞其細胞質中 [Ca2+ ] 濃度經由內質網、粒 線體及細胞膜上之 Ca2+ 幫浦維持在極低的濃度（10－7 M 以下）。 細胞內 [Ca2+ ] 之變化可由 Ca2+ 結合蛋白偵測，其可 調控許多 Ca2+ 依賴酵素。 調鈣素會與多種蛋白質聯合在一起，在 Ca2+ 結合狀況 下會調節這些蛋白的活性。 p.466

其他許多酵素已知經由調鈣素受到 Ca2+ 的調控（表 12-5）。 調鈣素為 Ca 2+ 離子/ 調鈣素- 依賴蛋白激酶（Ca2+ /calmodulin-dependent protein kinases；CaM 激酶，第 I 型至第 IV 型）之必要的次單元。 其他許多酵素已知經由調鈣素受到 Ca2+ 的調控（表 12-5）。 通常 Ca2+ 濃度不會簡單的上升後下降，而是會在一段 數秒的時間中擺動變化（圖 12-12），甚至在細胞外誘 發反應的荷爾蒙濃度保持不變下也可觀察到相同的情 況。 p.466

圖 12 – 11 p.466

圖12-11 調鈣素。這是許多受 Ca2+ 刺激的酵素反應的調節蛋白。調鈣素有四個高親和性的 Ca2+ 結合部位（Kd 約 0 圖12-11　調鈣素。這是許多受 Ca2+ 刺激的酵素反應的調節蛋白。調鈣素有四個高親和性的 Ca2+ 結合部位（Kd 約 0.1 至 1μM）。(a) 調鈣素晶體結構的彩帶模型（PDB ID 1CLL）。四個 Ca2+ 結合部位被 Ca2+ 占據（紫色）。蛋白質的氮端在左側，碳端在右側。(b) 調鈣素與它調控的多種酵素其中一種，調鈣素依賴性蛋白質激酶 II（PDB ID 1CDL）的螺旋區域（紅色）結合。可察覺到在 (a) 中所見的長型中心 α 螺旋已彎折與螺旋狀受質區域結合。與晶體相較，中間的螺旋在水溶液中明顯地更具有彈性。(c) 四個 Ca2+ 結合位置的每一個位於稱為 EF 手的螺旋-環-螺旋模體中，許多其他 Ca2+ 結合蛋白質中也具有 EF 手。 p.466

表 12 - 5 p.467

圖 12 – 12(a) 圖12-12　細胞外訊號引發細胞內 [Ca2+] 擺動。(a) 染劑 (fura)， 可擴散進入細胞，當其與 Ca2+ 結合時會進行螢光變化，其瞬間的光輸出可以螢光顯微鏡偵測。螢光強度以顏色呈現；色彩標尺將 [Ca2+] 濃度與色彩強弱建立連結，因而可測量 [Ca2+] 的絕對濃度。在這個例子中，胸腺細胞被細胞外的 ATP 刺激，ATP 可提高其內部的 [Ca2+]。這些細胞的反應十分不一致；有些具有高的細胞內高 [Ca2+]（紅色），有些則非常低（藍色）。 p.467

圖 12 – 12(b) 圖12-12　細胞外訊號引發細胞內 [Ca2+] 擺動。(b)當使用這樣的探針來偵測單一肝細胞的 [Ca2+] 時，我們觀察到正腎上腺素這種促效劑（在箭頭處加入）可使 [Ca2+] 在 200 到 500 nM 之間的波動。相似的變動也可在不同的細胞類型化其他細胞外訊號所引發。 p.467

總結 12.2 G 蛋白質-偶合接受器（GPCRs）經異三聚體 G 蛋白質 作用。在配位基結合後，GPCRs 催化 G 蛋白質上 GTP 與 GDP 之交換，引起 Gα 次單元之解離，該 Gα 可刺激 或抑制效應酵素的活性，因而改變附第二傳訊者的產 量。 β 腎上腺接受器活化刺激性 G 蛋白質，Gs 因而活化腺 嘌呤核苷醯環化酶，且提升第二傳訊者 cAMP 濃度。 cAMP 可刺激 cAMP-依賴性蛋白激酶並磷酸化主要標 的酵素，改變它們的活性。 p.467

總結 12.2(續) 酵素串聯為單一荷爾蒙分子活化一個催化劑，使其活 化另一個催化劑，以此類推，引起大規模訊號增幅。 此現象是荷爾蒙接受器系統之特點。 cAMP 濃度最終經 cAMP 磷酸二酯酶的作用而減少， 而作為自我限制雙重開關的 Gs 經由將其結合之 GTP水 解成 GDP，而將自己的活性開關。 當腎上腺素信號持續存在時，β-腎上腺素接受器-特異 性蛋白質激酶及 β-抑制蛋白使接受器暫時性去敏感化 ，並使它移進細胞內小泡中。 p.468

總結 12.2(續) 一些接受器可經 Gs 刺激腺嘌呤核苷醯環化酶，其他則 經 Gi 抑制其活性，故細胞之 [cAMP] 濃度反應出兩種 （或多種）訊號輸入的整合結果。 非催化性承接蛋白如 AKAPs 把一些參與訊號傳遞過程 之蛋白質連結在一起，增加它們之間相互作用之效率， 且在某些例子中將傳遞過程限定在特定的次細胞區域。 有些 GPCRs 經細胞膜之磷脂酶 C，把 PIP2 水解成二醯 甘油及 IP3。IP3 可使內質網之 [Ca2+] 通道打開，增加細 胞液之 Ca2+濃度。二醯甘油及 Ca2+共同作用活化蛋白質 激酶 C，它可磷酸化特定細胞蛋白質而改變其活性。細 胞 [Ca2+] 濃度也調控（通常經調鈣素）許多其他參與分 泌、細胞骨架之重組或收縮的酵素與蛋白質。 p.468

圖 12 – 13(a) 圖12-13　[Ca2+ ] 鈣離子濃度短暫且高度局部化的上升。(a)內質網的 IP3-閘控型 Ca2+ 通道是群聚在一起的，且每個離子通道皆能獨立地對 IP3 的訊號做出回應。一個相對弱的刺激使 [IP3] 的濃度小幅度上升，可能僅引發單一通道短暫地開啟，導致 [Ca2+ ] 的濃度如「光點」般高度局部化且短暫地一閃即逝。 p.468

圖 12 – 13(b) 圖12-13　[Ca2+ ] 鈣離子濃度短暫且高度局部化的上升。 (b) 若刺激再增強一點使 [IP3] 的濃度上升幅度較多時，可能使群聚在一起的 Ca2+ 通道皆開啟，導致 Ca2+ 如「一陣煙」一般，其 [Ca2+ ] 濃度增加的量持續的時間與影響的區域（體積）都比光點還要大。 p.468

圖 12 – 13(c) 圖12-13　[Ca2+ ] 鈣離子濃度短暫且高度局部化的上升。 (c) 當一個足夠大的陣煙引起 [Ca2+] 的濃度攀升涵蓋的範圍足夠擴增到鄰近的 Ca2+ 通道群聚。鄰近 [Ca2+] 通道群聚開啟傳播相同的效應，導致上升的 Ca2+ 濃度像波浪一般沿著內質網移動。 p.468

12.3 接受器 Tyr 激酶 接受器 Tyr 激酶（receptor tyrosine kinases； RTKs）是一個本身具有蛋白激酶活性的龐大細胞膜接 受器家族，它們經由 GPCRs 訊號傳導在本質上完全 不同的機制來傳導細胞外訊號。 胰島素接受器受到刺激可引起一連串之蛋白質磷酸化反 應 胰島素可調控代謝酵素及基因表現。 胰島素不能進入細胞，但胰島素可由細胞膜接受器發 起訊號經分枝路徑傳至細胞質內的胰島素-敏感酵素 及細胞核（可刺激特定基因的轉錄）。 p.468

自身磷酸化（autophosphorylation）可開啟活性部 位，因此酵素可磷酸化其他標的蛋白質之 Tyr 殘基 。 INS-R 蛋白質激酶之活化機轉與 PKA 或PKC 類似， 在細胞質區域有一個原本會擋住活化位置的區域（一 段自我抑制序列）在磷酸化後移出活化位置，開啟活 化位置讓標的蛋白質結合（圖 12-14）。 INS-R（圖 12-15，步驟①）之標的蛋白質其中之一 為胰島素接受器基質-1（IRS-1，步驟②）。 p.469

圖 12 – 14 p.469

圖12-14　胰島素接受器 Tyr 激酶經由自身磷酸化而活化。(a) 胰島素接受器的胰島素結合的位置是位於細胞外，其由(b) 兩個 α 次單元與兩個 β 次單元的細胞外部分所組成，其纏結形成胰島素結合位置（粉紅色；以晶體結構的表面輪廓模型顯示，源自 PDB ID 2DTG）。（穿膜功能域的結構尚未經晶體學分析。）胰島素（紅色；PDB ID 2CEU）之結合是透過每一個 β 次單元的單一穿膜螺旋來傳導至細胞內成對的 Tyr 激酶區域，使它們互相磷酸化 3 個 Tyr 殘基而活化。(c) 在非活化態的 Tyr 激酶區域（PDB ID 1IRK），其活化位置是被活化環（藍色）所占據，而所有重要的 Tyr 殘基（黑色與紅色球棒結構）都未被磷酸化。這樣的結構型態仰賴Tyr 1162 與 Asp1132 之間形成的氫鍵來穩固。(d) Tyr 激酶的活化使得每一個 β 次單元將另一個 β 次單元上的三個 Tyr 殘基進行磷酸化（Tyr1158，Tyr1162，Tyr1163），如圖所示（PDB ID 1IR3）。（磷醯基是以橘色圓形磷原子與紅色球棒氧原子表示。）三個攜帶高電荷的磷酸化 -Tyr的引入迫使活化環產生 30 Å 的位移，離開受質結合位置，空出受質結合位置讓標的蛋白（在此紅色箭號顯示）能結合其上且被磷酸化。 p.469

蛋白質 Raf-1、MEK 及 ERK 為三大家族之成員，其 中一些命名已被使用。ERK 為 MAPK 家族的成員〔 分裂素-活化蛋白質激酶（mitogen-activatedprotein kinases），分裂素為誘導細胞有絲分裂與細胞分裂的 細胞外訊號〕。 MAPK 串聯（MAPK cascades，圖 12-15）媒介著多 種生長因子所引發的訊號傳導，例如：血小板衍生生 長因子（PDGF）與表皮生長因子（EGF）。 p.470

圖 12 – 15 p.471

圖12-15　胰島素透過 MAP 激酶串聯調控基因表現。胰島素接受器由二 個位於細胞膜外側的 α 次單元及二個穿膜突出細胞質側的 β 次單元所組 成。胰島素結合到 α 次單元上引發構象改變，使 β 次單元碳端區的 Tyr 殘基得以自身磷酸化。自身磷酸化會進一步活化 Tyr 激酶區域，並催化磷酸化其他的標的蛋白質。胰島素調控特定基因表現的訊號傳導路徑由一個激酶活化下一個激酶的蛋白質激酶串聯組成。胰島素接受器是一個具 Tyr 專一性的激酶；而其他的激酶（全部以藍色表示）可磷酸化 Ser 或 Thr 殘基。MEK 是一種雙重專一性激酶，其可磷酸化 ERK（細胞外調控型激酶）上的 Thr 及 Tyr 殘基；MEK 是經分裂素活化而活化 ERK 的激酶；SRF 為血清反應因子。 p.471

細胞膜磷脂 PIP3 在胰島素訊號傳導分支途徑的作用 胰島素訊號傳導至 IRS-1 後形成分支途徑（圖12-15， 步驟②）。Grb2 不是唯一會和磷酸化的 IRS-1 結合的 蛋白質。磷酸肌醇 3-激酶（PI-3K）這個酵素會經由其 SH2 區域與 IRS-1 結合（圖 12-16）。 因此活化的 PI-3K 將細胞膜脂質磷脂醯肌醇 4,5-二磷 酸（PIP2；見圖 10-16）轉變為磷脂醯肌醇 3,4,5-三磷 酸（PIP3）。 p.470

圖 12 – 16 圖12-16　胰島素活化肝醣合成酶。此訊號經由PI-3 激酶（PI-3K）及蛋 白質激酶 B（PKB）傳送。 p.472

胰島素接受器是一群具有相似結構及接受器 Tyr激酶（receptor tyr kinase）（圖 12-17）活性之接受器酵素的原型。 正規的 CB1 接受器配位基是 endocannabinoids（如花生四烯醯乙醇醯胺；anandamide），用來保護腦部不受到過多神經元活性所引起的毒性，例如：癲癇症發作。 胰島素接受器是一群具有相似結構及接受器 Tyr激酶（receptor tyr kinase）（圖 12-17）活性之接受器酵素的原型。 p.471

圖 12 – 17 圖12-17　接受器 Tyr 激酶。經由 Tyr 激酶活性傳導訊號的生長因子接受器包含胰島素（INS-R）、血管表皮生長因子（VEGF-R）、血小板衍生生長因子（PDGF-R）、表皮生長因子（EGF-R）、神經生長因子NGF-R）以及纖維母細胞生長因子（FGF-R）的接受器。這些接受器在細胞膜的細胞質側都具有一個 Tyr 激酶的區域（藍色）。每個接受器在細胞外的區域則是獨一無二的，反應不同生長因子的特異性。這些細胞外區域典型地是由一些特定結構模體組成，例如：富含半胱胺酸或白胱胺酸的序列片段與包含一個或多個免疫球蛋白常見的結構模體（類免疫球蛋白區域，參見第 4 章）片段。許多其他屬於這種類型接受器被編碼於人類基因體，每一個都具有不同的細胞外區域。 p.472

JAK-STAT 的訊號傳導系統亦涵蓋 Tyr 激酶活性 此系統的發育訊號與細胞介素（cytokine）是紅血球生 成素（EPO），EPO 是在腎臟生成的 165 個胺基酸的 蛋白質。 當 EPO 與它的細胞膜接受器結合時（圖 12-18），接 受器形成二聚體，並且能夠與可溶性蛋白質激酶 JAK （Janus kinase）結合。 p.473

圖 12 – 18 p.473

圖12-18　紅血球生成素接受器的 JAK-STAT 傳導機制。紅血球生成素（EPO）的結合使 EPO 接受器形成二聚體，使可溶性 Tyr 激酶 JAK 結合到接受器的胞內區域，並在其上多個 Tyr 殘基進行磷酸化。(a) 在單一訊息傳導路徑 STAT 蛋白質中的 STAT5 含有一個 SH2 區域，可結合到接受器的磷酸化 Tyr 殘基上，將 STAT5 攜帶至 JAK 附近。JAK 磷酸化STAT5 之後，兩個 STAT5 分子可形成二聚體，每個 STAT 分子可以與另一個的 -Tyr 殘基結合。STAT5 的二聚體化暴露出可將 STAT5 移入細胞核中的細胞核定位序列（NLS）。在細胞核中，STAT5 啟動受 EPO 控制的基因表現。(b) 在第二個傳訊途徑中，EPO 結合與 JAK 自身磷酸化後，承接蛋白質 Grb2 結合 JAK 上的 -Tyr 並引發 MAPK 串聯，如胰島素系統一般（見圖 12-15）。 p.473

訊號系統間的交互溝通是普遍和複雜的 胰島素接受器激酶直接磷酸化 β2-腎上腺素接受器細胞質的末端的兩個 Tyr 殘基（圖 12-19），而且胰島素活化的 PKB 也將同區域內的兩個 Ser 殘基磷酸化。當這四個位置的殘基都磷酸化時，會引發 β2-腎上腺素接受器內吞到細胞內，使其無法再進行作用，並使細胞對腎上腺素的敏感性降低。 p.474

圖 12 – 19 p.474

圖12-19　胰島素接受器與 β-腎上腺素接受器間（或是其他G 蛋白質-偶合接受器）的交互溝通。當胰島素接受器被胰島素結合活化時, 其 Tyr 激酶直接會將 β2-腎上腺素接受器（右側）靠近其碳端的二個 Tyr 殘基（Tyr350 與 Tyr364）磷酸化，且間接〔透過蛋白質激酶 B（PKB）之活化，見圖 12-16〕導致位於同一區域內的兩個 Ser 殘基磷酸化。這些磷酸化使得腎上腺素接受器被內吞，降低對腎上腺素刺激的反應。另一種可能（左側），胰島素接受器催化磷酸化 G 蛋白質-偶合接受器（一個腎上腺素的或其他的接受器），碳端的 Tyr 殘基，創造了活化 MAPK 串聯（參閱圖 12-15）的成核點，並以 Grb2 作為承接蛋白。在此例中，胰島素接受器利用 G 蛋白質-偶合接受器來增強其本身的訊號。 p.474

總結 12.3 胰島素接受器是具有 Tyr 激酶活性的接受器酵素的原 型。當與胰島素結合時，胰島素接受器的每個 αβ 單元 磷酸化其同伴的 β 次單元，因而活化接受器的 Tyr 激 酶的活性。此激酶催化位於另一個蛋白質（如 IRS-1） 上的 Tyr 殘基磷酸化。 IRS-1 的磷酸化 Tyr 殘基作為具有 SH2 區域之蛋白質 的結合位置。這類蛋白質有些會有兩個或者更多的蛋 白質結合區域（如 Grb2），可作為將二個蛋白質間距 離拉近的承接蛋白。 p.474

總結 12.3(續) Sos 和 Grb2 結合後催化 Ras（一種小 G 蛋白質）上面 的 5’-鳥糞嘌呤核苷二磷酸（GDP）與 5’-鳥糞嘌呤核苷 三磷酸（GTP）互換，進而活化 MAPK 串聯，最終磷 酸化細胞質和細胞核中的標的蛋白。其結果為特定的 代謝變化及改變基因表現。 PI-3K 酵素透過和胰島素接受器-1（IRS-1）交互作用 而活化，將細胞膜脂質上的磷脂醯肌醇 4,5二磷酸（ PIP2）轉換成為磷脂醯肌醇 3,4,5三磷酸（PIP3），使 其成為參與胰島素訊號中第二及第三分支的蛋白之成 核作用點。 p.474

總結 12.3(續) 在 JAK-STAT 的訊號系統中，一個可溶性的 Tyr 激酶 （JAK）蛋白與其接受器聯繫而活化，然後將轉錄因 STAT 磷酸化，進入核中並改變一組基因的表現。 訊號傳導路徑間存在廣泛的相互連繫，使得多種荷爾 蒙的影響可以整合和微調。 p.475