蛋白质的降解

1、第六章 蛋白质的降解及其生物学意义 第一节 蛋白质降解的概述 第二节 参与蛋白质降解的酶类 第三节 蛋白酶体-泛素系统及其功能 第四节 蛋白质降解的生物学意义蛋白质降解是生命的重要过程 维持细胞的稳态。 清除因突变、热或氧化胁迫造成的错误折叠的蛋白质，防止形成细胞内凝集。 及时终止不同生命时期调节蛋白的生物活性。 蛋白质的过度降解也是有害的，蛋白质的降解必须受到空间和时间上蛋白质降解的体系 蛋白质消化分解为被机体吸收的营养物质。 研究蛋白质结构时，用蛋白酶降解肽链。 蛋白质新生肽链生物合成以及新生肽链折叠的过程中，质量的控制都与“次品”的降解有关。 蛋白质在行使功能时，很多调节控制都与肽键的断

2、裂有关，如前肽的切除、无活性的前体蛋白质的激活等。第一节 蛋白质降解的概述蛋白质的寿命 细胞内绝大多数蛋白质的降解是服从一级反应动力学。半衰期介于几十秒到百余天，大多数是7080d。 哺乳动物细胞内各种蛋白质的平均周转率为1 2d。代谢过程中的关键酶以及处于分支点的酶寿命仅几分钟，有利于体内稳态在情况改变后快速建立。 大鼠肝脏的鸟氨酸脱羧酶半衰期仅11min，是大鼠肝脏中降解最快的蛋白质。 肌肉肌动蛋白和肌球蛋白的寿命约l2w。 血红蛋白的寿命超过一个月。 蛋白质的半衰期并不恒定，与细胞的生理状态密切相关。 蛋白质寿命的N端规则 N端规则：细胞质中蛋白质的寿命与肽链的N端氨基酸残基的性质有一定

3、的关系。 N端的氨基酸残基为D、R、L、K和F的蛋白质，其半衰期只有23min。 N端的氨基酸残基为A、G、M和V的蛋白质，它们在原核细胞中的半衰期可超过10h，而在真核细胞中甚至可超过20h。 酿酒酵母蛋白质代谢特点 酿酒酵母中不稳定蛋白的N端氨基酸残基有12个： Asn（B）、Asp（D）、Glu（E）、Phe（F）、His（H）、Ile（I）、Leu（L）、Lys（K）、Arg（R）、Trp（W）、Tyr（Y）和Gln（Z）。 酵母中存在切除N端甲硫氨酸的氨肽酶，它作用的蛋白质底物的N端第二个氨基酸一定是N端规则中的氨基酸残基。 PEST假设 PEST（Pro-Glu-Ser-Thr）假

4、设：认为含有序列为PEST肽段的蛋白质，在细胞质中很快被降解，在这个亲水的区域附近常有碱性残基。 PEST肽段的缺失，可以延长此突变蛋白质的寿命。 在22个快速降解的蛋白质中有20个是含有PEST序列。 在35个慢速降解的蛋白质中有32个不含PEST序列。分泌到细胞外蛋白质的寿命 分泌到细胞外的蛋白质，它们的寿命都比较长，如胶原蛋白、眼睛中的晶体蛋白。 这些蛋白质不进行代谢，它们的变化具有累积效应，超过一定限度就产生疾病。 晶体蛋白中赖氨酸残基的侧链氨基和肽链N端氨基都有可能被葡萄糖修饰，发生非酶促的糖化，严重时会导致白内障。 糖尿病患者因为长期血糖升高，晶体蛋白的糖化进程加快，未老年化的糖尿

5、病患者患有白内障，这是糖尿病并发症。影响复合蛋白质寿命的其他组分 外周血液中多数糖蛋白的糖链是以唾液酸为非还原端的糖残基，在血液循环中的半衰期较长。 糖蛋白的糖链最外侧唾液酸被去除或丢失，暴露出次末端的半乳糖，半衰期明显降低，被肝脏快速清除。肝脏实质细胞表面存在识别并专一结合半乳糖的去唾液酸糖蛋白受体。 将次末端的半乳糖切除，相应糖蛋白在哺乳动物血液中的半衰期又恢复到原有的水平。糖链结构与细胞寿命 糖蛋白中糖链的结构不仅与糖蛋白的寿命，而且与一些细胞的寿命有关。 红细胞表面存在多种糖蛋白，这些糖蛋白的唾液酸被除去后，被肝脏实质细胞清除，同时也将红细胞从循环的血液中清除。 糖蛋白和红细胞上的唾液

6、酸可作为其“年龄”指标，带有唾液酸的糖蛋白和红细胞则是“年轻”的分子和细胞，一旦丢失了唾液酸，则糖蛋白和红细胞进人“老年”期，应该被代谢。 蛋白质降解的场所 溶酶体 细胞质中的蛋白酶和其他体系 其他细胞器中蛋白质的降解蛋白质降解的场所 细胞外主要是消化道，许多体液中也有蛋白酶，但是多数是起调节作用的限制性肽酶。 细胞内蛋白质彻底降解的场所：溶酶体、线粒体和细胞质（蛋白酶体、依赖ATP的蛋白酶和依赖钙离子而不依赖ATP的蛋白酶）。 消化道和溶酶体中存在着多种不同专一性的肽酶，而蛋白酶体则是相对的比较专一的蛋白质降解场所。 溶酶体是蛋白质降解的重要场所 细胞外的蛋白质（如血浆蛋白质、蛋白质类激素以

7、及细胞质膜上的受体蛋白质），几乎都是通过胞吞方式进入溶酶体，在溶酶体中彻底降解。 细胞内蛋白质进入溶酶体有非选择性和选择性两种不同的方式。非选择性方式 自体吞噬（autophagy）：细胞质中的一些组分，包括线粒体和内质网等细胞器，在一定条件下被膜结构包裹形成自噬小体并与溶酶体融合后，内容物在溶酶体中降解。 胰岛素缺乏和必需氨基酸不足时，自噬小体的生成速度明显加快。 分泌自噬（crinophagy）：具有分泌能力的细胞（如胰岛细胞和甲状腺细胞等）形成的部分过剩分泌颗粒与溶酶体融合，内容物被降解。选择性方式 细胞内蛋白质选择性进入溶酶体的过程则是由氨基酸残基序列KFERQ（Lys-Phe-Glu

8、-Arg-Gln）介导，如核糖核酸酶A中具有这样的序列。 在营养充足的细胞中，这条途径关闭，仅利用非选择性的蛋白质降解途径。 溶酶体储积病 溶酶体储积病（lysosomal storage disease）：溶酶体是细胞内的酶囊，溶酶体蛋白的缺陷抑制溶酶体的正常降解功能，引起有害生物分子的积累，导致40多种生理紊乱和疾病症状。 已确定病因的溶酶体储积病有： Hurler综合症：降解黏多糖的-L-艾杜糖苷酸酶缺乏病。 Gauchers疾病：降解糖脂的-葡萄糖脑苷脂本科的缺乏病。 Fabry疾病：降解糖脂的-半乳糖苷酶缺乏病。 Pompe疾病：分解肝糖原的-葡萄糖苷酶缺乏病。 Tay-Sachs疾

9、病：-氨基己糖苷酶的一个亚基的突变，导致神经细胞内的GM2神经节苷脂的积累。 细胞质中的蛋白酶或蛋白酶体系 蛋白酶体和依赖于ATP的蛋白酶 依赖于钙离子的蛋白酶 三边帽蛋白酶（tricorn）泛蛋白-蛋白酶体途径 真核细胞内的蛋白质是通过泛素-蛋白酶体途径降解。 负责异常蛋白质和短寿命活性蛋白质的降解 在肌纤维样蛋白质的降解中起到特殊的作用 参与细胞内大量的长寿命的蛋白质的缓慢周转 蛋白酶体体系除了需要泛素的参与外，还依赖于ATP的存在。蛋白酶体的特性 蛋白酶体是分子质量很大的复合体，约400700kD，这类蛋白酶也可归属于热休克蛋白质的范畴，当温度升高或细胞内有异常蛋白质堆积时，它们以高速度

10、表达。 重要特征：具有分子伴侣的功能和ATP酶的活性，通过ATP的降解，提供使蛋白质去折叠所需的能量。依赖于钙离子的蛋白酶 细胞质中依赖于钙离子的蛋白质降解是由需钙蛋白酶（calpain）承担。 需钙蛋白酶底物的特征：一是它们能与钙调蛋白结合；二是富含PEST残基的区域。 需钙蛋白酶抑制蛋白（calpistatin）：细胞质中存在需钙蛋白酶的蛋白质类型抑制剂，可以同时结合和抑制细胞质中的4种需钙蛋白酶。三边帽蛋白酶 三边帽蛋白酶（tricorn）：这类细胞质蛋白酶的分子质量非常大，约720kD，是一个多亚基的聚合物。 酶特性：具有内肽酶活性，而对寡肽的活性更高。 这类酶最初发现于古细菌和某些细

11、菌中。高等生物的细胞质和溶酶体中除了存在二肽酶和三肽酶，也发现具有三边帽蛋白酶的结构域。细胞器中蛋白质的降解 细胞器中的蛋白酶 无蛋白酶细胞器中蛋白质的降解 细胞器中的蛋白酶 线粒体基质存在着几种依赖ATP的蛋白酶，如PIN1是酵母成活和线粒体生物发生所必需的蛋白质；线粒体内膜上另有两种蛋白酶。 叶绿体中存在依赖ATP的蛋白酶，其作用是维持细胞器蛋白质平衡，降解一些被氧自由基破坏的蛋白质以及没有参与组装的游离蛋白质亚基，这些蛋白质过多累积对细胞器产生毒性。 线粒体和叶绿体中存在着一些基质金属蛋白酶，切除来自细胞质的新生肽链中的前肽。 无蛋白酶细胞器中蛋白质的降解 一些细胞器不存在蛋白酶，如内质

12、网。这类细胞器蛋白通过逆向转运途径进入细胞质降解。 内质网中折叠异常带有糖链的蛋白质通过内质网相关降解（ERAD）途径返回细胞质，经泛蛋白修饰标记，切除糖链后在蛋白酶体中降解。内质网腔内侧的甘露糖苷酶、内质网降解增强有关的甘露糖苷酶样蛋白质（EDEM）与ERAD密切有关。 内质网中新生肽链的命运 正确折叠进入高尔基体。 折叠发生严重错误的肽链，无法进入高尔基体，被遣送回细胞质并降解。 有些肽链折叠虽有轻微错误，或者单条肽链是正确折叠，进行不完全组装形成非天然复合物，也能进入高尔基体，但最终被转运到溶酶体和液泡中降解。 蛋白质降解的重要性 食物蛋白质的消化是营养的来源 蛋白质的新陈代谢 蛋白质生

13、物合成和加工过程中“次品”的处理 作为功能调节的蛋白质限制性降解 第二节 参与蛋白质降解的酶类线虫中的蛋白酶 在线虫基因组测序完成后，经分析推测该基因组中的蛋白酶基因总数约547个： 编码胰蛋白酶家族和胰凝乳蛋白酶家族成员的基因分别为199和178个 胃蛋白酶家族13个 羧肽酶A、B家族分别为28个和38个 抑丝酶家族35个 泛蛋白偶联酶家族34个 蛋白酶体有关蛋白质22个常见分类方法 以酶的活性部位和催化机制分类：是最普通的分类方法，由酶学命名委员会推荐。 外肽酶：3411至3419都是不同类型的外肽酶。 羧肽酶：因活性中心的组成不同分为3416丝氨酸类的羧肽酶、3417金属羧肽酶和3418

14、半胱氨酸类羧肽酶。 内肽酶：3421至3424分别是丝氨酸内肽酶、半胱氨酸内肽酶、天冬氨酸内肽酶和金属内肽酶，以及3499未知类型的内肽酶。 以结构为基础的分类： 第一层次：按酶学命名委员会的原则分类。 第二层次：以结构为基础分类，而结构同源性与活性中心有关，分为三大类；每类分为若干个宗族（clan），每个宗族又有许多家族。 第一大类：以S、T和C为活性中心的肽酶，结构相似，催化机制与蛋白质的亲核攻击有关。 第二大类：以D为活性中心的肽酶，催化机制与水的亲核作用有关。 第三大类：金属肽酶是另一种水亲核反应。 第三层次：个别的肽酶。组织蛋白酶 组织蛋白酶（cathepsin）：溶酶体中的蛋白酶，

15、研究得较多的是溶酶体水解酶。 根据经典的分类方法，组织蛋白酶可分为两类： 巯基蛋白酶家族：包括组织蛋白酶B、H、L和S等； 酸性蛋白酶类：包括组织蛋白酶D和E等。它们是最适pH偏酸性的蛋白酶，溶酶体中pH约。巯基型组织蛋白酶家族 溶酶体的巯基型组织蛋白酶属于木瓜蛋白酶家族，氨基酸残基序列高度同源。 种类：内肽酶（组织蛋白酶L、S），外肽酶（组织蛋白酶H是氨肽酶，组织蛋白酶B是二肽羧肽酶）；新发现酶（组织蛋白酶K、C、W和Z）。 分布：组织蛋白酶B、H和L广泛地存在于各种组织中，组织蛋白酶S仅存在于与类MHC有关的抗原提呈细胞。巯基型组织蛋白酶性质 分子质量与组成：约2435kD，仅组织蛋白酶C

16、是分子质量为200kD的四聚体。组织蛋白酶B、H和L可以是单一肽链的蛋白质，也可以是2条肽链形式的蛋白质，因不同物种而异。 立体结构：类似的氨基酸序列和立体结构，负责整体结构的稳定性和内肽酶活性。组织蛋白酶前体的激活 糖基化前体经限制性蛋白酶酶解或自身催化作用，转化成为有活性的蛋白酶；2个结构域中间沟漕中的C（木瓜蛋白酶中的第25位）和H（木瓜蛋白酶中的第159位）形成催化活性中心。 信号肽比较长，位于肽链N末端。组织蛋白酶B和L前体的信号肽是成熟酶的强烈抑制剂，其中L的信号肽由41个氨基酸残基组成，在酶原肽链的正确折叠中起到重要作用，即自身分子伴侣。 原肽具有自身折叠过程。酸性组织蛋白酶 组

17、织蛋白酶D和E属于胃蛋白酶家族。 组织蛋白酶D广泛存在于不同组织中，不同组织的表达量有所差异；它多数以可溶性形式存在于溶酶体中，仅20是膜结合形式。 组织蛋白酶E的分布比较窄，仅存在于淋巴样组织、胃肠道、血液细胞，通常不出现在溶酶体中。组织蛋白酶D和E的特点 组织蛋白酶D和E的结构不同，但都有前体。 组织蛋白酶D前体在内质网中的分子量约53kD，进入高尔基体为44kD，在溶酶体中经激活成为由2条肽链（31kD和15kD）组成的糖蛋白；其糖链上的甘露糖-6-磷酸为分拣信号，其原肽在前体的正确折叠和分拣过程中都发挥作用。 组织蛋白酶E前体由2条分子量为42kD的肽链通过二硫键组成的二聚体糖蛋白，在

18、激活过程中二硫键不变，糖链结构具有组织特异性。 蛋白酶体 蛋白酶体是细胞质的一种蛋白质复合体，但是在细胞核中也有，还可以与内质网结合的形式存在。 蛋白酶体是一个26S的颗粒，其中与蛋白质降解有关的是600kD的20S复合物，是细胞的主要成分之一，约占细胞总蛋白质的1。 不同生物的蛋白酶体不完全相同。 细胞质中依赖于钙离子的蛋白酶 需钙蛋白酶属于以巯基为活性中心的蛋白酶家族，定位于细胞质，其活性受钙离子调节。 根据分布的情况，需钙蛋白酶可分为遍在型与组织特异型。 根据对钙离子的依赖程度不同，遍在型又可分为和m两类。 被微摩尔级钙离子激活， m的激活则需要毫摩尔级钙离子浓度。 在组织损伤、坏死和自

19、溶过程中都发挥重要作用。遍在型需钙蛋白酶的结构特点 遍在型需钙蛋白酶由调节亚基和催化亚基组成。 调节亚基（分子量30kD）：具有一个钙结合区，调节与膜蛋白的结合；含有和结构域，其中结构域富含Gly（G），与膜磷脂作用，是激活催化亚基所必需。 催化亚基（分子量80kD）：含有另一个钙结合区和催化蛋白水解的活性部位，由、和结构域组成，其中是巯基蛋白酶典型的催化结构域，和的功能尚不清楚。 2种亚基C端部分的和都是钙调蛋白样结构域，含有4个EF手形结构。 需钙蛋白酶的活性调节 需钙蛋白酶的激活因素：钙离子浓度、磷脂及调节亚基，激活机制不明。 磷脂酰肌醇二磷酸存在时，需钙蛋白酶和m需钙蛋白酶自身激活所需

20、的钙离子浓度分别为0.1lmol/L和10mol/L。 调节亚基的作用：提高催化亚基对钙离子的灵敏度，帮助变性的催化亚基复性，仅对自身催化亚基有专一作用，是需钙蛋白酶专一的分子伴侣。组织特异性需钙蛋白酶 骨骼肌中存在着特异的需钙蛋白酶p94 。 在胃组织中存在专一的需钙蛋白酶nCL-2和nCL2。 在果蝇、线虫、血吸虫和一些曲霉中也发现需钙蛋白酶，与组织特异的需钙蛋白酶相似，为单链的蛋白酶，即只有催化肽链，而无调节亚基。 骨骼肌的需钙蛋白酶p94 p94只有一条肽链，即催化亚基，比遍在型需钙蛋白酶的催化亚基肽链多了3个插入序列。 第一段在肽链NS的N端 第二段IS1在结构域的中间 第三段IS2

21、是在结构域的N端 IS2的氨基酸残基序列为PXKKKKXKP，与肽链进入细胞核的信号序列类似。需钙蛋白酶p94的特性 p94非常容易自溶，很快消失，尽管p94的mRNA含量比遍在型需钙蛋白酶的mRNA至少高10倍，但是仍不容易检测到。 p94通过其IS2还可以与肌肉组织中的肌巨蛋白/肌联蛋白结合，其缺损导致肢节肌营养不良症。 胃组织的需钙蛋白酶 nCL-2的结构与遍在型需钙蛋白酶类似；而nCL2则是截短的nCL2，只有结构域和，以及结构域的N端部分的一个EF手形，两者可能是mRNA可变剪接的结果。 胃组织的nCL-2和nCL2的量几乎相同，对胃可能起到相同的作用，只是在胃组织中定位有差异。三边

22、帽蛋白酶 三边帽蛋白酶的作用与蛋白酶体相辅相成，其的底物是蛋白酶体降解产生的寡肽。 三边帽蛋白酶的结构非常复杂而且特异，是一种寡聚蛋白，外形与蛋白酶体完全不同。三边帽蛋白酶的亚基结构 由1070个氨基酸残基组成，整个亚基可以分为5个结构域； 蓝色与黄色为螺旋桨样结构6和7；紫色的C1结构域是螺旋捆；红色的C2结构域是的夹心结构；深绿色的是PDZ结构域。三边帽蛋白酶是一个密闭的自区域化结构 三边帽蛋白酶：属于丝氨酸蛋白酶家族，包含活性的His746和Ser965；酶活性可被TLCK（胰蛋白酶专一抑制剂）和TPCK（胰凝乳蛋白酶的专一抑制剂）抑制。 酶的活性部位：在六聚体的中心，螺旋桨结构域7是底

23、物的入口，6则是降解产物的出口。 生物学功能：将蛋白酶体和需钙蛋白质降解后的612个氨基酸残基肽段，进一步降解为仅24个氨基酸残基组成的小肽。 三边帽蛋白酶与外肽酶的协作 三边帽蛋白酶体系与外肽酶（ F1、F2和F3）协作，将三边帽蛋白酶的降解产物二至四肽彻底降解为游离氨基酸，被细胞再利用。 F1是氨肽酶，由293个氨基酸残基组成（33.5kD），具有脯氨酰亚氨基肽酶活性，属于/类型的水解酶超家族，从N端切除脯氨酸和疏水氨基酸残基，但是不能切除甘氨酸和酪氨酸。 F2和F3则是金属肽酶，约89kD，主要是针对带电荷的氨基酸残基。胱天蛋白酶家族 胱天蛋白酶家族是目前备受关注的蛋白酶，它们与程序性细

24、胞死亡（programmed cell death，PCD）密切相关。 胱天蛋白酶：半胱氨酸依赖性天冬氨酸专一蛋白酶（cysteine-dependent aspartate-specfic protease，caspase）的简称。 2种氨基酸具有完全不同的意义：半胱氨酸是指酶的活性中心残基，天冬氨酸则是酶作用的靶位，即底物中被特异断裂的氨基酸残基。 胱天蛋白酶的研究 在研究线虫死亡的过程中，发现2个基因ced- 3和ced-4是线虫细胞凋亡所必需。核苷酸序列分析的数据揭示CED-3是人的半胱氨酸蛋白酶，为白介素-1转换酶的同系物。 特性：具有蛋白酶活性，将其转染进入多种细胞株中都能引起细胞

25、凋亡。 作用：专一地断裂维持细胞稳态所必需的蛋白质肽链中的特定肽键，导致细胞死亡。基质金属蛋白酶 MMP家族有许多成员：起初研究的是可溶性的形式，近年来发现了一些膜结合形式。它们各自有自己的名称和系统的编号。一些膜类型的MMP又专门缩写为MT-MMP。 基质金属蛋白酶（MMP）功能：调节许多发育和生理过程，与细胞迁移、增殖等过程密切有关，在肿瘤发生和转移以及其他疾病的发生中起到重要作用。 基质金属蛋白酶及其抑制剂（包括内源性抑制剂）的研究是蛋白酶领域中的一个生长点。MMP的结构 基本组织结构：MMP 7具有这个家族成员的最基本组织结构。 前肽 含有锌结合部位的催化结构域 含有一个半胱氨酸的转换

26、区的原肽结构域 MMP家族其他成员含有更多的结构域，绝大多数都有血红素结合蛋白/透明黏连蛋白结构域，某些成员还含有弗林蛋白酶作用的位点、纤连蛋白的型重复片段和铰链区，以及穿膜肽段。MMP的功能 MMP主要作用：降解细胞外基质中的各种组分，大致分为降解胶原和明胶（变性的胶原）以及非胶原两大类。 细胞外基质降解后，会产生一系列生物效应：影响细胞迁移、导致细胞增殖和形态发生、调节生长因子等分子的活性、改变基质中蛋白酶活性的平衡。蛋白酶抑制剂 内源蛋白酶抑制剂：机体内存在的，调节自身体内蛋白酶的活性。 外源蛋白酶抑制剂：由一个物种产生的，但是作用的对象是另一物种中的蛋白酶。 人工合成的蛋白酶抑制剂：以

27、蛋白酶抑制剂为基础设计和开发的药物。 内源蛋白酶抑制剂 胰脏的蛋白酶抑制剂：有Kunitz抑制剂（常用的缩写是PTI）和Kazal抑制剂。 血液的蛋白酶抑制剂：主要是丝抑酶蛋白质家族的一些成员，还有间胰蛋白酶抑制剂、2抗纤溶酶和2巨球蛋白等。外源蛋白酶抑制剂 许多植物中存在着蛋白酶抑制剂，尤其是在作为植物储存用的种子和块茎中。 马铃薯的胰凝乳蛋白酶抑制剂：在遇到外界病害昆虫的侵袭时，可被诱导表达，作为植物抗病机制的一个组成部分。 植物蛋白酶抑制剂具有多价性：2个不同的抑制位点分别抑制不同的蛋白酶。例如，大豆中分离得到的Bowman-Birk抑制剂，仅有71个氨基酸残基，具有抑制胰蛋白酶和胰凝乳

28、蛋白酶的2个抑制中心。 水蛭的特殊生物活性物质 水蛭素：对凝血酶专一的蛋白酶抑制剂，由66个氨基酸残基组成，C端有一个被硫酸化的酪氨酸。 水蛭抑制素（bdellin）：抑制胰蛋白酶、纤溶酶和顶体蛋白酶。 水蛭抑制剂（eglin）：作用于弹性蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和枯草杆菌蛋白酶。由70个氨基酸残基组成，但不含半胱氨酸。人工合成的蛋白酶抑制剂 以蛋白酶抑制剂为基础的药物设计和开发应运而生，成为药物研究中的一个重要方面。涉及的疾病有：急性胰腺炎、感染和炎症、高血压、抗凝等。目前被关注的靶酶有凝血酶、纤溶酶原激活剂、弹性蛋白酶、补体系统、激肽释放酶、血管紧张肽转换酶等。 需要考虑因素：一是靶酶容易接近

29、；二是抑制剂对靶酶的抑制不可逆或可逆性很小，即抑制常数应是10-10mo1/L或更小。第三节 蛋白酶体-泛素系统及其功能细胞内蛋白质的降解 蛋白质降解的基本策略区域化(Compartmentalization) 泛素-蛋白水解酶复合体通路（Ubiquitin-proteasomes pathway）蛋白质降解的基本策略 区域化(Compartmentalization)：控制蛋白质降解的基本策略，即蛋白质的水解限制在细胞的某些区域，带有降解信号的蛋白质才能进入这些区域。 真核生物形成由生物膜界定的区域化，如溶酶体；原核生物由蛋白水解酶亚基装配成一个桶形复合物，需降解的蛋白质进入桶内水解，即自身

30、区域化的蛋白水解酶。 蛋白酶体是自身区域化分子装置的调节形式之一。泛素-蛋白水解酶复合体通路 细胞质和细胞核内ATP依赖性的非溶酶体蛋白质降解系统，高效并高度选择性进行细胞内蛋白质周转。 由以色列学者阿龙·切哈诺沃、阿夫拉姆·赫什科和美国学者欧文·罗斯发现，并获得2004年度诺贝尔化学奖。二、蛋白质泛素化系统泛素或泛蛋白 泛素或泛蛋白（Ubiquitin，Ub）：由76个氨基酸残基组成的低分子量蛋白，广泛存在于各种真核细胞和组织中。 泛素氨基酸序列保守性高，在已知的各种物种的泛蛋白中，至多发现3个氨基酸残基的改变。在人、鲑鱼和果蝇等亲缘关系遥远的物种中得到的泛蛋白

31、竟然完全一致。泛素的结构特点 立体结构外形犹如蝌蚪，即-抓握折叠（-grasp fold）结构； 左下方是一个紧密的球状头部，由5个折叠（1-7、10-17、40-45和64-72）和1个螺旋（23-34）组成，N末端在头部的中间； 右上方是一条尾巴，尾部的末端即是肽链的C端（RGG，Arg-Gly-Gly）。泛素的连接方式 C末端Gly的羧基与目标蛋白质连接，也能与另一个泛蛋白48位Lys（K）侧链的氨基连接，形成多聚的泛蛋白链，最长的泛蛋白链的聚合度可以超过50。 泛蛋白与其他蛋白质之间形成的是异肽键（isopeptide bond），泛蛋白C末端Gly的羧基不与目标蛋白质中的氨基形成肽键

32、，而是与目标蛋白质Lys（K）侧链的氨基形成肽键。泛素样蛋白 泛素样蛋白（ubiquitin-like protein, UBL）：指原核、真核生物中具有泛素样折叠结构的蛋白，可以通过共价结合的方式修饰其它蛋白，但序列相似性差异很大。  UBL蛋白及其相关蛋白结构域的研究开始于20世纪80年代末。 ISG15蛋白是第一个被发现的UBL蛋白。ISG15蛋白 ISG15蛋白：型干扰素诱导产生、分子量15kD的蛋白质，序列与泛素蛋白有高度的相似性，可以通过共价结合的方式修饰其它蛋白。 其功能知之甚少，至今才发现ISG15蛋白修饰相关的E1酶（ISG15活化酶）和E2酶（即ISG15连接酶）

33、，被型干扰素诱导表达。 小鼠模型发现，蛋白经ISG15蛋白修饰之后，可以表现出抗病毒作用泛素化及其作用 泛素化（Ubiquitylation）：一个或多个泛素分子在一系列酶（活化酶、结合酶和连接酶）的催化下与其他蛋白质分子共价结合。 作用：直接影响蛋白质的活性和细胞定位。参与细胞信号传导、基因表达、细胞分裂和分化等过程的调节。泛素激活酶和泛素结合酶 泛素激活酶E1： 细胞内只有单一的E1基因，利用不同的转录起始点产生E1a和E1b，发挥不同的作用。 泛素结合酶E2： E2有多种基因，酵母有13种E2基因。哺乳动物细胞至少有25种E2基因； 大多数E2有一个1416kD的核心，不同E2的核心有3

34、5%的同源性，E2核心参与E2与E3的结合。泛素蛋白连接酶E3 种类繁多：有几百种，E3除了对不同的E2有选择作用外，对底物蛋白质也有特异性；由多种亚基组成。 分布广：存在于细胞质 、细胞核和细胞器。 形式多：可溶性蛋白、膜结合蛋白。泛素蛋白连接酶E3的种类 根据E3含有的特定结构域，分为三类： HECT（ Homologous to E6-AP carboxyl terminus） E3 环指(ring finger)结构蛋白 U盒型HECT E3 源于对致瘤病毒HPV的研究，HPV编码的蛋白E6与细胞内结合蛋白(E6-AP)结合，并与肿瘤抑制蛋白p53结合，导致p53的泛素化和降解。 许多

35、HECT 类E3的N末端具有一对色氨酸残基(WW)和保守脯氨酸残基组成的WW区域，参与识别底物蛋白质中磷酸化的富脯氨酸区域。环指（ring finger）结构蛋白 环指结构：由8个保守半胱氨酸和组氨酸Cys-X2-Cys-X(9-39)-Cys-X(1-3)-His-X(2-3)-Cys-X2-Cys-X(4-48)-Cys-X2-Cys)组成。 种类：APC（Anaphase promoting complex，APC）类E3、SCF（skp-cullin-F-box protein， SCF）类E3、VHL-CBC类E3APC（Anaphase promoting complex）类E3

36、APC类E3：含有Cullin同源蛋白APC11、环指蛋白APC2及其他亚单位，并利用含WD40重复序列的蛋白识别底物。 APC在细胞有丝分裂末期激活，降解有丝分裂和纺锤体相关蛋白，使细胞进入分裂后期。SCF（skp-cullin-F-box protein）类E3 SCF类E3：由连接蛋白Skp、Cullin类蛋白Cul和底物识别蛋白F-box组成。 发现100多种F-box，都具有WD40重复序列或富亮氨酸重复序列。 SCF类E3利用不同的F-box蛋白识别多种底物。VHL-CBC类E3 VHL-CBC类E3：由连接蛋白Elongin B和C、环指蛋白Rbx-1、Cullin类蛋白Cul和

37、底物识别蛋白VHL组成。泛蛋白化底物的转移 需降解的蛋白质被泛蛋白标记后，泛蛋白化的底物在其他蛋白质的帮助下与蛋白酶体结合，这些蛋白质分为： 与多聚泛蛋白结合的蛋白质 与蛋白酶体结合的蛋白质 这些蛋白质具有不同结构域： 泛蛋白类似结构域(UBL) 泛蛋白结合结构域(UBD) 泛蛋白相互作用模体(UIM) 泛蛋白途径相关结构域(UBA) ATP酶结构域 蛋白酶体（ Proteasome） 26S蛋白酶体的分子组成 PRE2、PRE3和PUP1具有酶活性蛋白酶体的功能 蛋白水解功能：具有多种蛋白水解酶活力。 类胰凝乳蛋白酶(Chymotryptic-like)活性：水解疏水性氨基酸羧基端肽键。 类

38、胱天蛋白酶(Caspase-like)活性：水解酸性氨基酸羧基端肽键。 类胰蛋白酶(Tryptic-like)活性：水解碱性氨基酸羧基端肽键。 BrAAP活性：水解分枝侧链氨基酸羧基端肽键。 DNA修复作用：核苷酸切除与修复活性。蛋白酶体的作用机理 通过定点突变，揭示了蛋白酶体的活性部位含有苏氨酸，水解过程中的亲核攻击发生在亚基氨基末端的苏氨酸侧链的羟基上。 蛋白酶体提供了一种全新的蛋白酶，即苏氨酸蛋白酶。在酵母的蛋白酶体中，除苏氨酸外，Lys33、Glu17和Asp166也参与水分子引发的脱乙酰反应。 蛋白水解功能分别由1、2和5上的3个催化亚基Y、Z和X承担，即Y/1、Z/2 和X/5上T

39、hr的-OH对底物进行亲核攻击。免疫蛋白酶体 免疫蛋白酶体：能被干扰素(IFN-)诱导的20S蛋白酶体。 体外抗原加工反应的分析发现，免疫蛋白酶体是内源性抗原加工的蛋白酶。橄榄球蛋白酶体 橄榄球蛋白酶体(Football proteasome)：由11S调节子(11S regulator)结合于催化颗粒CP两端形成。 参与异常蛋白的再生或分解反应，其中11S调节子能显著提高20S蛋白酶体的肽酶活性。杂化蛋白酶体 杂化蛋白酶体(Hybrid proteasome)：杂化蛋白酶体由催化颗粒CP两端分别结合19S复合物(RP)和11S调节子而形成的RP-20S-11S杂化体，具有26S蛋白酶体的功能

40、。第四节 蛋白质降解的生物学意义 一、细胞内蛋白质的质量控制 二、蛋白质降解与蛋白抗原提呈 三、蛋白质降解与细胞信号传导 四、蛋白质降解与细胞周期 五、蛋白质降解与疾病一、细胞内蛋白质的质量控制 错误折叠的新生肽链的降解清除 非天然结构蛋白质的清除 tmRNA及其作用熄火核糖体与tmRNA 核糖体合成新生肽链的过程中，当mRNA缺失终止密码子时，肽链的合成无法终止，形成熄火（stalled）核糖体，即携带肽链的tRNA滞留在核糖体的P位，肽链合成不能继续，新生肽链的合成就此“堵塞”。 tmRNA：既有tRNAAla的功能，又可以编码一段特定氨基酸序列的肽段，通常是AADENYALAAA。 tm

41、RNA能使熄火的核糖体重新工作。二、蛋白质降解与蛋白抗原提呈 蛋白质和肽类抗原的提呈是细胞免疫的一个重要环节。蛋白质和肽类的抗原性仅与其分子中的某些肽段有关，并经常位于蛋白质分子表面，与淋巴系统抗原提呈细胞的表面免疫球蛋白样受体结合，还需经过蛋白酶的降解作用，将蛋白质抗原降解为大小合适的肽段，进而诱发抗体的产生。 与类MHC分子有关的抗原提呈 与类MHC分子有关的抗原提呈与类MHC分子有关的抗原提呈 免疫应答时，与类MHC分子有关的抗原提呈过程中，抗原由蛋白酶体-泛素系统识别并加工。与类MHC分子有关的抗原提呈 病原体蛋白质被抗原提呈细胞内吞，在晚期内体中降解成肽段，并与抗原提呈细胞中的类MH

42、C分子结合，完成抗原提呈。三、蛋白质降解与细胞信号传导 细胞内蛋白质的泛素化降解，影响细胞信号的传导，既可以诱导信号传导，也可以阻断信号传导。 核因子B的激活与核因子B抑制剂的降解 蛋白质Wnt引发的信号传导 刻缺蛋白的限制性降解引发信号传导NF-B信号途径 核因子B（NF-B）：是细胞内信号传导通路中的重要成员之一，NF-B途径与前炎症反应密切相关。 应激、细菌和病毒感染、细胞因子都能引发NF-B途径，而肿瘤坏死因子（TNF）是引发NF-B途径的典型细胞外信号分子。 核因子B抑制剂（I-B）的磷酸化和降解诱导NF-B 的活化。蛋白质Wnt引发的信号传导 蛋白质Wnt是果蝇和小鼠的同源基因wg

43、和Int-1的表达产物，为分泌型的信号分子，调节动物的发育；与果蝇翅膀发育有关，经病毒处理的小鼠导致乳腺肿瘤。 蛋白质Wnt能与细胞表面的卷曲家族成员和低密度脂蛋白受体相关蛋白质（LRP）等二种受体结合，引发一系列信号转导，使Wnt应答基因表达。刻缺蛋白的限制性降解引发信号传导在神经发育过程中，刻缺蛋白不同部位的二次限制性蛋白酶解，激活转录因子，产生侧向抑制。四、蛋白质降解与细胞周期 蛋白质参与细胞的各种运作，一些蛋白质的降解与细胞周期、细胞凋亡密切相关。 细胞周期与周期蛋白 M期与蛋白质降解 G1/S期转换与蛋白质降解 p53蛋白与细胞周期细胞周期与周期蛋白 细胞周期可分为M期、G1期、S期

44、和G2期等4个时相。 细胞周期受周期蛋白（cyclin）控制，不同的时相出现不同的周期蛋白。 M期出现M周期蛋白，即周期蛋白B，与依赖M周期蛋白的激酶（M-Cdk，即Cdk1）相互作用控制M期的事件。 S期出现周期蛋白A，激活依赖S周期蛋白的激酶S-Cdk，即Cdk2。 控制G1期、G1/S期转换的周期蛋白D和E，分别与Cdk4、Cdk6形成复合物。周期蛋白B调节细胞M期 周期蛋白B在前期合成，在M期与Cdk1结合，诱导细胞有丝分裂； 同时激活后期促进复合物APC/C，使周期蛋白被蛋白酶体-泛素系统识别和降解； 进入只有游离Cdk1的后期和间期。染色体的分离 M期有丝分裂纺锤体中染色体的分离涉及