第四章生物信息的傳遞——從mRNA到蛋白質(zhì)

第一節(jié)翻譯的基本概念及有關(guān)的RNA第二節(jié)蛋白質(zhì)合成的生物學(xué)機(jī)制第三節(jié)蛋白質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)制第四節(jié)蛋白質(zhì)的降解第三節(jié)：蛋白質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)制第四節(jié):蛋白質(zhì)的降解---生物體內(nèi)蛋白的降解是一個(gè)有序的過程。---不同蛋白質(zhì)其半衰期差異較大。---蛋白質(zhì)半衰期與N端氨基酸殘基有一定關(guān)系蛋白酶（肽酶）肽鏈內(nèi)切酶肽鏈外切酶二肽酶組織蛋白酶肽鏈內(nèi)切酶胃蛋白酶：水解芳香族氨基酸的—NH2形成的肽鍵。胰蛋白酶：水解堿性氨基酸的—COOH形成的肽鍵。胰凝乳蛋白酶：水解芳香族氨基酸的—COOH形成的肽鍵。肽鏈外切酶氨肽酶羧肽酶泛素調(diào)節(jié)的理論基礎(chǔ)

生物體內(nèi)存在著兩類蛋白質(zhì)降解過程，一種是不需要能量的，比如發(fā)生在消化道中的降解，這一過程只需要蛋白質(zhì)降解酶參與，可以在小腸內(nèi)將食物降解為氨基酸；另一種則需要能量，它是一種高效率、指向性很強(qiáng)的降解過程。比如多數(shù)細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)降解需要能量，這是由于在細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的降解過程中發(fā)生了一系列的反應(yīng)，最終使得將要被降解的蛋白質(zhì)被一種多肽鏈所標(biāo)記，這就意味著細(xì)胞對蛋白質(zhì)降解具有很高的選擇性，這種標(biāo)記勢必需要一定的能量，而這種能量在生物體內(nèi)是以三磷酸腺苷的形式提供的。

赫爾什科切哈諾沃羅斯2004年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)被授予以色列科學(xué)家阿龍·切哈諾沃、阿夫拉姆·赫什科和美國科學(xué)家歐文·羅斯，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞是如何摧毀有害蛋白質(zhì)的.（即泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解）

泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解

蛋白質(zhì)的降解是一個(gè)精細(xì)控制的過程，首先有待降解的蛋白質(zhì)被一種多肽（稱之為泛素）所標(biāo)記，接著這些蛋白質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的蛋白酶復(fù)合體中，蛋白酶復(fù)合體是一個(gè)上下有蓋的圓桶狀酵素，它們?nèi)缤?xì)胞的垃圾桶，專門負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)的分解及再循環(huán)利用，泛素在這一過程中釋出訊號，讓蛋白酶復(fù)合體分辨出有待降解的蛋白質(zhì)。泛素—蛋白酶體途徑(upp)的組成---泛素—蛋白酶體途徑(upp)由泛素(ubiquitin,ub)以及一系列相關(guān)的酶組成。---除泛素以外還包括4種酶家族:

泛素活化酶(ubiquitin-activatingenzyme,E1)、泛素偶連酶(ubiquitin-conjugatingenzymes,E2s)泛素-蛋白連接酶(ubiquitin-ligatingenzymes,E3s)蛋白酶體(proteasome)---蛋白的泛素化和去泛素化都需要多種酶介導(dǎo)---upp既有高度底物多樣性又具有針對不同調(diào)控機(jī)制的多樣性。泛素的結(jié)構(gòu)與組成

泛素含有76個(gè)氨基酸殘基,廣泛存在于真核生物,目前尚未發(fā)現(xiàn)泛素存在于原核生物中，泛素的氨基酸序列極其保守。泛素基因主要編碼兩種泛素前體蛋白質(zhì):一種是多聚泛素,另一種是泛素融合蛋白。泛素—蛋白酶體途徑(upp)

一系列相關(guān)的酶

泛素活化酶(E1)是催化泛素與底物結(jié)合所需的第一個(gè)酶。細(xì)胞內(nèi)僅有單一的泛素活化酶基因。利用不同的轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn),它可產(chǎn)生E1a和E1b兩種泛素活化酶,它們的生物功能可能有所不同。

泛素偶連酶(E2)是泛素與蛋白底物結(jié)合所需的第二個(gè)酶。細(xì)胞內(nèi)有多種泛素偶連酶基因,大多數(shù)泛素偶連酶有一個(gè)14～16KD的核心,含有活性所必需的半胱氨酸殘基。在不同的泛素偶連酶間有約35%的同源性,這一區(qū)域可能參與泛素偶連酶和蛋白底物的結(jié)合。

泛素-蛋白連接酶是泛素與底物蛋白結(jié)合所需的第三個(gè)酶。泛素-蛋白連接酶在決定泛素介導(dǎo)的底物降解方面有特殊的作用。不同類型的泛素-蛋白連接酶間缺乏序列同源性,而且分子量差異較大.蛋白酶體是催化泛素與底物蛋白偶聯(lián)體降解的關(guān)鍵酶,復(fù)合體共同結(jié)合裝配而成,此組裝過程需要耗能。細(xì)胞內(nèi)的廢棄物處理裝置

——蛋白酶體

一個(gè)細(xì)胞大約含30000個(gè)細(xì)胞廢棄物處理裝置即蛋白酶復(fù)合體——蛋白酶體，這些桶狀結(jié)構(gòu)可以幾乎將所有蛋白質(zhì)分解為7-9個(gè)氨基酸長度的縮氨酸，蛋白酶體的活性表面在桶狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。蛋白酶體能辨別出與泛素結(jié)合的蛋白質(zhì)，一旦作為標(biāo)簽的泛素脫離蛋白質(zhì)，即可利用三磷酸腺苷提供的能量改變蛋白質(zhì)的性質(zhì)使其從一端進(jìn)入蛋白酶復(fù)合體內(nèi)發(fā)生降解，并最終以縮氨酸的形式從另一端釋放出來。這一過程如此復(fù)雜，需要消耗能量。然而蛋白酶體并不能選擇待降解的蛋白質(zhì)，細(xì)胞內(nèi)主要是通過E3類酶的特異性選擇并利用泛素加以標(biāo)簽，從而選擇正確的待降解蛋白質(zhì)。黑點(diǎn)表示活性區(qū)域，蛋白質(zhì)降解的場所泛素化和去泛素化泛素通過E1和E2被激活的過程稱為泛素的活化。泛素的活化過程是一個(gè)依賴ATP的酶促反應(yīng)：①首先泛素活化酶(ubiquitinactivatingenzymeE1)催化泛素C末端的甘氨酸(Gly)形成Ub－腺苷酸中間產(chǎn)物,然后激活的泛素C末端被轉(zhuǎn)移至E1酶內(nèi)Cys殘基的－SH鍵上,形成高能硫酯鍵;②含有高能硫酯鍵的泛素通過轉(zhuǎn)?；饔檬蛊溥M(jìn)一步轉(zhuǎn)移到泛素載體蛋白(ubiquitinconjugatingenzyme,E2)特異的Cys殘基上,形成E2－Ub巰基酯;E2－Ub巰基酯提供泛素分子,使泛素C端甘氨酸與底物蛋白的Lys殘基的氨基形成共價(jià)鍵,由第一個(gè)泛素單體與底物蛋白內(nèi)部的Lys殘基的ε氨基(或β氨基)結(jié)合;③泛素可以直接從E2轉(zhuǎn)移給底物蛋白形成Ub蛋白復(fù)合物,這時(shí)的底物多是些堿性蛋白(如組蛋白),而在大多數(shù)情況下,底物蛋白先與泛素連接酶(E3)特異性結(jié)合,E3可使E2和底物蛋白相互接近,繼而蛋白底物與E2酶連接的泛素結(jié)合,這樣就完成了底物蛋白質(zhì)的泛素化。1和3：E1、E2催化的泛素激活反應(yīng)，消耗ATP；2：E3催化的蛋白質(zhì)激活反應(yīng)，消耗ATP；4：依賴于E3的蛋白質(zhì)泛素化反應(yīng)；5：不依賴于E3的蛋白質(zhì)泛素化反應(yīng)；6：26S蛋白體催化蛋白質(zhì)水解；7和8：異肽酶催化的水解反應(yīng)，使泛素游離出來。

去泛素化作用是泛素化過程的逆轉(zhuǎn)。在真核細(xì)胞內(nèi)已發(fā)現(xiàn)多種去泛素化酶,它們能夠水解泛素和底物蛋白之間的硫酯鍵,還能把錯(cuò)誤識別的底物從泛素化復(fù)合體中釋放出來。它們又可以分為兩類:（1）泛素羧端水解酶(ubiquitinC-terminalhydrolases(UCHs))：分子量為20～30KD,水解去除和泛素C末端連接的小肽,也參與泛素多聚體產(chǎn)生泛素單體的過程,促進(jìn)泛素再循環(huán),對泛素系統(tǒng)的正常運(yùn)行是很有必要的。（2）泛素特異性加工酶(ubiquitin-spicificprote2ases-UBPs/USPs)：分子量大約為100KD,參與去除和解聚底物蛋白質(zhì)上的多聚泛素鍵,從而防止多聚泛素在底物蛋白的聚集。

由泛素介導(dǎo)的蛋白水解過程,分為2個(gè)階段。第一階段:多個(gè)泛素分子與靶蛋白共價(jià)結(jié)合。首先,泛素經(jīng)泛素活化酶E1

活化,泛素上76位的Gly與泛素活化酶上特殊的Cys殘基形成一個(gè)高能硫酯鍵,并伴有ATP水解;然后,通過轉(zhuǎn)酯作用,泛素從泛素活化酶轉(zhuǎn)移到泛素結(jié)合酶E2

的Cys上,形成泛素結(jié)合酶-泛素;最后,在泛素連接酶E3

參與下,泛素又從泛素結(jié)合酶轉(zhuǎn)移到受體蛋白的Lys殘基上,形成泛素-靶蛋白,使靶蛋白發(fā)生泛素化。多個(gè)遍泛素分子重復(fù)地附加到靶蛋白上,則形成分枝的多Ub鏈。泛素共有7個(gè)Lys殘基,在多聚泛素鏈結(jié)構(gòu)中,其中一個(gè)泛素的C-末端Gly與相鄰的泛素之間通過Lys48、Lys63或Lys29連接?？偨Y(jié)第二階段:靶蛋白在26s蛋白酶體的作用下,由泛素介導(dǎo)的蛋白水解過程。經(jīng)泛素活化的底物蛋白被展平后,通過兩個(gè)狹孔,進(jìn)入26s蛋白酶體的催化中心,蛋白降解在20s蛋白酶體內(nèi)部發(fā)生。進(jìn)入26s蛋白酶體的底物蛋白質(zhì)被多次切割,最后形成3～22個(gè)氨基酸殘基的小肽。整個(gè)流程分為以下六個(gè)步驟：1、E1類酶激活泛素，該過程需要ATP（三磷酸腺苷）提供一定能量；2、泛素轉(zhuǎn)移至E2類酶；3、E3類酶具有特異性，可以識別出需破壞的目標(biāo)蛋白質(zhì)，與目標(biāo)蛋白質(zhì)接近的E2-泛素復(fù)合體將泛素轉(zhuǎn)移至目標(biāo)蛋白質(zhì)；4、E3類酶釋放出被泛素標(biāo)記的蛋白質(zhì)；5、被標(biāo)記的蛋白質(zhì)分子尾端形成一小段泛素分子鏈；6、泛素分子鏈在蛋白酶體的端口被識別并脫離蛋白質(zhì)，目標(biāo)蛋白質(zhì)進(jìn)入蛋白酶復(fù)合體的桶狀通道最終降解為縮氨酸并由另一端口釋放出去。1、抗原提呈：抗原分子泛素化后被26s蛋白酶體降解成多肽,然后由組織相容性復(fù)合體(MHC)I類分子提呈到細(xì)胞表面,再被細(xì)胞毒性T細(xì)胞(CTL)