蛋白质的降解

第六章 蛋白质的降解及其生物学意义

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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 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裂有关，如前肽的切除、无活性的前体蛋白质的激活等。

蛋白质降解是生命的重要过程

蛋白质降解的体系

第一节 蛋白质降解的概述

蛋白质的寿命

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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70～80d。

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。

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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l～2w。 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。

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2~3min。

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。

蛋白质寿命的N端规则

酿酒酵母蛋白质代谢特点

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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

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PEST（Pro-Glu-Ser-Thr）假设：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。

分泌到细胞外蛋白质的寿命

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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

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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

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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

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

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细胞外的蛋白质（如血浆蛋白质、蛋白质类激素以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。

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。

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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

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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-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（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：

溶酶体储积病 非选择性方式 糖链结构与细胞寿命

蛋白质降解的场所

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Hurler综合症：降解黏多糖的α-L-艾杜糖苷酸酶缺乏病。 Gauchers疾病：降解糖脂的β-葡萄糖脑苷脂本科的缺乏病。 Fabry疾病：降解糖脂的α-半乳糖苷酶缺乏病。 Pompe疾病：分解肝糖原的α-葡萄糖苷酶缺乏病。

Tay-Sachs疾病：β-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

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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）

真核细胞内的蛋白质是通过泛素-蛋白酶体途径降解。

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蛋白酶体的特性

蛋白酶体是分子质量很大的复合体，约400～700kD，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

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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

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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

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细胞器中的蛋白酶

无蛋白酶细胞器中蛋白质的降解

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。 一些细胞器不存在蛋白酶，如内质网。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

无蛋白酶细胞器中蛋白质的降解

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

泛蛋白-蛋白酶体途径

蛋白酶体体系除了需要泛素的参与外，还依赖于ATP的存在。

细胞器中的蛋白酶

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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Ⅰ、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

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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

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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

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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

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。

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外肽酶：3．4．11至3．4．19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3．4．16丝氨酸类的羧肽酶、3．4．17金属羧肽酶和3．4．18半胱氨酸类羧肽酶。

内肽酶：3．4．21至3．4．24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3．4．99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。

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? ? ? 组织蛋白酶

组织蛋白酶（cathepsin）：溶酶体中的蛋白酶，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：

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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4.5-5.5。

巯基型组织蛋白酶家族

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。

常见分类方法

第三层次：个别的肽酶。

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