第4章蛋白质的翻译-转运降解
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2020/3/12
2.细胞内蛋白质降解的特点
➢细胞内蛋白质降解包括依赖能量的步骤，而且具有调控作用；
➢很难探测到胞内蛋白质降解的中间产物，这表明蛋白水解装置一 旦遇到合适目标，立即将其彻底消化，避免降解中间产物干扰正常 的生理活动；
➢蛋白酶的专一性较低，为了避免对细胞蛋白质造成随机破坏，必 须对它们进行严格控制和区域化；
2020/3/12
去泛肽化酶的结构
HAUSP(一种典型的UBP) 催化中心区域结构图
UCH-13催化中心立体结构图 2020/3/12
去泛肽化酶的主要功能
(1)裂解多泛肽内与靶蛋白之间的异肽链，保持细胞内游 离泛肽的浓度，以便对其进行再利用；
(2)具有编辑功能，使错误泛肽化的蛋白质去泛肽化，以 免被26S蛋白酶体降解，
到蛋白或多泛肽链上 2020/3/12
AMP
E1--SAHMP-
E1-SH ATP
PPi
泛肽化酶(ubiquitination enzyme）
—蛋白酶体（proteasome）结构示意图
19S Regulatiry Subunit
UbqConjugate
148Å
113Å
20S Proteasome
细胞质
叶绿体外膜
信号肽 C
可溶性蛋白水解酶切 除第一部分信号肽
N 跨类囊体膜运转
叶绿体内膜
信号肽
切除第二部分信号肽
折叠
类囊体
成熟类囊体蛋白
类囊体膜
2020/3/12
叶绿体蛋白质跨膜转运
2020/3/12
叶绿体的蛋白质定向转运
2020/3/12
核定位蛋白跨细胞核膜 转运过程示意图
定位于不同亚细胞结构的细菌蛋白质信号肽序列
泛肽由多基因族编码， 不同生物Ub基因的数目和 种类有较大差异。
Gly76 Gly75 Arg74
Lys29
Lys49 Tyr49
2020/3/12
Met1 Lys63
与泛肽活化有关的酶
泛肽活化酶(E1)：催化Ub 的C-末端与酶分子中巯基 结合
泛肽载体蛋白(E2)：作泛 肽的中间载体
泛肽-蛋白连接酶(E3)：
➢细胞内蛋白质水解是高度选择性的，不同蛋白质的半衰期从数分 钟到数周，决定其半衰期的信号常常是小的、保守的结构模体，该 过程不仅是复杂的基因功能调控级联的最后步骤，而且是氨基酸再 循环系统的组成部分。
2020/3/12
2.细胞内蛋白质降解的特点
➢在大肠杆菌中，许多蛋白质的降解是通过一个依赖于ATP 的蛋白酶（称为Lon）来实现的。当细胞中存在有错误或半 衰期很短的蛋白质时，该蛋白酶就被激活。每切除一个肽 键要消耗两分子ATP。 ➢在真核生物中，蛋白质的降解需要泛素(Ubiquitin)，一个 有76个氨基酸残基组成极为保守的蛋白参与。与泛素相连 的蛋白将被送到一个依赖于ATP的蛋白酶体(Proteasome)。
2020/3/12
第五节 蛋白质转运机制
1、翻译－转运同步机制：分泌蛋白 ➢ 信号肽假说简图 ➢ 分泌蛋白质的合成和胞吐作用 2、翻译后转运机制：线粒体与叶绿体蛋白 ➢ 蛋白质向线粒体的定位机制 ➢ 蛋白质向叶绿体的定位机制 3、核定位蛋白质的转运机制
2020/3/12
蛋白质N端信号肽的特点
1.完整的信号肽是保证蛋白质运转的必要条件； 2.仅有信号肽不足以保证蛋白质运转的发生； 3.信号序列的切除并不是运转所必须的； 4.并非所有的运转蛋白质都有可降解的信号肽。
2020/3/12
阿弗拉姆·赫尔什科 国籍：以色列 出生：1937年 学位：希伯来大学医学博士 现任职地点：以色列工学院
欧文.罗斯 国籍：美国 出生：1926年 学位：芝加哥大学博士 现任职地点：加州大学
在正常代谢条件下,细胞内合成和降解蛋白质必须有 精确的时空调节和选择,如果蛋白质降解速率和位点出现 异常，就会出现病态。目前已发现多种蛋白质降解途径:
2020/3/12
Unfolding Cleavage
26S proteasome
去泛肽化酶(deubiquitination enzyme，DUBs）
在泛肽途径中靶蛋白被26S蛋白酶体降解时，泛肽只 是降解信号，并未被降解，而是经去泛肽化酶(DUBs)再生 之后重新利用。去泛肽化酶是半胱氨酸蛋白酶，具有裂解 酯键、硫酯键以及泛肽C-端与Lys侧链-NH2形成的异肽键 的活力，亦被称为异肽酶。已在不同物种的许多组织中鉴 定出多种DUBs， DUBs由两个基因家族编码，一是泛肽C端水解酶（Ub carboxyl-terminal hydrolases,UCH）基 因家族，另一个是泛肽专一的加工蛋白酶（Ub specific processing proteases,UBP）基因家族。
E1 -SH
E2-SH E1-SH
E2-S-
E3 E2-SH
去泛肽化酶
19S调节亚基
ATP
20S蛋白酶体
2020/3/12
ATP
26S蛋白酶体
多泛肽化 蛋白
去折叠 水解
泛肽（ubiquitin）
泛肽是一种保守的蛋白 质，含76个氨基酸，所有 泛肽均有相同的三维结构， 主要定位于细胞溶胶和细 胞核，因其广泛存在于各 类细胞而命名为泛肽。
2020/3/12
导肽
带有导肽的线粒体蛋白质前体 跨膜转运过程示意图
hsp70
Tom
内外膜接触位点的 蛋白质通道
Tom受体复合物
Tim 线粒体hsp70
ATP ADT+Pi
折叠
蛋白酶切 除导肽
线粒体的蛋白质转运装置 2020/3/1T2 OM和TIM复合体
线粒体内外膜的接触点
C 类囊体蛋白前体
N 跨叶绿体膜运转
(3)对不规范的多泛肽链进行修剪，使之更好地被26S蛋白 酶体识别与结合。
(4)裂解泛肽Gly76的羧基与-NH2间的肽键，用于泛肽前体 的加工。
（5）有些UDB实际上是26S蛋白酶中19S调节复合物的组分。
2020/3/12
成熟多肽N-端第一个残基影响对蛋白质的稳定性
2020/3/12
2020/3/12
3.蛋白质降解的泛肽途径
蛋白质降解的泛肽途径是通过对不需要的蛋白质贴上标签(泛蛋白化 作用)来调节特定蛋白质的存在，这种分子标签是由一种名为泛素的多 肽组成。蛋白质被贴上标签的过程被称为“死亡之吻”，因为贴上标签 的蛋白质很快被送往细胞中名为蛋白质酶体的“垃圾桶”中，并在那里 被切碎、分解。
能启动蛋白质运转的任何一段多肽——信号肽
2020/3/12
信号肽假说简图
5ˊ
核糖体受体
SRP 循环
GTP
GDP+Pi
SRP受体 内质网膜
多肽运转复合物 内质网腔
信号肽 信号肽酶
3ˊ
mRNA
2020/3/12
分泌蛋白质的合成和胞吐作用
芽泡
泡融入 质膜
泡
泡
核糖体
ຫໍສະໝຸດ Baidu
内质网
高尔基体
2020/3/12
线粒体外膜 线粒体内膜
2020/3/12
SecB
SecA
SecB
细胞质
SecYEG
周质空间
2020/3/12
细菌中蛋白质的跨膜转运
第六节 蛋白质的更替
1.细胞内蛋白质降解的生物学意义
1、维持细胞内氨基酸代谢库的动态平衡 2、参与细胞程序性死亡和储藏蛋白质的动员； 3、按化学计量累计寡聚蛋白的亚基或脱辅基蛋白/辅助因 子比率； 4、蛋白质前体分子的水解裂解加工； 5、清除反常蛋白以免积累到对细胞有害的水平； 6、控制细胞内关键蛋白的浓度； 7、参与细胞防御机制。
泛蛋白化作用是一个活跃的可逆过程，泛蛋白化和去泛蛋白化相互 平衡，对细胞进行着调控作用，包括蛋白质的降解、细胞周期控制、胁 迫反应、DNA修复、基因的转录、免疫反应、信号转导、翻译调控和胞 吞作用。
2020/3/12
蛋白质降解的泛肽途径示意图
ATP AMP+PPi E1-S-
（ubiquitin）
C-Amino Hydrolase
E2-SH E3 E2-S
Target Protein Ubiquitin
26S Proteasome
❖ ATP
Amino acid
C-Amino Hydrolase
直接或间接地与特定的靶 E1-SH
蛋白结合，直接或间接地
E1-S
将泛肽从硫酯中间物转移
E2-SH
2020/3/12
2019年诺贝尔化学奖
化学奖授予两位以色列科学家阿龙·切哈诺沃、阿弗拉姆·赫尔 什科和美国科学家欧文·罗斯，以表彰他们发现了泛素调节的蛋白质 降解，也就是说他们发现了一种蛋白质死亡的重要机理。
阿龙·切哈诺沃 国籍：以色列 出生：1947年 学位：以色列工学院医学博士 现任职地点：以色列工学院
1. 溶酶体途径，主要降解入胞蛋白（如受体介导的蛋白质胞 饮），应急状态下降解细胞内蛋白，尤其是结构蛋白；
2.细胞膜表面水解酶系统； 3. Caspase蛋白酶家族； 4.高度保守的泛素-蛋白水解酶复合体通路（ubiquitinproteasome pathway,UPP） ； 5.特殊细胞器的水解系统，如线粒体内La蛋白酶、高尔基体内 Keｘ2水解酶、叶绿体内ClpAP等.
2.细胞内蛋白质降解的特点
➢细胞内蛋白质降解包括依赖能量的步骤，而且具有调控作用；
➢很难探测到胞内蛋白质降解的中间产物，这表明蛋白水解装置一 旦遇到合适目标，立即将其彻底消化，避免降解中间产物干扰正常 的生理活动；
➢蛋白酶的专一性较低，为了避免对细胞蛋白质造成随机破坏，必 须对它们进行严格控制和区域化；
2020/3/12
去泛肽化酶的结构
HAUSP(一种典型的UBP) 催化中心区域结构图
UCH-13催化中心立体结构图 2020/3/12
去泛肽化酶的主要功能
(1)裂解多泛肽内与靶蛋白之间的异肽链，保持细胞内游 离泛肽的浓度，以便对其进行再利用；
(2)具有编辑功能，使错误泛肽化的蛋白质去泛肽化，以 免被26S蛋白酶体降解，
到蛋白或多泛肽链上 2020/3/12
AMP
E1--SAHMP-
E1-SH ATP
PPi
泛肽化酶(ubiquitination enzyme）
—蛋白酶体（proteasome）结构示意图
19S Regulatiry Subunit
UbqConjugate
148Å
113Å
20S Proteasome
细胞质
叶绿体外膜
信号肽 C
可溶性蛋白水解酶切 除第一部分信号肽
N 跨类囊体膜运转
叶绿体内膜
信号肽
切除第二部分信号肽
折叠
类囊体
成熟类囊体蛋白
类囊体膜
2020/3/12
叶绿体蛋白质跨膜转运
2020/3/12
叶绿体的蛋白质定向转运
2020/3/12
核定位蛋白跨细胞核膜 转运过程示意图
定位于不同亚细胞结构的细菌蛋白质信号肽序列
泛肽由多基因族编码， 不同生物Ub基因的数目和 种类有较大差异。
Gly76 Gly75 Arg74
Lys29
Lys49 Tyr49
2020/3/12
Met1 Lys63
与泛肽活化有关的酶
泛肽活化酶(E1)：催化Ub 的C-末端与酶分子中巯基 结合
泛肽载体蛋白(E2)：作泛 肽的中间载体
泛肽-蛋白连接酶(E3)：
➢细胞内蛋白质水解是高度选择性的，不同蛋白质的半衰期从数分 钟到数周，决定其半衰期的信号常常是小的、保守的结构模体，该 过程不仅是复杂的基因功能调控级联的最后步骤，而且是氨基酸再 循环系统的组成部分。
2020/3/12
2.细胞内蛋白质降解的特点
➢在大肠杆菌中，许多蛋白质的降解是通过一个依赖于ATP 的蛋白酶（称为Lon）来实现的。当细胞中存在有错误或半 衰期很短的蛋白质时，该蛋白酶就被激活。每切除一个肽 键要消耗两分子ATP。 ➢在真核生物中，蛋白质的降解需要泛素(Ubiquitin)，一个 有76个氨基酸残基组成极为保守的蛋白参与。与泛素相连 的蛋白将被送到一个依赖于ATP的蛋白酶体(Proteasome)。
2020/3/12
第五节 蛋白质转运机制
1、翻译－转运同步机制：分泌蛋白 ➢ 信号肽假说简图 ➢ 分泌蛋白质的合成和胞吐作用 2、翻译后转运机制：线粒体与叶绿体蛋白 ➢ 蛋白质向线粒体的定位机制 ➢ 蛋白质向叶绿体的定位机制 3、核定位蛋白质的转运机制
2020/3/12
蛋白质N端信号肽的特点
1.完整的信号肽是保证蛋白质运转的必要条件； 2.仅有信号肽不足以保证蛋白质运转的发生； 3.信号序列的切除并不是运转所必须的； 4.并非所有的运转蛋白质都有可降解的信号肽。
2020/3/12
阿弗拉姆·赫尔什科 国籍：以色列 出生：1937年 学位：希伯来大学医学博士 现任职地点：以色列工学院
欧文.罗斯 国籍：美国 出生：1926年 学位：芝加哥大学博士 现任职地点：加州大学
在正常代谢条件下,细胞内合成和降解蛋白质必须有 精确的时空调节和选择,如果蛋白质降解速率和位点出现 异常，就会出现病态。目前已发现多种蛋白质降解途径:
2020/3/12
Unfolding Cleavage
26S proteasome
去泛肽化酶(deubiquitination enzyme，DUBs）
在泛肽途径中靶蛋白被26S蛋白酶体降解时，泛肽只 是降解信号，并未被降解，而是经去泛肽化酶(DUBs)再生 之后重新利用。去泛肽化酶是半胱氨酸蛋白酶，具有裂解 酯键、硫酯键以及泛肽C-端与Lys侧链-NH2形成的异肽键 的活力，亦被称为异肽酶。已在不同物种的许多组织中鉴 定出多种DUBs， DUBs由两个基因家族编码，一是泛肽C端水解酶（Ub carboxyl-terminal hydrolases,UCH）基 因家族，另一个是泛肽专一的加工蛋白酶（Ub specific processing proteases,UBP）基因家族。
E1 -SH
E2-SH E1-SH
E2-S-
E3 E2-SH
去泛肽化酶
19S调节亚基
ATP
20S蛋白酶体
2020/3/12
ATP
26S蛋白酶体
多泛肽化 蛋白
去折叠 水解
泛肽（ubiquitin）
泛肽是一种保守的蛋白 质，含76个氨基酸，所有 泛肽均有相同的三维结构， 主要定位于细胞溶胶和细 胞核，因其广泛存在于各 类细胞而命名为泛肽。
2020/3/12
导肽
带有导肽的线粒体蛋白质前体 跨膜转运过程示意图
hsp70
Tom
内外膜接触位点的 蛋白质通道
Tom受体复合物
Tim 线粒体hsp70
ATP ADT+Pi
折叠
蛋白酶切 除导肽
线粒体的蛋白质转运装置 2020/3/1T2 OM和TIM复合体
线粒体内外膜的接触点
C 类囊体蛋白前体
N 跨叶绿体膜运转
(3)对不规范的多泛肽链进行修剪，使之更好地被26S蛋白 酶体识别与结合。
(4)裂解泛肽Gly76的羧基与-NH2间的肽键，用于泛肽前体 的加工。
（5）有些UDB实际上是26S蛋白酶中19S调节复合物的组分。
2020/3/12
成熟多肽N-端第一个残基影响对蛋白质的稳定性
2020/3/12
2020/3/12
3.蛋白质降解的泛肽途径
蛋白质降解的泛肽途径是通过对不需要的蛋白质贴上标签(泛蛋白化 作用)来调节特定蛋白质的存在，这种分子标签是由一种名为泛素的多 肽组成。蛋白质被贴上标签的过程被称为“死亡之吻”，因为贴上标签 的蛋白质很快被送往细胞中名为蛋白质酶体的“垃圾桶”中，并在那里 被切碎、分解。
能启动蛋白质运转的任何一段多肽——信号肽
2020/3/12
信号肽假说简图
5ˊ
核糖体受体
SRP 循环
GTP
GDP+Pi
SRP受体 内质网膜
多肽运转复合物 内质网腔
信号肽 信号肽酶
3ˊ
mRNA
2020/3/12
分泌蛋白质的合成和胞吐作用
芽泡
泡融入 质膜
泡
泡
核糖体
ຫໍສະໝຸດ Baidu
内质网
高尔基体
2020/3/12
线粒体外膜 线粒体内膜
2020/3/12
SecB
SecA
SecB
细胞质
SecYEG
周质空间
2020/3/12
细菌中蛋白质的跨膜转运
第六节 蛋白质的更替
1.细胞内蛋白质降解的生物学意义
1、维持细胞内氨基酸代谢库的动态平衡 2、参与细胞程序性死亡和储藏蛋白质的动员； 3、按化学计量累计寡聚蛋白的亚基或脱辅基蛋白/辅助因 子比率； 4、蛋白质前体分子的水解裂解加工； 5、清除反常蛋白以免积累到对细胞有害的水平； 6、控制细胞内关键蛋白的浓度； 7、参与细胞防御机制。
泛蛋白化作用是一个活跃的可逆过程，泛蛋白化和去泛蛋白化相互 平衡，对细胞进行着调控作用，包括蛋白质的降解、细胞周期控制、胁 迫反应、DNA修复、基因的转录、免疫反应、信号转导、翻译调控和胞 吞作用。
2020/3/12
蛋白质降解的泛肽途径示意图
ATP AMP+PPi E1-S-
（ubiquitin）
C-Amino Hydrolase
E2-SH E3 E2-S
Target Protein Ubiquitin
26S Proteasome
❖ ATP
Amino acid
C-Amino Hydrolase
直接或间接地与特定的靶 E1-SH
蛋白结合，直接或间接地
E1-S
将泛肽从硫酯中间物转移
E2-SH
2020/3/12
2019年诺贝尔化学奖
化学奖授予两位以色列科学家阿龙·切哈诺沃、阿弗拉姆·赫尔 什科和美国科学家欧文·罗斯，以表彰他们发现了泛素调节的蛋白质 降解，也就是说他们发现了一种蛋白质死亡的重要机理。
阿龙·切哈诺沃 国籍：以色列 出生：1947年 学位：以色列工学院医学博士 现任职地点：以色列工学院
1. 溶酶体途径，主要降解入胞蛋白（如受体介导的蛋白质胞 饮），应急状态下降解细胞内蛋白，尤其是结构蛋白；
2.细胞膜表面水解酶系统； 3. Caspase蛋白酶家族； 4.高度保守的泛素-蛋白水解酶复合体通路（ubiquitinproteasome pathway,UPP） ； 5.特殊细胞器的水解系统，如线粒体内La蛋白酶、高尔基体内 Keｘ2水解酶、叶绿体内ClpAP等.