生物化学第30章蛋白质降解和氨基酸的分解代谢

蛋白酶体
蛋白酶体是一个大的寡聚体结构，有一个中空
的腔。古细菌Thermoplasma acidophilum的蛋白酶
体为20S、700kD的桶状结构，由两种不同的亚基α 和β组成，它们缔合成α7β7β7α7四个堆积的环。这个 桶有15nm高，直径11nm，中间有一个可分为3个区 域的空腔，蛋白质降解就发生在这个腔中。两端的
泛肽
泛肽（ubiquitin）又名遍在蛋白质、泛素，它是
一个由76个氨基酸残基组成的小蛋白质。它通过其C
端Gly的羧基与被降解的蛋白质的氨基共价结合，通 常结合在Lys的ε氨基上，这是一个需要消耗ATP的反 应。这样给被降解的蛋白质作了一个标记，随后将 标记了的靶蛋白质引入蛋白酶体中降解。
一般有多个串联的泛肽连接到一个靶蛋白上，
泛肽与靶蛋白的连接
泛肽的活化
泛肽活化酶
泛肽与靶蛋白的连接
泛肽的转移及与靶蛋白连接
泛肽载体蛋白
泛肽-蛋白质连接酶
泛肽蛋白质连接酶
E3在识别和选择被降解蛋白质的过程中起着 重要的作用。E3 主要是通过备选蛋白质N端氨基 酸的性质来选择靶蛋白质的，以Met、Ser、Ala、
Thr、Val、Gly或Cys为N末端的蛋白质对泛肽介
被降解的蛋白质在进入蛋白酶体降解之前，需 要被泛肽标记。
泛肽依赖性蛋白降解途径
泛肽依赖性蛋白降解途径(Ubiquitin-dependent
proteolytic pathway)是目前已知的最重要的，有高 度选择性的蛋白质降解途径。它通过调节功能蛋白 质的周转(turn over)或降解不正常蛋白，实现对多 种代谢过程的调节。
硝化作用
反硝化作用
固氮作用
一、蛋白质的降解
机体对外源蛋白质的消化吸收
高等动物摄入的蛋白质在消化道内被胃蛋
白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、 羧肽酶、氨肽酶等降解，全部转变成氨基酸， 被小肠吸收。
细胞内蛋白质的降解
细胞内的蛋白质是处于不断地周转（turnover）
的。一些异常的蛋白质、不需要的蛋白质需要清除。 对一种特定的蛋白质来说，它在细胞中的含量取决 于合成和降解的速率。通过对一些代谢途径的关键 酶的合成和降解，控制酶的含量，也是控制代谢途 径运行的一个重要措施。
细胞内蛋白质降解的机构
蛋白质降解是限制在细胞内的特定区域的，一 种是称为蛋白酶体（proteasome）的大分子结构，另 一种是具有单层膜的细胞器溶酶体（lysosome）。
溶酶体中含有约50种水解酶，它与吞噬泡及细
胞内产生的一些自噬泡融合，然后将摄取的各种蛋
白质全部降解，对被降解的蛋白质没有选择性。
泛肽蛋白质连接酶
E3是一个蛋白质家族，根据它们识别靶蛋白质特 异性位点的不同，可将它们可分为3种识别类型：类 型Ⅰ识别N末端为碱性氨基酸的蛋白质，如Arg、Lys 或His；类型Ⅱ识别N末端为大疏水基团氨基酸的蛋白
质，如Phe、Tyr、Trp或Leu；类型Ⅲ识别肽链中间
的特异序列。
以酸性氨基酸为N末端的蛋白质的降解需要
α7 环解折叠被降解的蛋白质，并将其送入中央的腔
内，而β亚基具有蛋白裂解活性。蛋白酶体降解蛋白 质的产物为7～9个氨基酸残基的寡肽。
古细菌T. acidophilum 20S 蛋白酶体的结构
顶面观
侧面观
纵剖面观
真核细胞中的蛋白酶体
真核细胞含有两种蛋白酶体：20S和26S蛋白酶
体。26S蛋白酶体（1700kD）是一个45nm长的结构，
转氨酶（aminotransferase)
催化转氨反应的酶很多，大多数转氨酶以α
－酮戊二酸为氨基受体，而对氨基供体无严格要
求。
动物和高等植物的转氨酶一般只催化L-氨基 酸的转氨，某些细菌中也有可以催化D-和L-两种 构型氨基酸转氨的转氨酶。
葡萄糖－丙氨酸循环
在肌肉中有一组转氨酶，可把肌肉中糖酵解 产生的丙酮酸当作氨基的受体。形成的丙氨酸进 入血液，运输到肝脏，在肝脏中再次转氨产生丙 酮酸，丙酮酸可进入糖异生途径产生葡萄糖，再 回到肌肉中。 通过葡萄糖－丙氨酸循环，将肌肉中的氨运 输到了肝脏。在肝脏中，氨可转变成尿素，从尿 液中排出。
DBRP及其识别序列
Cyclin 细胞周期蛋白
CDK
Cyclin-dependent protein kinase
Destruction box of cyclin
Arg-Thr-Ala-Leu-Gly-Asp-Ile-Gly-Asn （此序列靠近Cyclin的N端）
DBRP
Destruction box recognizing protein
导的降解途径有抗性，而以Arg、Lys、His、Phe、 Tyr、Trp、Leu、Asn、Gln、Asp或Glu为N末端 的蛋白质的半寿期只有2～30分钟。 也有的E3识别靶蛋白肽链中的某一段序列。
Relationship between Protein Half-Life and Amino-Terminal Amino Acid Residue
26S proteasome
泛 肽 ∣
19S caps
细胞周期蛋白的周期性变化
在细胞周期中，细胞周期蛋白（cyclin）周期 性的合成和降解，从而调节细胞的分裂。
细 胞 周 期
G2 Phase No DNA synthesis. RNA and protein synthesis continue.
Cyclin-CDK在细胞周期中的变化
CDK
Cyclin的降解
细 胞 作周 用期 之蛋 一白 的
二、氨基酸分解代谢
氨基酸是合成蛋白质和肽类物质的基本成分， 可以氧化释放出能量，还可以转变成各种其他含氮 物质。 氨基酸的分解一般有三步： 1.脱氨基； 2.脱下的氨基排出体外，或转变成尿素或尿酸排出 体外； 3.氨基酸脱氨后的碳骨架进入糖代谢途径彻底氧化。 碳骨架也可以进入其他代谢途径用于合成其他物质。
葡 萄 糖 丙 氨 酸 循 环
∣
（二）谷氨酸氧化脱氨作用
转氨作用产生了大量的谷氨酸，谷氨酸可以在
谷氨酸脱氢酶的作用下发生氧化脱氨（谷氨酸→ α-
酮戊二酸），该酶以NAD+ 作为氧化剂。而在催化
逆反应时（α-酮戊二酸→谷氨酸）以NADPH为还
原剂。谷氨酸脱氢酶由6个亚基组成，存在于细胞
溶胶中，它受GTP和ATP的别构抑制，受ADP的别
3. E3与磷酸化的靶蛋白识别结合。
4. E3被磷酸化后与靶蛋白识别结合。
5. E3被磷酸化后与磷酸化的靶蛋白识别结合。
6. E3通过一个辅助蛋白与靶蛋白识别结合。
7. E3与变性后的（解折叠的）靶蛋白识别结合。
被泛肽介导降解蛋白质的特点
大多数具有敏感N末端氨基酸残基的泌性蛋白质，这
tRNA参与，将Arg-tRNA的Arg转移到酸性蛋白质的 N末端，使之转变成碱性N末端，然后与泛肽连接。
Arg-tRNA将蛋白质的酸性氨基酸 N末端转变成碱性氨基酸N末端
泛肽系统的梯级结构
E3与靶蛋白质的各种识别模式
1. E3与靶蛋白的N端识别结合。
2. E3被激活剂激活后与靶蛋白识别结合。
些蛋白质通过信号肽酶的作用暴露出敏感的N末端氨 基酸残基。也许N末端识别系统的功能就是识别和清 除任何入侵的异质蛋白质或分泌性蛋白质。 其他触发泛肽连接和蛋白酶体降解的蛋白质含有 PEST序列，PEST序列是一个富含Pro、Glu、Ser和 Thr残基的高度保守的短序列。
PEST sequence
是在20S蛋白酶体的两端各加上1个19S的帽结构或
称PA700（Proteasome activator-700kD），这种帽
结构至少由15个不同的亚基组成，其中许多有ATP 酶活性。与古细菌20S蛋白酶体不同，真核细胞的 蛋白酶体含有7 个不同的α亚基及7 个不同的β亚基。
ubiquitin
降 解蛋 途白 径酶 体
Certain amino acid sequences appear to be signals for degradation. One such sequence is known as the PEST sequence because short stretch of about eight amino acids is enriched with proline(P), glutamic acid(E), serine(S), and threonine(T). An example is the transcription factor Gcn4p. This protein is 281 amino acids in length and the PEST sequence is found at positions 91-106. The normal half-life of this protein is about 5 minutes. But if the PEST sequence (and only the PEST sequence) is removed, the half-life increases to 50 minutes.
（一）氨基酸的转氨作用
α -酮酸1
氨基酸2
氨基酸1
××转氨酶
α -酮酸2
谷草转氨酶
转氨反应机制
转氨酶以磷酸吡哆醛为辅基，从氨基酸上脱
下的氨基先结合在磷酸吡哆醛上，氨基酸转变成 α －酮酸，然后氨基转到另一个α 酮酸的α 碳上， 产生新的氨基酸。结合氨的反应是脱氨反应的逆 反应。转氨反应机制详见P305图30-3。
构激活。
谷氨酸的氧化脱氨反应
谷氨酸
谷氨酸脱氢酶
α -亚氨基戊二酸
谷氨酸脱氢酶
α -酮戊二酸
（三）其他氧化脱氨作用