备课素材：泛素与蛋白质降解-2023-2024学年高一上学期生物人教版必修1

泛素与蛋白质降解 先看一道试题： 研究发现，细胞中一些不需要的蛋白质是通过泛素 (一种多肽)调节被降解的。对于人体一些不需要的致病 蛋白质，泛素分子会主动与之“拥抱”，继而再在这些蛋 白质上留下“亲吻”标记，被标记的蛋白质很快就会运送 到一种称为蛋白质酶体的复合物中被降解掉。下列分析不 合理的是（) A.泛素和被标记的死亡蛋白质的合成都受DNA控制 B.泛素分子的合成在核糖体，泛素降解在蛋白质酶体 C.细胞质和细胞核中都存在能够降解蛋白质的蛋白质 酶体 D.蛋白质酶体具有酶的催化活性，催化断裂的化学键是 肽键 【答案】B 【解析】根据题目信息：泛素是一种多肽，其合成受 DNA控制，A合理；泛素这种多肽的合成在核糖体上进 行，蛋白质酶体的降解具有专一性，只降解被泛素标分子， B不合理：不论细胞质和细胞核都存在不需要的致病蛋白 质，它们都需要在标记后被蛋白质酶体降解，因此C合 理；蛋白质酶体具有降解致病蛋白质的功能，降解是在酶 的催化下把蛋白质分解的过程，因此，蛋白质酶体具有酶 的催化功能，其催化断裂的化学键是肽键。 这道试题以泛素与蛋白质的降解为情景考查蛋白质的结构 和降解。教材中没有介绍。 那么，什么是泛素？如何参与蛋白质降解？ 泛素(ubiquitin)是一类真核细胞内广泛存在的小分子蛋白质， 大小为76个氨基酸残基。泛素间可以通过酶促反应相互连接，进 而介导靶蛋白降解。 泛素之于蛋白，如“死亡之吻”一般，它将信号传送给蛋白酶 决定了哪些蛋白会被“消灭”，降解为小肽。2004年，美国著名 的生物化学家欧文，罗斯(Irwin Allan Rose)与以色列科学家阿 龙.切哈诺沃(Aaron Ciechanover)、阿夫拉姆·赫什科(Avram Hershko)因发现了泛素调节的蛋白质降解共同获得诺贝尔化学 奖。 蛋白质构成了一切有生命的事物，在过去的几十年中，科学 家们已经在阐释细胞如何生成各种不同的蛋白质方面获得了许 多突破，但蛋白质是如何分解的问题却没有太多的人来关注。 生物体内存在着两类蛋白质降解过程，一种是不需要 ATP提供能量的，比如发生在消化道中的降解，这一过 程只需要蛋白质降解酶参与；另一种则需要ATP提供能 量，它是一种高效率、指向性很强的降解过程。这如同拆 楼一样，如果大楼自然倒塌，并不需要能量，但如果要定 时、定点、定向地拆除一幢大楼，则需要炸药进行爆破。 “蛋白质的定向拆除” 从80年代初开始，三位获奖者就通过一系列研究，找出了蛋 白质分解的秘密。细胞就像一个高效的检查站，蛋白质在这里以 惊人的速度完成合成和分解。一种由76个氨基酸构成、被称为泛 素”的多肽就是主宰蛋白质分解的“上帝之手”。它就像是一个标 签，被贴上标签的蛋白质如同接受了“死神之吻”，等待被送往细 胞中的“垃圾站”一一蛋白质降解体，在那里被切成片段，最终摧 毁。最神奇的是，作为标签的泛素仅仅充当一个押送员，一旦蛋 白质到达蛋白质降解体，它就会自动分离开来，从而重新被利用。 由泛素调节的蛋白质分解过程对于生命体非常重要。细胞中合 成的蛋白质并非个个都是优等品，通常而言，约有30%的新合 成蛋白质会因为无法通过“质量检查”而被销毁。如果这个分解过 程出现了问题，比如销毁过多的新生蛋白质，或让不良蛋白质未 经检查而过关，就会诱发疾病。 一种称为“基因卫士”的P53蛋白质可以抑制细胞发生 癌变，但如果对P53蛋白质的生产把关不严，就会导致 人体抑制细胞癌变的能力下降，诱发癌症。事实上，在一 半以上种类的人类癌细胞中，这种蛋白质都产生了变异。 泛素调节的蛋白质降解在生物体中如此重要，因而对它的 开创性研究也就具有了特殊意义。 泛素介导的蛋白质降解过程 Protein fragments Ub Ub Ub:泛素分子 ATP E1:泛素激活葫 AMP E2:泛素转移碳 E3:泛素连接随 E1 Proteasome:蛋白酶体 Substrate:靶蛋自 Ub Substrate 6 E3 Ub E2 Ub Ub Ub (I)E1酶负责激活泛素分子。这种反应需要ATP能量。 (2)泛素分子被激活后就被运送到E2酶上，E2酶负责把泛素 分子绑在需要降解的蛋白质上。 (3)E3酶能辨认需要被销毁的蛋白质。当E2酶携带着泛素分 子在E3酶的指引下接近指定蛋白质时，E2酶就把泛素分子绑在 指定蛋白质上。 (4)E3酶把指定蛋白质运送到细胞内的一种称为蛋白酶体的结 构中。 (5)E3酶根据绑在指定蛋白质上的泛素分子标签决定接受并降 解这种蛋白质。 (6)经过蛋白酶体的处理，蛋白质就被切成由7至9个氨基酸 组成的短链。 蛋白酶体 较大的多亚基复合体，中央有20s亚基组成的圆柱体和195 亚基组成的圆柱体的盖子：圆柱体和盖子形成完整的26s蛋白酶 体；蛋白酶体途径是