第二节蛋白质结构与功能的关系 - 图文(5)

氨基端的第一个肽键，每次分解出一个氨基酸或一个二肽。二肽酶(dipeptidase)可以水解所有的二肽成为两个氨基酸。

氨肽酶胃蛋白酶胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶羧肽酶H2N-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH-COOHCH2CHCH3CH3OHRCH2（CH2）　CH2　NH2　CH2　SHR

图3-12 蛋白质水解酶的专一性

羧肽酶(carboxypeptidase) 的作用是水解肽链羧基末端的肽键，对不同氨基酸组成的肽键也有一定的专一性。如羧肽酶A优先作用于中性氨基酸为羧基端的肽键；羧肽酶B水解以碱性氨基酸为羧基端的肽键。 2．蛋白酶的分类

生物体内的蛋白酶按其活性部位的结构特征可以分为下列四种类型：

①丝氨酸蛋白酶类（serine proteinase）(EC3.4.2.1):活性部位含有组氨酸和丝氨酸残基，受异丙基氟磷酸(DIFP)的强烈抑制。胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶和枯草杆菌蛋白酶等均属此类。

②半胱氨酸蛋白酶（cyseine proteinase）(EC3.4.2.2)：活性部位含有半胱氨酸残基，对于碘乙酸、对羟基汞苯甲酸等抑制剂十分敏感。一些植物蛋白酶如无花果蛋白酶、菠萝蛋白酶、木瓜蛋白酶等均属于此类。

③酸性蛋白酶(acid proteinase)(EC3.4.2.3)：活性部位含有天冬氨酸残基，最适pH在5以下。抑胃肽(pepstatin)专一地抑制这类酸性蛋白酶。胃蛋白酶、胰凝乳蛋白酶属于此类。

④金属蛋白酶(metalloproteinase)(EC3.4.2.4)：含有Zn2+、Mg2+等金属离子，受金属螯合剂EDTA等的抑制。嗜热菌蛋白酶、信号肽酶以及氨肽酶、羧肽酶等属于这一类。

由于一些蛋白酶的专一性，如胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶常用在蛋白质一级结构的测定中。 3.4.2蛋白质的选择性降解 1.胞内蛋白质降解的意义

生物细胞的组分在不断地更新。像细胞其它组分一样，蛋白质也在不断地降解和更新，蛋白质的生命周期短至几分钟，长至几星期或更长的时间。如表10－1所示。

一般情况下，生物细胞不断地将氨基酸合成蛋白质，又不断地将蛋白质分解成氨基酸，这种看似浪费的过程实际上有着非常重要的功能：第一，以蛋白质的形式贮存养分，并在代谢需要时将之降解，以便为代谢过程提供必需的营养物质；第二，去除对细胞有害的异常蛋白。例如生物体内由于基因突变、生物合成误差、自发变性、自由基破坏以及环境胁迫和疾病可能会导致异常蛋白的产生，及时将之降解，以免干扰正常的生命活动；第三，去除多余的酶和调节蛋白。细胞内蛋白质的降解速度与合成速度受到严格的调控，半衰期短的蛋白虽

然不到总蛋白的10％，但却包括许多代谢途径的限速酶。例如：控制细胞周期、细胞分化和细胞增殖的蛋白质，调节基因表达的转录因子等。由于它们的半衰期很短，便于通过基因表达和降解对其含量进行精确、快速的调控，以便对表达产物进行控制；第四，维持体内氨基酸代谢库。以体重70kg的健康成人为例，体内约有组织蛋白14000g，每日分解和重新合成的蛋白质约300～500g，由食物提供的氨基酸约70～100g，自己合成的氨基酸约30～40g，血液和组织内的氨基酸（代谢库）约300～700g。另外，为了有效地利用转基因技术生产有价值的蛋白质，也需要了解细胞内蛋白质降解机制，以免这些外来蛋白被转基因生物破坏。

表10－1鼠肝中某些酶的半衰期

酶

短半衰期

鸟氨酸脱羧酶 RNA聚合酶I 酪氨酸氨基转移酶 丝氨酸脱水酶 PEP羧化酶

长半衰期

醛缩酶 3-磷酸甘油醛脱氢酶

细胞色素b 细胞色素c

2．胞内蛋白质降解系统：

半衰期/h 0.2 1.3 2.0 4.0 5.0 118 130 130 150

溶酶体系统（酸性系统）：溶酶体含有约50种水解酶，其中有一系列的蛋白酶。溶酶体维持其内部pH约为5左右，其所含酶类的最适pH值均为酸性，因此又称为酸性系统。溶酶体可以降解细胞通过胞吞作用摄取的物质。它们也可回收细胞内的组分，这些胞内组分被包裹在液泡中，并与溶酶体融合。在营养丰富的细胞中，溶酶体的蛋白质降解是没有选择性的。但是在饥饿细胞中，这种降解会消耗必需的酶和调节蛋白，因此溶酶体也具有一种选择途径，即引入和降解含有5肽Lys-Phe-Glu-Arg-Gln或密切相关序列的胞内蛋白质，这种选择途径只有在长时间禁食后才被激活。在对禁食做出衰退反应的器官中对此5肽蛋白进行有选择的丢失（例如肝脏和肾），而在对禁食不作此反应的器官中则不会丢失（例如脑和睾丸）。许多正常和病理过程都伴有溶酶体活性的增加。例如在分娩后出现的子宫回缩，这个肌肉型器官的重量在9天内从2kg减少到50g ，就是这一过程的明显例子。许多引起炎症的慢性疾病，如风湿性关节炎就涉及到溶酶体酶的释放，从而降解周围组织。 蛋白质降解的泛肽途径（碱性系统）：蛋白质降解的泛肽（ubiquition）途径是在pH7.2的胞液中起作用，因此又称为碱性系统，主要水解短寿命的蛋白质和异常蛋白。泛肽是一个由76个氨基酸残基组成的小分子蛋白质，因其广泛存在且含量丰富而得名。它是目前所知的高度保守的真核生物蛋白之一。 蛋白质通过与泛肽共价相连而携带了降解标记。

Avram Hershiko将此过程用3个步骤进行阐述（图10-3），说明泛肽化涉及的反应：

(1)经过一个需要ATP的反应，泛肽的末端羧基通过硫酯键与泛肽激活酶(ubiqutin-activating enzyme，E1)共价相连。 (2)然后，在泛肽结合酶（ubiqutin—conjugation enzyme ，E2）的作用下泛肽转移到几种小蛋白质中

图12-3 蛋白质降解的泛肽途径

的某一小蛋白质的巯基上，形成活化的泛肽。

(3)泛肽－蛋白连接酶（ubiqutin-protein ligase，E3）将活化的泛肽从E2转移到待降解的蛋白质即被选定的蛋白质上，使其C－端羧基与底物蛋白中赖氨酸残基的ε－氨基形成异肽键（isopeptide bond）。通常几个泛肽分子一起连接到某个待降解的蛋白质上，有50个或更多的泛肽分子可形成一个多泛肽链与待降解的蛋白相连，其中每一个泛肽分子的48位Lys的ε－氨基与后一个泛肽分子的C末端羧基形成异肽键，完成对底物蛋白的多泛肽化标记。某些蛋白质必须进行多泛肽化标记才能降解，当不需要降解时，蛋白质上的多泛肽化分子在泛肽异构酶的催化下可以去除。E1、E2、E3负责识别不同类型的短寿命蛋白和异常蛋白。此外还有一类泛肽C－端水解酶，负责校正错误的泛肽化以及把成串的泛肽水解成单体以重复利用。被多泛肽化标记的靶蛋白由26S蛋白酶体（proteasome）迅速降解成小的肽段，再由其它肽酶水解成游离氨基酸。

26S蛋白酶体由一个20S蛋白酶体的中空圆筒形核心组成，两端各覆盖一个19S的“帽子”。Robert Huber

利用X－射线测定了20S蛋白酶体的结构，显示该蛋白质复合体由6182个氨基酸残基组成，分子量为700kDa，包含14个α－型亚基和14个β－型亚基，构成4个7聚体（α7β7β7α7）叠成的空桶状结构。两端的α7构成了底物进入和产物逸出的通道及19S调节亚基结合部位，中部的β7β7具有多种蛋白酶活性。如图10－4所示。19S调节亚基至少含有18种蛋白组分，在ATP存在下与20S组成有活性的26S蛋白酶体。虽然α亚基和β亚基在结构上十分相似，但是只有β亚基有蛋白水解酶活性。结合X－射线结构和酶学研究发现，β亚基通过一种尚未完全了解的机制催化肽键水解，这一机制不同于其它已知的蛋白水解机制，它涉及β亚基的N末端Thr残基的参与。其活性位点位于20S蛋白酶体的圆筒之内，20S蛋白酶体将其多肽底物切割成约8个残基的片段，随后这些片段扩散到蛋白酶体外。细胞质中的肽酶再将这些小肽降解成氨基酸。但是连接在靶蛋白上的泛肽分子并不被降解，而是重新回到细胞中再次利用。

图10-4 酵母20S蛋白酶体的X射线结构

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