备课素材知识点：蛋白泛素化修饰 高中生物人教版必修1

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泛素（Ub）是一种小分子蛋白质，大部分真核细胞都含有这种蛋白质。泛素能与细胞中需要降解的蛋白质结合，这个过程被称为蛋白质泛素化，其过程如图1所示（E1、E2和B表示不同的酶分子，ATP脱去一个焦磷酸PPi形成AMP即腺苷—磷酸）。
泛素化蛋白被细胞内蛋白酶体识别，然后被水解。泛素蛋白最后一个氨基酸是甘氨酸，这个氨基酸的羧基与需降解蛋白质多肽链内部R基团上的氨基脱水缩合。泛素蛋白通过这种方式与需降解蛋白连接。两个泛素蛋白之间的连接方式与这种方式相似，泛素蛋白第48个氨基酸是赖氨酸，这个氨基酸R基上的氨基与另一个泛素蛋白最后一位的甘氨酸的羧基脱水缩合，如此形成需降解蛋白与多个泛素的复合体（图2为甘氨酸和赖氨酸的化学结构式）。被四个以上泛素标记的蛋白质会被蛋白酶体识别。蛋白质会被蛋白酶体降解成短肽。降解过程中，泛素也被水解下来，形成单个泛素蛋白，再用于另一个蛋白质分子的泛素化。被泛素标记后，再被定向清除。据此回答问题：
（1）蛋白质泛素化过程是酶E1、E2、E3接力催化完成的。其中 ______（填“E1”、“E2”或“E3”）酶具有多种类型，做出此判断的理由是 ______。
（2）绘图表示甘氨酸羧基与赖氨酸R基上的氨基脱水缩合后，所形成的物质的化学结构式 ______。这一物质 ______（填“属于”或“不属于”）二肽。
（3）泛素降解途径在生物体生命活动过程中的意义是 ______（多选）。
A．降解细胞不需要的蛋白质
B．调节细胞内蛋白质的种类和数量
C．调整细胞功能
D．利于细胞产生适应环境的定向变异
解析：
（1）蛋白质泛素化过程是酶E1、E2、E3接力催化完成的，由图可知，E3识别并结合带有泛素的E2和需降解蛋白，即E3需要识别各种空间结构不同的、需降解的蛋白质，所以与E1、E2相比，E3的空间结构应具有多样性。
（2）氨基酸生成二肽，就是两个氨基酸分子中与碳原子直接相连的氨基和羧基脱去一个水分子，故甘氨酸羧基与赖氨酸R基上的氨基脱水缩合后，所形成的物质不属于二肽，其化学结构式为。
（3）通过泛素降解能降解细胞不需要的蛋白质；调节细胞内蛋白质的种类和数量，从而调整细胞功能，所以泛素降解途径在生物体生命活动过程中具有重要的意义。
答案：
（1）E3 因为E3需要识别各种空间结构不同的、需降解的蛋白质，所以E3的空间结构应具有多样性
（2）；不属于
（3）ABC
此题以蛋白质泛素化过程为情境考查蛋白质的结构与功能。
那么，什么是蛋白质泛素化？
泛素化是指泛素分子在一系列特殊的酶作用下，将细胞内的蛋白质分类，从中选出靶蛋白分子，并对靶蛋白进行特异性修饰的过程。泛素化作为蛋白翻译后修饰的方式之一，不仅参与蛋白质的降解，在调节细胞功能方面也发挥着重要作用，它使蛋白质的结构更为复杂，功能更为完善，调节更为精细，作用更为专一。
泛素化修饰概念
泛素(Ub, ubiquitin)：一类低分量的蛋白质，普遍存在于真核细胞中，故名泛素，具有高度保守性，从酵母到人仅相差 3 个氨基酸。它的主要功能是标记待分解的蛋白。当被泛素标记的蛋白质移动到蛋白酶时，会发生蛋白质水解。泛素也可标记跨膜蛋白，如受体，将其从细胞膜上除去。泛素由76个氨基酸组成，分子量大约8500 Da。
泛素间连接方式：泛素具有7个赖氨酸残基（K6，K11，K27，K29，K33，K48，K63）和一个甲硫氨酸残基（M1）。泛素之间主要通过赖氨酸残基和甲硫氨酸残基进行各种连接。由此产生的泛素链产生一定的拓扑结构，可通过对蛋白底物进行修饰并决定底物的功能。
泛素化：泛素分子在一系列酶作用下，对靶蛋白进行特异性修饰的过程。
泛素化修饰过程
泛素化是可逆的，依赖ATP并且通过3种泛素化酶的协同作用:E1 泛素激活酶、E2泛素结合酶和E3泛素连接酶，产生一系列催化反应所致。据估计人基因组编码2种E1、大约40种E2和超过600种E3。
①泛素与E1连接活化：泛素甘氨酸端的羧基连接到泛素活化酶E1的巯基，这个步骤需要以ATP作为能量，最终形成一个泛素和泛素活化酶E1之间的硫酯键。
②泛素与E2结合：E1将活化后的泛素通过交酯化过程交给泛素结合酶E2。
③泛素通过E3与目标蛋白连接：泛素连接酶E3将结合E2的泛素连接到目标蛋白上，当蛋白上已经存在泛素的时候，结合了E2的泛素可以直接连接在其上而不通过E3。E3泛素化连接酶具有特异性，其中E3泛素化连接酶决定靶蛋白的特异性识别，目前在人体中发现了三百多种E3。
最终，被标记的蛋白质被蛋白酶分解为较小的多肽、氨基酸以及可以重复使用的泛素。
图1. 泛素化修饰过程
泛素化类型
单泛素化——在一个底物蛋白残基上添加一个泛素分子。
多泛素化——将一个泛素分子添加到多个底物残基中。
根据泛素与底物的连接位点，目前有9种方式的泛素化，包括M1, K6，K11，K27，K29，K33，K48，K63, G76。不同方式的泛素化调控不同的功能。其中，与蛋白酶体降解相关的泛素化为K48。尽管K11或K29连接的泛素链和其它多种非泛素化修饰也可以发挥蛋白酶体信号的功能，但K48连接的泛素链是最普遍的蛋白酶体靶点信号。同时K48连接的多泛素化也有不依赖蛋白酶体的功能，包括对信号事件和转录的调控，可能受泛素链的长度决定[5]。
泛素化的功能：
蛋白酶体降解、选择性自噬、信号通路（如NF-κB）、细胞内吞、DNA损伤响应、细胞周期控制和细胞程序性死亡等。