5.1.2.2 叶绿体中的蛋白降解系统
5.1.2.2 Protein Degradation System in Chloplast
5.1.3
蛋白质降解的生物学意义
最近十几年对各类生物细胞内蛋白降解的 研究取得了长足的进展。以植物细胞为例， 每个区隔有一个或多个降解途径（图5.1）。
图5.1 植物细胞中蛋白酶和蛋白水解途径的亚细胞定位
在氨基酸供给不足的条件下，自体吞噬泡的数量增加，细胞 蛋白降解加速，以弥补氨基酸代谢库的亏缺。
许多激素调节着溶酶体的蛋白降解速率，如胰岛素可通过 减少自体吞噬泡的形成抑制肝和骨骼肌溶酶体系统降解蛋白；而 甲状腺素却加速肌肉溶酶体酶的合成和蛋白质降解速率。
在许多病理条件下溶酶体系统主要负责降解糖蛋白、蛋白 聚糖、脂蛋白、膜蛋白、外来蛋白等，但至今还没有足够的证据 表明它的作用是高度选择性的。
（不依赖ATP的胰蛋白酶活性和胰凝乳蛋白酶活性，最大的蛋白酶）
ClpP
ClpAP
E.coli HslVU蛋白酶
FtsH蛋白酶
FtsH蛋白酶
Tricorn Proteinase
5.1.2 细胞内蛋白质降解系统
5.1.2.1 溶酶体系统
1960 年 代 De Duve 证 实 ， 溶 酶 体 富 含 在 酸 性 条 件 下 起作用的酶，能把经内吞被摄入细胞的外源蛋白或经受体 介 导 胞饮 进 入的 脂 蛋白 、 铁传 递 蛋白 、 激素 、受体等 长寿命蛋白迅速降解成肽和氨基酸。
这些现象暗示，蛋白质的半寿期取决于它特有的结构和 细胞内环境。 特定蛋白质的降解速率以及细胞或组织中蛋白质降解的 总速率在不同生理条件下是可变的，如应答激素刺激或饥饿。 底物、产物、辅因子甚至药物也能影响蛋白质在细胞内的 降解速率，例如色氨酸加氧酶在其底物色氨酸和辅因子血红素 存在时降解较慢；谷酰胺合成酶在其终产物谷酰胺浓度增大时 加速降解。这种效应的分子机制尚不明了，但在生理上的合理 性显而易见，它保证在底物大量存在时酶保持较高浓度，或者 当产物过多时酶的水平适当降低。
Nmec： N-甲基香豆素
TAT：酪氨酸转氨酶
Z-Phe-Phe-CHN2： 苯甲基氧羰基-Phe-Phe-重氮甲基酮
大量证据显示，饥饿胁迫期间大鼠肝细胞的溶酶体特别大， 含有细胞质或细胞器碎片，这种“自体吞噬泡”数目与蛋白质 降解的速率密切相关。 利用弱碱氯奎（ chloroguine ）处理细胞，氯奎可扩散到 溶酶体内并在其中蓄积，使pH升高，组织蛋白酶的活性下降， 蛋白质降解总速率也随之下降。 利用组织蛋白酶 B 和 L 的抑制剂 leupeptin 处理细胞，细胞 蛋白分解的总速率也明显下降。 表明溶酶体系统在某些生理条件下是细胞蛋白降解的主要 途径，它在蛋白质水解总量所占份额取决于营养和内分泌状况。
每一种蛋白质在细胞内的数量一方面取决于其合成， 包括转录水平、转录后水平、翻译水平和翻译后水平的 调控；另一方面则取决于它的降解。 直到1970年代末才真正揭示了细胞内蛋白质选择性 降解的分子机制，降解是维护细胞内蛋白质水平不可 或缺的控制步骤。
细胞内特定蛋白质的动态变化像放射性同位素一样，服从 一级反应动力学。常用半寿期表示其降解速率，即一种蛋白质 合成之后被降解一半所用的时间。 细胞内蛋白质的半寿期并不相同，如表5.1所示，大鼠肝 细胞酶类的半寿期多在11分钟（鸟氨酸脱羧酶）到数周范围内。 即使在同一细胞器内，蛋白质的降解速率也不相同，例如 心肌线粒体中δ-氨基-γ酮戊酸合酶和鸟氨酸转氨甲酰酶相比 细胞色素的降解要快得多。
5.1.1
蛋白酶
为了能尽快把蛋白质降解成氨基酸，细胞在进化中 形成了许多裂解肽键的酶，肽酶（peptidase）。
肽酶按其作用特点分为肽链外切酶（exopeptidase） 和 肽 链 内 切 酶 （ endopeptidase ） 。 前 者 包 括 氨 肽 酶 （ aminopeptidase）和羧肽酶（ carbaxypeptidase）， 分别从肽链的N-端和C-端裂解肽键，每次切下一个氨基 酸。肽链内切酶即蛋白酶，作用于肽链内部的肽键。 细胞内蛋白酶种类繁多，其分子大小和结构、作用 机制和调节机制以及亚细胞定位等差异甚大，前人按其 活性中心必需基团将蛋白酶划分为以下四类：
细胞发育阶段的转移和对新环境条件的适应能力 经常要求迅速拆除现存的调控网络，常常依赖于水解 有关的蛋白质。 蛋白质水解在决定活性蛋白质最终浓度方面的 优势，在于它的快速和不可逆性。 细胞内蛋白质降解的生物学意义可概括为以下 几个方面：
5.1.3.1 维持细胞内氨基酸代谢库的动态平衡
维持细胞家政和生长发育需要保证氨基酸代谢 体内的氨基酸代谢库需要保持在600～700g，每日从 食物中吸收70～100g，从组织蛋白降解中回收300～ 500g ，新合成的 30～40g ，合成组织蛋白需消耗 300 ～500g，分解代谢消耗120～130g，还有少量用于合 成其它含氮物质。
真核细胞半胱氨酸蛋白酶都属于木瓜蛋白酶家族，主要 存在于细胞溶胶和溶酶体（液泡）内，如组织蛋白酶B、L 、 H、N、S、M、T、依赖金属的半胱氨酸蛋白酶等。
钙依蛋白calpain (calcium-dependent papain-like proteinase)也属于木瓜蛋白酶家族，是一种Ca2+激活的中性 蛋白酶，由80kDa大亚基和30kDa小亚基组成，在细胞溶胶中 降解细胞骨架、受体等长寿命蛋白和一些蛋白激酶。
第五章
细胞内蛋白质降解
5.1．概述
早 在 1940 年 代 ， H.Borsook 和 R.Schoenheimer 利 用 同位素标记试验证明了活细胞组分不断进行更新。细胞 不断地用氨基酸合成蛋白质，又把蛋白质降解成氨基酸， 这种貌似浪费的过程实际上为细胞提供了防止反常蛋白 积累以及控制酶和调节蛋白总量的重要手段。
溶酶体中至少有60多种水解酶，包括多种组织蛋白酶（见表 5.2）。其中包括半胱氨酸蛋白酶（组织蛋白酶B、L、H、M、N、S 和T）和天冬氨酸蛋白酶（组织蛋白酶D和E）。组织蛋白酶多为 单体，分子量20～40kDa，均为糖蛋白，在酸性pH下活性最大， 在碱性pH下不稳定。 组织蛋白酶B优先作用于Arg后的肽键，其同工酶表现出肽基 二肽酶活性，从C-端切下二肽； 组织蛋白酶L作用于两个疏水残基相邻的残基之后的肽键； 组织蛋白酶D优先裂解疏水残基近旁的肽键； 组织蛋白酶H在体外系统表现出氨肽酶活性。
表5.2 溶酶体中的一些蛋白酶
酶 组织蛋白酶B （EC3.4.22.1） 组织蛋白酶L （EC3.4.22.15） 组织蛋白酶H （EC3.4.22.16） 组织蛋白酶M 组织蛋白酶N 组织蛋白酶S 组织蛋白酶T 组织蛋白酶D （EC 3.4.23.5） 组织蛋白酶E 分子量（kDa） 25 24 28 30 20 25 35 42 100 近似酶最适pH 5 5 5 5~7 3.5 3.5 6 3.5 2.5 常用的分析底物 Z-Arg-Arg-NMec 偶氮酪蛋白 Arg-NMec 醛缩酶 胶原 血红蛋白 TAT，偶氮酪蛋白 血红蛋白 白蛋白 抑制剂 巯基试剂 巯基试剂 Z-Phe-Phe-CH N2 巯基试剂 巯基试剂 巯基试剂 巯基试剂 抑胃肽 抑胃肽
与消化道内食物蛋白的消化不同，细胞内蛋白质降解是 高度受控制的复杂过程。细胞内蛋白质降解的一般特征： （1）大多数蛋白质降解需要能量。虽然肽键水解是放能的， 大多数纯化的蛋白酶也与能量无关，但是细胞内蛋白降解包括 依赖能量的步骤，而且具有调控作用。 （2）快速。很难探测到细胞内蛋白降解的中间产物，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 降解中间产物的累积干扰正常的生理活动。
属于金属蛋白酶的还有ER、线粒体和叶绿体的信号肽酶、
嗜热菌蛋白酶 思
金属蛋白酶及其活性中心 的结构
5.1.1.2 蛋白酶复合物
古细菌、原核、真核生物，都有多个亚基组成的、自我 区隔化的（self-compartmentalization）蛋白酶复合物 (1) E.coli Lon 蛋白酶
(ATP依赖型丝氨酸蛋白酶,从线粒体中清除被氧化的蛋白质)
（2）E.coli （3）E.coli （4）E.coli
ClpAP蛋白酶体 HslVU蛋白酶 FtsH蛋白酶
(ATP依赖型丝氨酸蛋白酶体,降解异常蛋白或短寿期蛋白) （ATP依赖型丝氨酸蛋白酶,降解错误折叠蛋白和异常蛋白） （ATP和Zn2+依赖型金属蛋白酶，降解异常蛋白）
（5）Thermoplasma acidophilum Tricorn蛋白 酶
胰凝乳蛋白酶 胰凝乳蛋白酶
枯草溶菌素
丝氨酸蛋白酶 及其活性中心 的结构
胰蛋白酶胰腺胰蛋 白酶抑制 剂复合物
（2）半胱氨酸蛋白酶（EC3.4.22）：其活性中心都 有 Cys-His ，通过共价催化裂解特定的肽键，受低浓度
对 - 羟基汞苯甲酸（ pHMB ）和碘乙酸等烷基化试剂抑制。 按进化渊源可划分成三个家族：链球菌溶血素家族 （ streptolysin ）；梭菌蛋白酶家族（ clostripain ） 和木瓜蛋白酶家族（papain）。
（ 3 ）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的调控和区域化。 （4）细胞内蛋白水解是高度选择性的。即使同一细胞环境， 不同蛋白质的半寿期从数分钟到数周，而决定蛋白质半寿期的 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，也是 氨基酸再循环系统的组成部分。
“？”表示原核蛋白酶或尚待确认。Chloro ：叶绿体；ER：内质网，Mito：线粒体
体外系统研究表明，哺乳动物细胞质至少有两类重要 的蛋白水解系统： （ 1 ）溶酶体系统（酸性系统），主要负责降解外来 蛋白、膜蛋白和长寿命蛋白； （ 2 ）泛肽 - 蛋白酶体系统（碱性系统），主要降解 反常蛋白和短寿命蛋白。
表5.1 大鼠肝细胞一些蛋白质的半寿期
蛋 白 质 短寿命蛋白质： 鸟氨酸脱羧酶 δ-氨基γ--酮戊酸合酶 RNA聚合酶Ⅰ 酪氨酸氨基转移酶 色氨酸加氧酶 脱氧胸苷激酶 β-羟基-β-甲基戊二酰辅酶A还原酶 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶 长寿命蛋白质： 精氨酸酶 醛缩酶 细胞色素b5 甘油醛3-磷酸脱氢酶 细胞色素b 乳酸脱氢酶（同工酶5） 细胞色素c 透明质酸酶 半寿期（h） 0.2 1.1 1.3 2.0 2.5 2.6 3.0 5.0 96 118 122 130 130 144 150 240