标题：蛋白质降解
蛋白质降解作用
2004年10月6日瑞典皇家科学院宣布，将2004年诺贝尔化学奖授予以色列和美国的三名科学家，以表彰他们发现了泛素调节的蛋白质降解的作用。
蛋白质是自然界中最复杂、最令人迷惑的物质之一，它与生命有着特别的关系，生命过程中几乎所有的环节都与蛋白质有关。
过去的科学研究认为，人体吸收蛋白质主要是以氨基酸的形式吸收的；近年来的科学研究发现，人体吸收蛋白质主要是以小肽的形式吸收的。科学家在动物的小肠刷状物上发现了大量的小肽集聚。
科学界对人体吸收蛋白质主要形式的重大发现是对人体吸收蛋白质理论的一次重大突破，营养科学的目光由氨基酸转向小肽。
人体吸收蛋白质这一过程是在人体内，但大多是在细胞外进行的，不需要能量。20世纪50年代，科学家的研究表明：要打破细胞内部的蛋白质是需要能量的。细胞内也存在着蛋白质降解机制之迷，即蛋白质管理机制的问题。
人体中细胞外的蛋白质降解及细胞内的蛋白质降解机制的问题，勾起了人们对体外蛋白质降解的兴趣。体外的蛋白质降解模拟的是人体内细胞外的蛋白质降解模 式。减少人体内降解程序，对人体吸收合成代谢蛋白质有着重要意义。目前，我们正从事的体外蛋白质降解，就是用蛋白质一类的蛋白酶降解蛋白质，获得与人体内 细胞外降解蛋白质同样的产物——氨基酸与小肽。
体外蛋白质降解
体外蛋白质降解有着重要意义。
一是替代了体内细胞外的蛋白质降解。通常人们食用蛋白质食物，需经人体消化系统进行消化，即蛋白质降解，降解成氨基酸和小肽后，通过人体小肠吸收而被组 织利用。我们进行体外蛋白质降解，获得与人体降解的效果一样的营养物质，减少了人体肠胃降解蛋白质功能的负担，这对人体消化器官的养护以及防止衰老退化有 着重要的意义。
二是不需消化，直接吸收。吸收速率快，利用率高，合成人体蛋白质高。
三是减少了人体能量的消耗，体内细胞外的蛋白质降解是需要能量的，而体外蛋白质降解获得的小肽，进入人体后，不需人体消化系统进行二次降解，直接可被人体吸收。这对减少人体内部的能量消耗，保存体力有着重要意义。
四是体外蛋白质降解获得的肽补充人体，使人体能快速补充营养，补充能量，快速合成人体千万种蛋白质，发挥多种生理活性作用。
五是体外蛋白质降解获得的肽补充人体，可使人体获得的肽比体内蛋白质降解获得的肽要多数倍，因体内蛋白质降解是有限的，获得的肽较少，而体外蛋白质降解 获得的肽是无限的，补充人体的肽的量较人体内蛋白质降解获得的肽多。这对于人体的营养补充是空前的，而这种营养不是未被降解的“高营养”，而是一种高功能活性营养，对人体健康非常有益。
体外的蛋白质降解的产物是肽。人类对肽的研究有一百多年的历史。近50年来，世界科学家运用基因表达法、化学合成法和蛋白质合成法，研发出许多肽。有的在试验室获得了巨大的成功；有的已开发出药品，用于临床。
蛋白质降解发展
近年来，国际科技界研究发现，蛋白质经消化道酶促水解后，主要以小肽的形式吸收，且比完全游离氨基酸更易更快地被机体吸收和利用。这一发现的依据是，科 学家在对动物和人体解剖中发现，他们的小肠刷状物上有大量的小肽停留。这一发现推翻了过去认为人体吸收蛋白质主要是以小肽的形式的这一理论，明确了人体吸 收的。这是一次重大发现及理论突破。为此，蛋白质降解、研发生物活性肽成为科学家研究的热点。
近10年来，人们运用酸、碱降解蛋白质获得肽收获甚微，固定投资大，周期长，污染严重，风险大，未能实现工业化生产。1995年，武汉九生堂肽类专家运用生物酶降解蛋白质技术获得了巨大成功，研发、生产出我国第一个多肽终端产品“全卵蛋白肽”。
我国专家及国际科学界几乎同一时间发现，某些小肽不仅能提供人体生长、发育所需要的营养物质，而且具有独特的生物学功能，可防治高血压、高血脂、高血 糖、血栓、动脉硬化、心脏病，抗氧化、抗疲劳、抗衰老、抗癌、抗病毒，提高机体免疫力。在运用生物酶对蛋白质进行降解获得多肽时，还发现：某些小肽具有原 食品蛋白质组成氨基酸所没有的重要生理功能。
研究还发现
降解什么样的蛋白质就有什么样的功能肽，它不仅保留其原有蛋白质营养成分及功能，而且还强化了其功能，并使其具有极强的活性和多样性。
这一发现的重要意义，一是人类可运用生物酶对各种食物蛋白质进行降解，获得对各种可食用蛋白质功能强化了的肽，运用各种不同肽的不同生理功能防治“现代病”；二是明确了对蛋白质降解所获得的“多肽氨基酸混合物”，不需辨认、分离、纯化。
泛素介导的蛋白质降解
1，待降解蛋白质的标记
真核细胞中含有 6000 至30000 个蛋白质合成基因,编码至少同等数量的蛋白质。在对蛋白质的研究中很多工作都致力于阐述细胞怎样控制特定蛋白质的合成，而对其相反过程即蛋白质的降解，研究得相对较少。大多数负责蛋白质降解的酶作用时都不消耗能量。在已知的许多蛋白质降解酶中，一个典型的例子是胰岛素，其作用是将小肠中的食物蛋白质转化为氨基酸。另一个典型的例子是细胞中的溶酶体，其作用是降解从细胞外吸收进来的蛋白质。它们在作用的过程中均不消耗能量。
然而，早在 20 世纪50 年代就有实验显示，细胞内蛋白质的降解需要能量。这一现象一直困惑着研究者,为何细胞内的蛋白质降解需要能量，而细胞外蛋白质的降解却不需要能量？1977 年，Goldberg 及其同事在这个领域迈出了第一步。他们从不成熟的红血球及网状细胞中获得了一种提取液，这种提取液在催化异常细胞降解时需要ATP 的参与。应用这种提取物，Aaron Ciechanover,Avram Hershko,Irwin Rose 在70 年代晚期和80 年代早期进行了一系列具有划时代意义的研究。成功地揭示了细胞内蛋白质的降解是一个多步骤反应的过程,蛋白质先
被泛素（一种多肽）标记， 然后被分解。通过这个需要消耗能量的过程， 细胞以高度特异性的方式对不需要的蛋白质进行降解。这种通过泛素化进行的调节与一些可逆的蛋白质修饰（如磷酸化，1992 年诺贝尔医学奖）不同，它通常是一个不可逆的过程，因为最终的靶蛋白是被降解而不是被修饰的。\
2，标记工具——泛素  泛素是一种多肽,由76 个氨基酸构成,分子质量为8. 45ku ,1975 年从小牛的胰脏中分离出来,其空间结构如右图。随后在除了细菌以外的许多不同组织和有机体中被发现,因而被冠以“泛”字(来源于拉丁文ubique ,英文意思为everywhere)。它能与蛋白质形成牢固的共价键,蛋白质一旦被它标记上就会被送到细胞内的“垃圾处理厂”进行降解。
3，与泛素有关的3 种重要的酶
在细胞内存在 3 种重要的酶,即泛素活化酶(ubiquitin - activating enzyme ,简称E1) 、泛素结合酶(ubiquitin - conjugating enzyme ,简称E2) 、泛素蛋白连接酶( ubiquitin - proteinligating enzyme , 简称E3) 。3 种酶在蛋白质降解过程中分工不同。E1 负责激活泛素分子,泛素分子被激活后被送到E2 上。E2 负责把泛素分子绑在被降解的蛋白质上。但E2 并不认识被降解的蛋白质,这就需要E3 帮助。而E3 具有辨认被降解蛋白质的功能。当E2 携带泛素分子在E3 的指引下接近被降解的蛋白质时, E2 就将泛素分子绑在被降解的蛋白质上。如此循环往复,被降解蛋白质上被绑了一批泛素分子。当泛素分子达到一定数量后(一般认为至少5个),被降解蛋白质就被运送到细胞内的一种被称为蛋白酶体的结构中进行降解。
4，蛋白酶体——细胞的废物处理机器  右图为蛋白酶体结构示意图(左为剖面图,内黑点为活性部位)蛋白酶体被称为“垃圾处理厂”,通常一个人体细胞内大约含有30000 个蛋白酶体, 1979年由Goldberg 等人首先分离出来。蛋白酶体包括两种形式:20S 复合物和26S 复合物,而26S复合物又由20S 复合物和19S 复合物组成,主要负责依赖泛素的蛋白质降解途径。26S 复合物是一种筒状结构 ,活性部位(20S 复合物) 在筒内,能将所有蛋白质降解成含7 个～9 个氨基酸的多肽。蛋白质要到达活性部位,一定要经过一种被称为“锁”(lock) 的帽状结构(19S 复合物) ,而这个帽状结构能识别被泛素标记的蛋白质。被降解蛋白质到达活性部位后,泛素分子在去泛素酶的作用下离去,能量(ATP) 被释放出来用于蛋白质的降解。降解后的多肽从蛋白酶体筒状结构另一端被释放出来。其实,蛋白酶体本身不具备选择蛋白质的能力,只有被泛素分子标记而且被E3 识别的蛋白质才能在蛋白酶体中进行降解。
5，泛素介导的蛋白质降解过程  蛋白质在细胞内完整的降解过程可用右图来说明：
(1) 酶E1 激活泛素分子,此过程需要ATP 能量。
(2) 泛素分子被激活后被运送到E2 上,E2 负责将泛素绑在被降解的蛋白质上。
(3) E3 能识别被降解的蛋白质。当E2 携带泛素分子在E3 的指引下接近被降解蛋白质时, E2 就把泛素分子绑在被降解蛋白质上(标记) 。
(4) 酶E3 释放出被泛素标记的蛋白质。
(5) 不断重复上述过程,直到蛋白质上绑有一定数量的泛素分子后被送到蛋白酶体。
(6) 蛋白酶体接收被泛素分子标记的蛋白质并将其切成由7 个～9 个氨基酸组成的短链。从而完成了蛋白质的降解过程。
6，研究成果的意义
蛋白质是包括人类在内各种生物体的重要组成成分。对于生物体而言，蛋白质的生老病死至关重要。然而，科学家关于蛋白质如何“诞生”的研究成果很多，迄今至少有5 次诺贝尔奖授予了从事这方面研究的科学家，但关于蛋白质如何“死亡”的研究却相对较少，泛素调节的蛋白质降解就是对蛋白质“死亡”的研究。它的开创性研究也就具有了特殊意义。对泛素调节的蛋白质降解机理的认知将有助于攻克多种人类疾病。目前，在世界各地的很多实验室中，科学家不断发现和研究与这一降解过程相关的细胞新功能。这些研究对进一步揭示生物的奥秘，以及探索一些疾病的发生机理和治疗手段具有重要意义。以下列举几例：
A，调控细胞生长周期  细胞的的复制过程涉及很多化学反应。在人体细胞的复制过程中，集中于23 对染色体中的60 亿个碱基对会被复制。普通细胞的有丝分裂、性细胞的形成和减数分裂都与泛素有着密切的关系。泛素中一种由多个亚单位组成的E3 酶，在细胞分裂过程中作为一个蛋白复合物APC(anaphase-promoting comples,促细胞分裂后期复物)，使细胞脱离减数分裂期。在细胞有丝分裂和减数分裂中的染色体分离期，泛素也发挥重要作用"其作用机理如右图所示：一种蛋白质复合物像绳索样捆绑于染色体上，保持其紧缩结构；当受到特定信号作用时，APC 标记这一蛋白质降解酶的抑制物，此抑制物随后被运输到蛋白酶体上并被降解；降解酶从抑制物上释放，恢复活性，切除捆绑在染色体对周围的“绳索”，一旦绳索消失，染色体对就得以分离。如果减数分裂中染色体对的分离出现错误，染色体数目会被改变，就有可能导致孕期的自发性流产。若多出1条第21 染色体，则会引发伸舌样白痴。此外，多数恶性肿瘤中也存在染色体数目异常的细胞，染色体数目的改变亦是由有丝分裂中染色体多次分离错误所造成的。
B，阻止植物的自授粉
多数植物都是双性、雌雄同株的。如果雌雄同株的植物中出现自授粉现象其基因多样性就会逐渐减弱。如果这种情况持续出现，就会导致该物种的灭绝。植物避免这种情况出现的措施就是利用泛素引导的蛋白质降解来排斥自身产生的花粉。虽然这一过程的具体机理尚未被阐明，但已知的是此过程中有E3 酶的参与，并且当引入蛋白酶体抑制剂时，植物对自身花粉的排斥会受到影响。
C，DNA的修复!癌症的产生和程序性细胞死亡
蛋白质 p53 是一个能够抑制肿瘤生长的基因,被誉为“基因卫士”。只要细胞能够产生p53，癌症的发展就会得到遏制。至少50%的人类癌症中有变异的p53存在。在正常细胞中，蛋白质p53 始终处于合成和降解的平衡状态，并维持在较低的数量水平。这种平衡状态的维持也是通过提高泛素调节实现的。正常情况下，一种特殊的E3 酶（Mdm2）与蛋白质p53 形成复合物，不断被降解；当DNA 遭到损伤时，p53 被磷酸化，不再与Mdm2 结合。脱离Mdm2 的p53 不再被降解，细胞中p53 的数量迅速增加。p53 是一种转录因子，能够控制特定基因的表达，这些基因调控细胞生长周期、受损DNA 的修复和程序性细胞死亡。若p53 水平升高，细胞生长周期会被中断，为受损DNA 的修复提供时间。如果DNA 受损比较严重， 细胞就会引发称为类似自杀行为的程序性死亡。
人类乳突淋瘤病毒与宫颈癌的发生有很高的相关性。这种病毒能够活化细胞内一种特定的E3 酶E6-AP，使其改变识别模式，错误地对p53 进行泛素化,使p53降解。通过这种机制，人类乳突淋瘤病毒能够逃逸p53 的控制。由于p53 被降解，细胞丧失对受损DNA 的正常修复功能以及引发程序性细胞死亡的功能，其结果是DNA 突变数增加，最终导致癌症。
其他的应用还有很多，不一一列举。由于泛素介导的蛋白质降解系统与很多疾病密切相关，该领域的研究引起了越来越广泛的兴趣。尤其是人们希望能够利用该体系消除一些不需要的蛋白，或者使一些有益的蛋白免受降解。可以估计，该领域仍会有很大的研究空间。