備課素材：蛋白質(zhì)的磷酸化和去磷酸化 高二下學期生物人教版選擇性必修3

蛋白質(zhì)的磷酸化和去磷酸化先看一道試題；某些蛋白質(zhì)在蛋白激酶和蛋白磷酸酶的作用下，可在特定氨基酸位點發(fā)生磷酸化和去磷酸化，參與細胞信號傳遞，如圖所示。下列敘述錯誤的是（

）A.這些蛋白質(zhì)磷酸化和去磷酸化過程體現(xiàn)了蛋白質(zhì)結構與功能相適應的觀點B.這些蛋白質(zhì)特定磷酸化位點的氨基酸缺失，不影響細胞信號傳遞C.作為能量“通貨”的ATP能參與細胞信號傳遞D.蛋白質(zhì)磷酸化和去磷酸化反應受溫度的影響解析：分析圖形，在信號的刺激下，蛋白激酶催化ATP將蛋白質(zhì)磷酸化，形成ADP和磷酸化的蛋白質(zhì)，使蛋白質(zhì)的空間結構發(fā)生改變；而蛋白磷酸酶又能催化磷酸化的蛋白質(zhì)上的磷酸基團脫落，形成去磷酸化的蛋白質(zhì)，從而使蛋白質(zhì)空間結構的恢復。通過蛋白質(zhì)磷酸化和去磷酸化改變蛋白質(zhì)的空間結構，進而來實現(xiàn)細胞信號的傳遞，體現(xiàn)出蛋白質(zhì)結構與功能相適應的觀點，A正確；如果這些蛋白質(zhì)特定磷酸化位點的氨基酸缺失，將會使該位點無法磷酸化，進而影響細胞信號的傳遞，B錯誤；根據(jù)題干信息：進行細胞信息傳遞的蛋白質(zhì)需要磷酸化才能起作用，而ATP為其提供了磷酸基團和能量，從而參與細胞信號傳遞，C正確；溫度會影響蛋白激酶和蛋白磷酸酶的活性，進而影響蛋白質(zhì)磷酸化和去磷酸化反應，D正確。故選B。本題以蛋白質(zhì)磷酸化和去磷酸化為素材，考查蛋白質(zhì)的結構及細胞調(diào)控與信息傳遞。那么，什么是蛋白質(zhì)的磷酸化和去磷酸化？蛋白質(zhì)活性的調(diào)控發(fā)生在多個層次，一個層次是細胞通過控制編碼這個酶的基因的表達來調(diào)控酶分子數(shù)量；另一個層次是細胞經(jīng)常通過將酶限制在由膜包圍的特定的亞細胞區(qū)室內(nèi)來調(diào)控酶的活性。不過，用以調(diào)節(jié)反應速率最為快速和普遍的過程是在調(diào)節(jié)酶的自身水平上進行。在真核生物中，被普遍用于調(diào)控蛋白質(zhì)活性的方法是將一個磷酸基團通過一種酶共價連接至一個氨基酸的側(cè)鏈上。通過另一種酶去除磷酸基團，蛋白質(zhì)就能恢復到最初的構象和活性。蛋白質(zhì)磷酸化是生物界最普遍，也是最重要的一種蛋白質(zhì)翻譯后修飾，20世紀50年代以來一直被生物學家看作是一種動態(tài)的生物調(diào)節(jié)過程。1.蛋白質(zhì)的磷酸化和去磷酸化蛋白質(zhì)磷酸化是指由蛋白質(zhì)激酶催化的把ATP的磷酸基轉(zhuǎn)移到底物蛋白質(zhì)氨基酸殘基（絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸）上的過程，或者在信號作用下結合GTP，是生物體內(nèi)一種普通的調(diào)節(jié)方式，在細胞信號轉(zhuǎn)導的過程中起重要作用。在細胞中，大概有1/3的的蛋白質(zhì)被認為是通過磷酸化修飾的。蛋白質(zhì)的磷酸化修飾與多種生物學過程密切相關，如DNA損傷修復、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)、信號傳導、細胞凋亡的調(diào)節(jié)等。可逆的蛋白質(zhì)磷酸化磷酸化改變蛋白表面電荷分布，靜電力使構象發(fā)生變化，暴露活性位點。因為每個磷酸基團攜帶兩個負電荷，通過蛋白激酶的催化將磷酸基團加到蛋白質(zhì)上能導致蛋白構象的顯著變化，例如，可以通過吸引一群帶正電荷的氨基酸側(cè)鏈。反過來，這個構象的變化能夠影響蛋白表面配體的結合，從而改變蛋白的活性。通過另一種酶（蛋白磷酸酶）去除磷酸基團，蛋白質(zhì)就能恢復到最初的構象和活性。2.磷酸化的意義磷酸化和去磷酸化是一種分子開關形式。一些蛋白平時處于失活狀態(tài)，必須被激酶磷酸化之后才才可以發(fā)揮活性，進一步轉(zhuǎn)導各種生命過程。而有些正好相反，某些蛋白磷酸化時是失活的，必須經(jīng)過磷酸酶去磷酸化才可以激活。

磷酸化(由激酶催化)和去磷酸化(由磷酸酶催化)是控制細胞周期的關鍵。它們都被用來控制調(diào)控途徑自身活性和執(zhí)行調(diào)控途徑?jīng)Q定的底物活性。人體的能量載體（能量貨幣）是ATP，其中第三個磷酸基團容易解離或結合。解離或結合過程中，伴有大量的能量代謝。激酶通常有ATP結合位點，ATP在結合位點水解釋放能量可以保證能量最大效率的利用。而水解后ADP被釋放重新生成ATP，Pi結合在激酶上作為活化標記。此外，通過一系列磷酸化事件，由激素和神經(jīng)遞質(zhì)產(chǎn)生的許多信號便從細胞質(zhì)膜傳遞到細胞核內(nèi)。磷酸化蛋白質(zhì)及多肽的研究可以幫助人們闡述上述過程的機理，進一步認識生命活動的本質(zhì)。近年來隨著蛋白質(zhì)組技術的不斷發(fā)展，蛋白質(zhì)磷酸化的研究越來越受到廣泛的關注。例、為探究兩種抗癌藥物A和B聯(lián)合作用的效果，用A和B單獨及聯(lián)合處理體外培養(yǎng)的肝癌細胞，測定細胞周期各階段細胞所占比例及細胞凋亡率，結果如表所示。請分析回答：（1）體外培養(yǎng)肝癌細胞時，培養(yǎng)基中除水、糖、氨基酸、無機鹽、微量元素、促生長因子外，還必須加入

；傳代培養(yǎng)時，貼滿瓶壁的細胞需要用

等處理后分瓶繼續(xù)培養(yǎng)。（2）結果顯示，藥物A主要使肝癌細胞的細胞周期阻滯于

期，推測其作用機理是

。（3）細胞內(nèi)ERK蛋白被磷酸化為pERK，可導致細胞增殖。用藥物B處理肝癌細胞后，與對照組相比，ERK蛋白含量無顯著變化，pERK的含量明顯下降，由此推測，藥物B可能通過

影響人肝癌細胞的增殖。（4）細胞凋亡是

控制的編程性細胞死亡。上述四組實驗結果說明

，兩種藥物在治療癌癥的效果上表現(xiàn)為

。兩種藥物在治療癌癥的效果上表現(xiàn)為

。答案：（1）血清

胰蛋白酶（2）S期

阻斷DNA的復制（3）抑制ERK的磷酸化過程（4）基因

聯(lián)合用藥對肝癌細胞凋亡的作用是促進凋亡作用強于單處理組

協(xié)同解析：此題要求學生要有較高的生物學知識儲備，對細胞分裂間期分為三個時期，每一個時期的特點要理解并能靈活運用。分析題表格，兩種抗癌藥物A和B都能促進肝癌細胞凋亡，但是作用機理不同，藥物A主要使肝癌細胞的細胞周期阻滯于S期，藥物B主要使肝癌細胞的細胞周期阻滯于G1期，實驗結果，說明聯(lián)合用藥對肝癌細胞凋亡的作用強于單處理組。（1）體外培養(yǎng)肝癌細胞時，培養(yǎng)基中除水、糖、氨基酸、無機鹽、微量元素、促生長因子外，通常還需要加入血清；傳代培養(yǎng)時，貼滿瓶壁的細胞需要用胰蛋白酶等處理后分瓶繼續(xù)培養(yǎng)。（2）結果顯示，藥物A主要使肝癌細胞的細胞周期阻滯于S期，推測其作用機理是：阻斷DNA的復制。（3）細胞內(nèi)ERK蛋白被磷酸化為pERK，可導致細胞增殖。用藥物B處理肝癌細胞后，與對照組相比，ERK