泛素化是一种可逆的蛋白翻译后修饰的过程，在细胞生理活动（如蛋白质降解转运、细胞增殖、基因修复等）过程中起着重要作用。

单泛素分子由高度保守的76个氨基酸组成。泛素分子在ATP提供能量的前提下，通过其C端的Gly残基，与底物蛋白上的Lys残基共价结合形成一个异构肽，这个过程称为泛素化修饰。该过程需要3种酶，即泛素激活酶E1、泛素结合酶E2和泛素连接酶E3。由于泛素分子自身也有7个Lys残基，因此泛素分子之间也能连接从而形成泛素链。

泛素分子最经典的是作为26S蛋白酶体识别降解底物的标签。泛素分子在一系列酶联反应下，共价结合到底物蛋白上。通过泛素分子第 48位Lys与另一泛素分子C端连接而成的K48泛素链能被26S蛋白酶体所识别，K48泛素链所结合的底物蛋白将被蛋白酶体水解成短肽，而K48泛素链则被水解成单个泛素分子回到泛素循环中，如右图所示。

此外，泛素化是蛋白质内吞和合成中的膜泡运输过程中的信号分子。在细胞膜表面作为一种内吞信号；在胞内体作为一种将蛋白质转运至多泡小体的信号分子，将待降解蛋白转运到溶酶体中。泛素分子会在待降解蛋白被转运到多泡小体之前，被去泛素酶移除，再回归到蛋白降解循环中被重复利用。

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