第七章 蛋白质翻译后修饰与加工

蛋白质折叠和翻译后修饰的机制生命的奥秘来源于无处不在的化学反应和相互作用。

而在细胞内，则有许多复杂的生化过程在进行。

其中，蛋白质的折叠和翻译后修饰过程是细胞生命活动中至关重要的一环。

本文将从基础知识的介绍开始，逐步深入，探讨蛋白质折叠和翻译后修饰的机制。

一、蛋白质的基本结构蛋白质是植物、动物、微生物等生物体中最常见的生物分子之一，它在机体中扮演着多种生理功能。

蛋白质的基本结构是由氨基酸分子组装而成的，它是由数千个甚至数万个氨基酸残基有序排列连接成长链的大分子。

总体来说，蛋白质分子可以分为四个层次，分别为：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。

蛋白质的一级结构是相邻氨基酸之间的共价结合，即聚肽键所形成的多肽链。

根据氨基酸种类和数量的不同，蛋白质的一级结构会有所不同。

例如，当蛋白质由20种不同的氨基酸排列而成时，其可能的一级结构就有20^n种，其中n为氨基酸数目。

因此，蛋白质的一级结构决定了蛋白质的特异性和功能。

而蛋白质的二级结构则是由相邻氨基酸残基之间的氢键和非共价作用力所形成的二维结构。

主要有α-螺旋，β-折叠和β-转角等。

蛋白质的二级结构可以弯曲、环状、β-折叠叠层等多种形式。

蛋白质的三级结构是由相邻氨基酸残基之间的非共价作用力所形成的空间构象，主要是大分子的折叠和卷曲。

这一层次的形成需要蛋白质在水溶液中快速扭曲、折叠而成，其中的非共价作用力如氢键，疏水作用，静电作用和范德瓦尔斯力等起着至关重要的作用。

最后，蛋白质的四级结构则是由不同的蛋白质链所形成的结构，它是不同蛋白质链之间的空间构象通过相互作用而形成的。

最常见的四级结构蛋白质是由四个相同的多肽链组成的四聚体或者两个不同多肽链组成的二聚体。

二、蛋白质折叠的基本规律蛋白质的折叠是指在水溶液中，无序的氨基酸链迅速向着了结构化的方向变形，并组合成复杂的三维结构。

蛋白质在自然条件下的折叠过程自由能达到了最小值，并且遵循稳定性、可逆性和速度等原则。

蛋白翻译后修饰综述蛋白质翻译后修饰 (Protein translational modifications,PTMs) 通过功能基团或蛋白质的共价添加、调节亚基的蛋白水解切割或整个蛋白质的降解来增加蛋白质组的功能多样性。

三羧酸循环是葡萄糖在线粒体代谢的一个重要环节。

葡萄糖产生的乙酰辅酶A进入三羧酸循环，产生大量还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（reduced nicotinamide adenine dinucleotide，NADH）和还原型黄素腺嘌呤二核苷酸（reduced flavin adenine dinucleotide，FADH2），为呼吸链提供电子，推动氧化磷酸化反应合成三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）。

三羧酸循环有8个关键催化酶，它们的催化活性均受翻译后修饰的调节。

（一）乙酰化及琥珀酰化在调节三羧酸循环中，乙酰化的作用以抑制为主，而琥珀酰化以激活为主。

琥珀酸脱氢酶（succinate dehydrogenase，SDH）是三羧酸循环关键酶之一，位于线粒体内膜。

由A和B两个亚基组成。

SDH催化琥珀酸转为富马酸，并且产生FADH2。

A亚基（SDHA）活性既受乙酰化调节也受琥珀酰化调节，而两种修饰作用相反：乙酰化抑制该亚基活性，去乙酰化后该亚基活性提高[13]。

动物模型研究发现，胚胎期母亲低蛋白饮食可增加出生后肥胖及T2DM发生率，机制是SIRT3表达减少，增加SDH 乙酰化状态，降低SDH活性[14]。

柠檬酸合酶和异柠檬酸脱氢酶2（isocitrate dehydrogenase 2，IDH2）的催化活性也受乙酰化抑制[15,16]。

但是，乙酰化修饰也可增加三羧酸循环中某些酶的活性，如苹果酸脱氢酶（malate dehydrogenase，MDH）和顺乌头酸酶[16,17]。

与乙酰化修饰的作用相反，琥珀酰化增加SDH活性[13]，但抑制IDH2的活性[18]。

蛋白质的翻译后修饰蛋白质是生物体内最为重要的分子之一，其功能与结构多种多样，而这些功能与结构的多样性与蛋白质的翻译后修饰密切相关。

在蛋白质翻译过程结束后，细胞内往往还需要对蛋白质进行进一步的后修饰，以实现其功能的发挥。

这些后修饰包括糖基化、磷酸化、乙酰化等，它们能够调节蛋白质的结构与功能，从而对细胞的生理过程发挥重要作用。

一、糖基化修饰糖基化修饰是指在蛋白质分子上附加糖基的过程。

这种修饰可以发生在蛋白质的Asn残基上，形成N-糖基化，也可以发生在蛋白质的Ser或Thr残基上，形成O-糖基化。

糖基化修饰能够调节蛋白质的稳定性、可溶性和定位，还可以影响蛋白质与其他分子的相互作用。

例如，MUC1蛋白质的糖基化修饰在肿瘤细胞的侵袭和转移中起到重要的调节作用。

二、磷酸化修饰磷酸化修饰是指在蛋白质分子上附加磷酸基团的过程。

磷酸化修饰通过蛋白激酶的作用来实现，它能够调节蛋白质的活性、稳定性和相互作用，影响蛋白质的信号传导、细胞周期和调控等生理过程。

例如，磷酸化修饰能够激活转录因子NF-κB，参与细胞对炎症和免疫反应的应答。

三、乙酰化修饰乙酰化修饰是指在蛋白质分子上附加乙酰基的过程。

这种修饰通常发生在蛋白质的赖氨酸残基上，通过乙酰转移酶来实现。

乙酰化修饰能够调节蛋白质的稳定性、DNA结合能力和转录调控活性，对细胞发育、增殖和分化等过程具有重要作用。

例如，乙酰化修饰通过调控组蛋白交换和染色质结构的紧凑性，影响基因的表达。

四、其他修饰形式除了糖基化、磷酸化和乙酰化修饰外，蛋白质的翻译后修饰还包括甲基化、泛素化、酰化等多种形式。

这些修饰过程能够进一步改变蛋白质的结构与功能，从而参与调控细胞内的生物学过程。

例如，泛素化修饰能够调节蛋白质的降解和稳定性，参与细胞凋亡和细胞周期控制。

总结蛋白质的翻译后修饰是细胞内多种生物学过程的关键环节，它能够调节蛋白质的结构与功能，从而对细胞的生理过程发挥重要作用。

糖基化、磷酸化、乙酰化以及其他形式的修饰能够改变蛋白质的特性，对细胞信号传导、基因表达和细胞周期等起到调控作用。

蛋白质的翻译和翻译后修饰生命是由许许多多的分子组成的，而蛋白质是其中最为重要的一种。

蛋白质是由一串氨基酸组成的长链，这一长链需要经过翻译才能够转化为具有生物学功能的分子。

蛋白质的翻译和翻译后修饰是生命过程中最为重要的一环。

一、蛋白质的翻译大多数蛋白质翻译是在细胞的核内进行的，当DNA信息需要被转录成RNA信息时，核糖核酸（RNA）由RNA聚合酶开始合成。

生物体内细胞所合成的蛋白质大多是由核内DNA转录所得到的信息指令，它们之间的转化是通过RNA来实现的。

RNA只能单链存在，而DNA是双链的，因此DNA需要转录为RNA。

RNA与DNA之间的差别在于它们的碱基和糖分子不同，RNA的糖分子是核糖糖，而DNA的糖分子是脱氧核糖糖。

RNA分为mRNA、tRNA、rRNA三种类型。

其中，mRNA是单链的，又称为信使RNA，它携带着从DNA中转录来的信息，将这些信息传递到细胞质中的核糖体。

tRNA是转运RNA，它具有一定的三维结构，能够识别对应的氨基酸并将其运输到正在合成蛋白质的核糖体处。

rRNA是核糖体RNA，是组成核糖体的重要组成部分。

mRNA的翻译是通过核糖体完成的。

核糖体是由rRNA和蛋白质组成的复合物，每个核糖体可以同时合成一条蛋白质链。

当mRNA被核糖体识别后，它将被解码以便识别并对应一个氨基酸，这一过程是由tRNA完成的。

tRNA上有一个“反密码子”，它与mRNA相对应的“密码子”匹配，从而指示该tRNA上的氨基酸在蛋白质链的什么位置插入。

每次合成一个氨基酸后，核糖体会相对移动一个密码子，并等待下一个tRNA的到来。

这样反复进行直到整个蛋白质链合成完成。

在蛋白质链合成的过程中，核糖体会自动将一条完整的蛋白质链连在一起。

经过长时间的重复，整个蛋白质链就被合成出来了。

二、蛋白质翻译后修饰在蛋白质合成完成后，蛋白质还需要一些修饰才能够发挥其生物学功能。

蛋白质的修饰分为多种类型，包括切割、糖基化、磷酸化、酰化等，都是通过进一步地化学反应来修改已合成的蛋白质分子结构。

蛋白质翻译后修饰与功能调控机制蛋白质是生物体中最重要的分子之一，具有多种生物学功能。

然而，蛋白质在合成后并不是最终的活性形式，常常需要通过一系列的修饰过程来调节其结构和功能。

这些后修饰事件可以改变蛋白质的稳定性、局域性以及相互作用能力，从而调控细胞内信号传导、代谢途径、细胞结构和功能等生物学过程。

一、磷酸化修饰磷酸化是最常见的蛋白质后修饰方式之一。

这个修饰过程通过添加磷酸基团到特定的蛋白质残基上，通常通过激酶酶催化反应完成。

磷酸化修饰可用于激活或抑制蛋白质的功能，也可以影响它们的稳定性、互作能力和局域性。

二、甲基化修饰甲基化修饰通常通过甲基转移酶将甲基基团添加到蛋白质的氨基酸残基上。

这种修饰可以改变蛋白质的电荷状态、空间构象和稳定性。

甲基化修饰对于调控蛋白质的转录活性、DNA结合能力、蛋白质-蛋白质相互作用具有重要作用。

三、糖基化修饰糖基化是一种广泛存在于动植物蛋白质上的修饰方式。

这一修饰过程通常涉及糖基转移酶将糖基团附加到特定的蛋白质残基上。

糖基化修饰可以影响蛋白质的稳定性、折叠状态以及相互作用能力。

此外，糖基化修饰还可以作为蛋白质在细胞内的定位信号，参与细胞信号传导和互作等生物学过程。

四、乙酰化修饰乙酰化修饰是通过乙酰化酶将乙酰基团添加到蛋白质的氨基酸残基上。

这种修饰方式通常发生在赖氨酸残基上，并可改变蛋白质的电荷状态和折叠构象。

乙酰化修饰对于调控染色质结构、DNA修复和转录调控等生物学过程具有重要作用。

五、泛素化修饰泛素化是一种通过调控蛋白质的降解和功能的重要机制。

这种修饰方式涉及到泛素连接酶系统在蛋白质上附加泛素分子。

泛素化修饰可作为蛋白质降解的信号，参与调控细胞周期、DNA修复、蛋白质合成等生物学过程。

六、其他修饰方式除了上述提及的修饰方式外，蛋白质还可以通过糖酵素化修饰、硝化修饰、戊二酰化修饰等其他修饰方式调控其结构和功能。

这些修饰方式的存在丰富了蛋白质修饰的多样性，使得蛋白质能够更加精确地参与细胞内的生物学过程。

蛋白质的翻译后修饰和调控蛋白质是生命活动中最为重要的分子之一，它们既可以是细胞的结构组成，也可以作为代谢酶、激素、调节因子等生物分子的重要载体。

蛋白质的结构和功能不仅与其天然的氨基酸序列有关，还与其经过多种酶催化的修饰过程密切相关。

这些修饰包括：翻译后修饰、翻译后超表达、裂解和脱附等。

本文将重点探讨蛋白质的翻译后修饰和调控。

一、蛋白质翻译后修饰敲蛋白质的翻译过程通常被认为是从N-到C-端，从氨基基团到羧基，由核酸和翻译机械制成。

生物细胞内的合成蛋白质，则需要进行多种酶的修饰，以使其最终呈现出所要求的生物活性和三维结构。

1. 磷酸化磷酸化是蛋白质修饰的最为普遍的一种方式，通常是由一些酪氨酸或苏氨酸上的酸性侧链上结合的磷酸基所完成。

磷酸化可以使蛋白质结构和荷电特性发生改变，进而影响蛋白质的结合和催化活性。

2. 糖基化蛋白质上的糖基化通常是由一种糖基转移酶催化的，常见的糖基包括N-糖基、O-糖基和C-糖基等。

这些糖基化行为通常可以增强蛋白质的稳定性和生物学活性，还可以改变蛋白质的质量和凝聚性质。

3. 甲基化和乙酰化蛋白质上还经常会发生一些特定结构上的编辑修饰，如甲基化和乙酰化等。

这些修饰可以影响某些细胞稳定性和外界刺激对蛋白质的响应。

二、蛋白质翻译后调控蛋白质合成不仅受制于基因表达水平和翻译效率，还受到各种内部和外部因素的调控。

下面分别分析各种调控因素。

1.蛋白酶降解蛋白质的稳定性一般由蛋白酶进行去催化。

当细胞感觉到一定的环境刺激，如氧化应激或低钙离子等，在一个较短的时间内，通常会发生蛋白酶催化或蛋白利氧化等情况。

2.磷酸酶反应蛋白质的翻译后编辑修饰中，蛋白酶对蛋白质的磷酸化处于一种动态调控周期。

在细胞中，有一类蛋白质酶能够催化磷酸化的去除，并且有很好的选择性。

这意味着当细胞需要调节某些类型蛋白质的磷酸化状态时，通过控制这些蛋白质磷酸酶反应来实现。

3.转录因子转录因子是一些能够识别DNA序列的特异性蛋白质，它们可以促进或阻止基因的转录。

蛋白质翻译后修饰与蛋白质分解代谢之间的联系蛋白质是构成生物体内众多重要分子的基石。

在细胞内，蛋白质合成通常分为两个步骤，即转录和翻译。

转录通过RNA分子从DNA模板上复制出蛋白质的编码信息，翻译则将这些信息翻译成氨基酸序列，并将其组装到一起形成一个完整的蛋白质分子。

但是，蛋白质合成并不是结束了整个过程。

在蛋白质翻译后，蛋白质会经过一定的修饰过程，从而改变其功能和稳定性。

同时，蛋白质也会被分解代谢掉，以维持细胞内的平衡。

本文将探讨蛋白质翻译后修饰与蛋白质分解代谢之间的联系。

1. 翻译后修饰是什么？在蛋白质翻译完成之后，蛋白质通常会被一系列修饰作用影响。

这些修饰作用包括但不限于磷酸化、甲基化、糖基化、乙酰化、脱氨基化等。

这些修饰作用会改变蛋白质的结构、功能和稳定性，进而影响细胞中的许多生物学过程。

例如，磷酸化是一种重要的蛋白质修饰，它能够改变蛋白质的电荷性质，调节蛋白质的酶活性、蛋白质与其他分子的相互作用等一系列生理功能。

乙酰化是另一种常见的蛋白质修饰，它通过在蛋白质上加入乙酰基，调节蛋白质的功能和稳定性，包括对DNA修复、转录和基因表达的调节等。

2. 蛋白质修饰与蛋白质分解的联系虽然蛋白质修饰对生物过程产生了极为重要的影响，但是蛋白质也会被分解代谢掉，以维持细胞内的平衡。

蛋白质分解通常会通过两个不同的机制进行，即泛素化依赖性的蛋白质降解和独立于泛素化的蛋白质降解。

泛素化依赖性的蛋白质降解是指蛋白质被泛素附加到其分子上面，从而使其被降解的过程。

而独立于泛素化的蛋白质降解则是指蛋白质在没有泛素化标记的情况下被分解。

蛋白质修饰与蛋白质分解之间有着密切的联系。

一方面，蛋白质修饰可以调节蛋白质的转录水平和酶活性等生理过程，进而影响蛋白质的分解代谢。

例如，磷酸化是一种常见的蛋白质修饰，在一些情况下能够减缓蛋白质的降解速度。

另一方面，蛋白质分解也可以影响蛋白质修饰的过程。

一些分解酶如蛋白酶体和脂酰化酶参与了一些蛋白质修饰的过程，这些过程需要将修饰蛋白质分解成氨基酸序列并再生后续的修饰作用。

蛋白质的翻译和翻译后修饰蛋白质是细胞中最基本的生物大分子，参与了生物体内几乎所有的生命活动。

蛋白质的合成涉及到翻译过程和翻译后修饰两个主要步骤。

一、蛋白质的翻译蛋白质的翻译是指将mRNA上的遗传信息转化为氨基酸序列的过程。

这一过程主要发生在细胞质中的核糖体上。

1. 启动子与小核仁RNA（rRNA）的结合：翻译开始前，mRNA的5'端结合到核糖体小亚基上的小核仁RNA，形成启动复合体。

这一步骤确保正确的起始点和适当的翻译框架。

2. 外显子剪接和核糖体扫描：mRNA经过剪接后，转录内含子被去除，形成成熟的mRNA转录本。

核糖体扫描该mRNA，寻找起始密码子(AUG)，确定翻译开始位置。

3. 起始复合物形成：核糖体识别起始密码子并与亚单位Met-tRNAiMet结合，形成起始复合物。

这一复合物包含大、小核糖体亚基以及tRNAiMet。

4. 转移rna（tRNA）结合：核糖体在mRNA上滑动，直到识别到一个新的密码子。

合适的tRNA通过抗密码子与mRNA上的密码子配对，保证正确的氨基酸被加入到蛋白质链上。

5. 肽键形成和elongation：肽键的形成是翻译的关键步骤，它由蛋白合成酶催化，将新到达的氨基酸与蛋白质链上的上一氨基酸连接起来。

步骤重复进行，直到到达终止密码子。

6. 翻译终止：终止密码子标志着蛋白质链的结束。

在终止密码子到达时，核糖体与复合物解离，蛋白质链被释放，并经过后续的修饰和折叠。

二、蛋白质的翻译后修饰蛋白质翻译后经历一系列修饰过程，使其成为活性蛋白质并能够履行其功能。

1. 氨基酸修饰：氨基酸修饰包括磷酸化、甲基化和乙酰化等。

这些修饰可以改变蛋白质的稳定性、活性以及与其他分子的相互作用。

2. 糖基化修饰：糖基化修饰是将糖基添加到蛋白质上，形成糖蛋白。

糖蛋白在细胞识别、细胞黏附和信号传导等过程中起着重要作用。

3. 蛋白质折叠：翻译后的蛋白质链通常处于未折叠的状态，需要经过蛋白质折叠过程才能形成稳定的三维结构。

蛋白质的翻译后修饰和质量控制研究蛋白质发生突变的机制蛋白质的翻译后修饰和质量控制研究——蛋白质发生突变的机制蛋白质是生物体内最为重要的分子之一，它们在维持生命活动、参与代谢过程以及调控细胞功能方面发挥着重要的作用。

然而，在蛋白质合成的过程中，极少数情况下会发生突变现象，这可能导致蛋白质的功能异常、稳定性下降甚至失去生物活性。

为了维护细胞内正常的蛋白质水平和功能，细胞内存在着一套严格的翻译后修饰和质量控制机制，它们能够识别和修复突变蛋白质的问题，保证其正常功能。

本文将重点探讨蛋白质发生突变的机制以及细胞中用于修饰和质量控制的相关机制。

一、蛋白质突变的机制蛋白质发生突变的机制多种多样，常见的包括基因突变、蛋白质拷贝数变异以及蛋白质后转录修饰异常等。

基因突变是指DNA序列发生改变，进而导致蛋白质编码信息发生错误。

这种突变可以是点突变、插入突变、缺失突变等多种形式，常见于遗传性疾病的发病机制中。

另外，蛋白质拷贝数变异也是一种常见的突变机制，它会影响到蛋白质在细胞中的表达水平。

最后，蛋白质后转录修饰异常是指在蛋白质翻译过程中，由于修饰酶的异常活性或翻译后修饰途径的异常，导致蛋白质的修饰状态发生改变。

二、蛋白质的翻译后修饰翻译后修饰是指蛋白质合成完成后，进一步在蛋白质分子上进行的修饰过程。

这些修饰通常可以改变蛋白质分子的结构与功能，使其更适应细胞内的生理需求。

常见的翻译后修饰包括磷酸化、乙酰化、甲基化、泛素化等。

1. 磷酸化磷酸化是一种常见的蛋白质翻译后修饰方式，它通过添加磷酸基团改变蛋白质的电荷分布和空间构象，从而影响蛋白质的结构与功能。

磷酸化修饰可以使蛋白质进行结构变化，从而影响其在细胞内的定位、相互作用等。

例如，磷酸化可以调控受体激酶的活性，进而参与信号转导网络的调控。

2. 乙酰化乙酰化是指在蛋白质分子上添加乙酰基团的修饰方式，它可以通过改变蛋白质的电荷分布和空间构象，影响蛋白质的结构与功能。

乙酰化修饰常见于组蛋白，它可以调控染色质的结构和功能，进而影响基因的表达。

Chapter VChapter VPost‐translational ModificationOf ProteinsOne gene more proteinsOne gene, more proteins•蛋白质翻译后修饰（PTM）是指蛋白质在翻译中或翻译后经历的个共价加工过程，即通过1个或几个氨基酸残基加上修饰的一个基团或通过蛋白质水解剪去基团而改变蛋白质的性质。

•从定义的角度，可以如下理解蛋白质翻译后修饰：1. 对某氨基酸的修饰包括共价连接简单的官能团（如乙酰基或磷酸基）1对某一氨基酸的修饰包括和引入一些复杂结构，如脂类和糖类。

2. 将已经结束翻译的转录本产物切割成成熟的形式，如信号肽或活性肽的加工等。

3. 氨基酸的交联，如丝氨酸和酪氨酸。

•可以说，蛋白质组中任一蛋白质都能在翻译时或翻译后进行修饰。

不同类型的修饰都会影响蛋白质的电荷状态、疏水性、构饰不同类型的修饰都会影响蛋白质的象和（或）稳定性，最终影响其功能。

•诸多实例表明蛋白质的修饰都采取一种可逆模式‐“开”或“关”的状态行或者调节蛋白质的功能或者作为个真实的分的状态进行，或者调节蛋白质的功能，或者作为一个真实的分子开关。

•目前已发现300多种不同的翻译后修饰，主要形式包括磷酸化、糖基化、乙酰化、泛素化、羧基化、核糖基化以及二硫键的配对等。

等•加入官能团乙酰化—通常于蛋白质的N末端加入乙酰。

磷酸化—加入磷酸根至Ser、Tyr、Thr或His。

糖化—将糖基加入Asn、羟离氨酸、Ser或Thr，形成糖蛋白。

烷基化加入如甲基或乙基等烷基。

—甲基化—烷基化中常见的一种，在Lys、Arg等的侧链氨基上加入甲基。

生物素化—主要有组蛋白的生物素酰化修饰，由羧化全酶合成酶与组蛋白直接相互作用完成，以及生物素附加物令赖氨酸残基酰化。

以及生物素附加物令赖氨酸残基酰化谷氨酸化—谷氨酸与导管素及其他蛋白质之间建立共价键。

甘氨酸化—一个至超过40种甘氨酸与导管素的C末端建立共价键。