背景知识蛋白质的基本结构 - 简书 (jianshu.com)

翻译后修饰是增加蛋白质组多样性的关键机制

大纲

-N端aa的去除
-共价修饰
-多肽链拼接
-多肽链折叠
-剪切和修剪
-protein的定向与分拣

1.N端aa的去除

蛋白质从核糖体中出来的起始端氨基酸都是Met（甲硫氨酸又称蛋氨酸），但真实的肽链（发挥功能的是大多数不是Met开始的，要在N端去除Met。

Q1：蛋白质从核糖体中出来的起始端氨基酸都是Met（甲硫氨酸又称蛋氨酸），但真实的肽链（发挥功能的是大多数不是Met开始的，要在N端去除Met。对吗？
A1：是的，您的理解基本正确。虽然蛋白质翻译的起始氨基酸在所有生物中都是甲硫氨酸（Met，蛋氨酸）或其衍生物，但大多数成熟的功能性蛋白质并不以甲硫氨酸作为起始氨基酸。这是因为许多蛋白质在翻译后会经历N-端甲硫氨酸的切除这一翻译后修饰步骤。
1. 为什么蛋白质翻译起始氨基酸都是Met？

• 在蛋白质合成时，起始tRNA（tRNA(^{fMet)或tRNA(}iMet)）专门携带甲硫氨酸进入核糖体的P位，以保证翻译的起始。
• 原核生物中，起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸（fMet），由甲酰转移酶修饰。
• 真核生物和古菌中，直接使用未修饰的甲硫氨酸作为起始氨基酸。

2. N-端甲硫氨酸去除的过程

• 在许多蛋白质中，翻译完成后，N-端甲硫氨酸会通过一种叫做甲硫氨酸氨肽酶（Methionine Aminopeptidase, MAP）的酶类被切除。
• 甲硫氨酸的去除通常发生在蛋白质的折叠和修饰初期阶段，是一种非常常见的翻译后修饰。

决定N端甲硫氨酸去除的因素：

1. 邻近的第二个氨基酸的性质：
   • 如果甲硫氨酸后面接的是小而疏水的氨基酸（如Ala, Gly, Ser, Thr, Val），甲硫氨酸更容易被移除。
   • 如果第二个氨基酸较大或带电荷，甲硫氨酸可能保留下来。
2. 蛋白质本身的结构：
   • 某些蛋白质的N端结构可能限制了甲硫氨酸氨肽酶的作用。

3. 为什么要去除甲硫氨酸？

• 蛋白质功能的优化：
  • 去除甲硫氨酸后，N-端可能暴露其他特定的功能性氨基酸序列，便于参与蛋白质功能或相互作用。
• 翻译后修饰的需求：
  • N-端的其他修饰（如乙酰化或脂质化）可能需要先去除甲硫氨酸。
• 特定生物学意义：
  • 甲硫氨酸的去除可能是蛋白质适应某些细胞环境的必要条件。

4. 哪些蛋白质保留N端甲硫氨酸？

• 并非所有蛋白质都会移除甲硫氨酸。某些情况下，甲硫氨酸保留并参与特定功能：
  • 信号肽或转运功能：某些膜蛋白或分泌蛋白可能以N端甲硫氨酸为识别信号。
  • 代谢稳定性：在某些蛋白质中，甲硫氨酸的保留可能增强蛋白质的稳定性。

5. 真实肽链如何起始？
在去除了甲硫氨酸之后，功能性肽链通常以第二个氨基酸作为起始点。这就是成熟蛋白质的N端。
此外，去掉甲硫氨酸后，N端还可能经历其他修饰：

• N-端乙酰化（N-terminal acetylation）：非常常见的翻译后修饰，尤其是在真核生物中。
• N-端脂质化：有助于蛋白质锚定到膜。
• N-端糖基化：某些分泌蛋白需要这种修饰。

总结

• 起始氨基酸一定是甲硫氨酸（或其修饰形式）。
• 大多数成熟蛋白质通过翻译后修饰去除了N端甲硫氨酸。
• 是否去除取决于第二个氨基酸及蛋白质功能需求。
  这种机制提高了蛋白质结构和功能的多样性，是进化中高效调控的一个重要体现！

2.共价修饰——蛋白质的翻译后修饰（Protein post-translational modifications,PTMs）

定义：蛋白质翻译后修饰（Post-Translational Modification，PTM） 是指蛋白质在翻译完成后，其氨基酸链通过化学修饰或酶促加工的方式发生变化。这些修饰极大地扩展了蛋白质的功能和多样性，是调节细胞活动、信号传递、基因表达等生物过程的关键机制。其中共价修饰是PTMs中重要的一员。

Q2：蛋白质翻译后修饰表明绝大多数蛋白质要执行功能需要通过共价修饰才可以被活化吗？
A2：并不是所有蛋白质都需要通过翻译后修饰（PTM）才能执行功能，但翻译后修饰确实是许多蛋白质功能调控的重要机制。以下从几个角度解释这个问题：

1. 翻译后修饰的广泛性

• 绝大多数真核生物蛋白质会经历某种形式的翻译后修饰，但具体的作用因蛋白质和修饰类型而异。
• 翻译后修饰对蛋白质功能的作用主要体现在以下方面：
  • 激活或抑制：某些酶类或信号分子需要特定修饰（如磷酸化）才能活化。
  • 定位与分布：翻译后修饰（如脂质化、糖基化）决定蛋白质在细胞内的定位。
  • 相互作用调控：PTM可以调控蛋白质与其他分子（如配体或蛋白质）的相互作用。
  • 稳定性与降解：泛素化等修饰标记蛋白质进行降解或保护其免受蛋白酶作用。

2. 不依赖修饰的蛋白质

• 并非所有蛋白质都依赖翻译后修饰：
  • 某些结构蛋白（如肌动蛋白、微管蛋白）可以在未修饰的情况下完成基本功能。
  • 某些小分子结合蛋白或受体蛋白可能通过构象变化即可实现功能。
  • 原核生物蛋白质中，许多功能蛋白并不需要复杂的修饰即可发挥作用。

3. 翻译后修饰与功能调控的关系
(1) 修饰是功能的“开关”

• 某些酶和信号蛋白只有在特定修饰（如磷酸化）后才能发挥功能。
  • 示例：糖原磷酸化酶通过磷酸化被激活，调控糖代谢。

(2) 修饰是功能的“调节器”

• 翻译后修饰并非直接决定蛋白质是否活化，而是通过细微调整功能。
  • 示例：组蛋白的多种修饰（如乙酰化、甲基化、乳酸化）协同调控染色质开放性。

(3) 修饰是功能的“适应器”

• 修饰可以帮助蛋白质适应不同的细胞环境或条件。
  • 示例：在低氧条件下，某些蛋白质通过羟基化适应新的生理需求。

4. 修饰是功能必要条件的情况
一些蛋白质确实需要翻译后修饰才能被激活或实现功能。例如：

• 激酶和磷酸酶：
  • 磷酸化常是激酶活化的必要条件。
  • 示例：MAPK需要特定的磷酸化修饰来启动信号级联。
• 膜蛋白的锚定：
  • 脂质化修饰（如棕榈酰化）是某些膜蛋白定位和功能的必要条件。
• 泛素化和降解：
  • 泛素化标记错误折叠的蛋白质以送入蛋白酶体降解。

5. 特殊情况：天然无序蛋白质

• 天然无序蛋白质（Intrinsically Disordered Proteins, IDPs）：
  • 这些蛋白质通常在未修饰的情况下缺乏明确的结构，但通过翻译后修饰可以调节其与其他分子间的结合。

6. 总结

• 并非所有蛋白质都需要翻译后修饰来激活，但PTM显著扩展了蛋白质功能的调控范围和灵活性。
• PTM在许多关键功能（信号传导、基因表达、细胞周期调控等）中起到必要或重要的调节作用。
• 对于某些蛋白质，PTM是激活或完成功能的“必需条件”，而对于其他蛋白质，PTM可能是功能优化或适应性调节的手段。

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3.共价修饰的类型

蛋白质的共价修饰（Covalent Modification）是一种重要的翻译后修饰（Post-Translational Modification, PTM）类型，通过化学键将化学基团或分子共价地添加到蛋白质特定位点上，从而调节其结构、功能、稳定性、活性和定位。以下是常见的共价修饰类别：

小分子基团修饰

磷酸化（Phosphorylation）

• 基团：磷酸基团（PO₄³⁻）
• 靶氨基酸：Serine (Ser), Threonine (Thr), Tyrosine (Tyr)（真核生物）；Histidine (His)（原核生物）。
• 作用：调节酶活性、信号传递、蛋白质相互作用。
• 酶：激酶（Kinase，添加磷酸）、磷酸酶（Phosphatase，去除磷酸）。
  
  
  
  图示：从复杂生物样品中富集高纯度磷蛋白。用 theThermo Scientific Pierce 磷酸化蛋白富集试剂盒进行 Weste blot 分析，根据试剂盒说明书制备细胞裂解液，富集磷酸化蛋白。利用识别生长因子信号传导相关关键调控蛋白的磷酸化特异性抗体实现蛋白检测。细胞色素 C (pI 9.6) 和 p15Ink4b (pI 5.5) 作为非磷酸化蛋白非特异性结合的阴性对照。FT = 流穿馏分，W = 合并洗脱馏分，E = 合并洗脱馏分，L = 非富集总细胞提取物
  
  

乙酰化（Acetylation）

• 基团：乙酰基（CH₃CO-）
• 靶氨基酸：赖氨酸 (Lys)、蛋白质N-端。
• 作用：影响基因转录（如组蛋白乙酰化）、调节蛋白质稳定性。
• 酶：乙酰转移酶（Acetyltransferase）、去乙酰酶（Deacetylase）。

甲基化（Methylation）

与组蛋白颗粒相关的翻译后修饰。核小体由 DNA 包裹的红色球体表示（以灰色显示）。还描述了位于组蛋白 H2A（和 H2A.X）、H2B、H3 和 H4 上的 PTM 的位置。这些 PTM 通过改变染色质结构和招募组蛋白修饰因子影响基因表达。PTM 事件介导了转录激活和失活、染色体包装、DNA 损伤和修复过程等多种生物学功能。

• 基团：甲基（CH₃）
• 靶氨基酸：赖氨酸 (Lys), 精氨酸 (Arg)。
• 作用：调节基因表达（如组蛋白甲基化），蛋白质信号转导。
• 酶：甲基转移酶（Methyltransferase）、去甲基酶（Demethylase）。

琥珀酰化（Succinylation）

• 基团：琥珀酰基（C₄H₄O₄）
• 靶氨基酸：赖氨酸 (Lys)。
• 作用：调节蛋白质代谢功能。

乳酸化（Lactylation）

• 基团：乳酸基团。
• 靶氨基酸：赖氨酸 (Lys)。
• 作用：调控基因表达（组蛋白修饰）、代谢信号调节。

羟基化（Hydroxylation）

• 基团：羟基（-OH）
• 靶氨基酸：脯氨酸 (Pro)、赖氨酸 (Lys)。
• 作用：增强蛋白质的稳定性（如胶原蛋白中发生的羟基化）。

硝基化（Nitrosylation）

• 基团：一氧化氮（NO）
• 靶氨基酸：半胱氨酸 (Cys)。
• 作用：调节细胞信号传递，控制酶活性。

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大分子修饰

泛素化（Ubiquitination）

HeLa 细胞裂解液中泛素的检测。进行 Weste blot 分析，比较 4 种检测 HeLa 细胞裂解液中泛素蛋白的方法。epoxomicin 处理后，通过四种不同方法处理 HeLa 细胞裂解物 (150 g)。将得到的流穿 (F) 和洗脱 (E) 馏分进行体积归一化，与原始未处理裂解物 (H) 进行体积归一化，并选择相同体积进行蛋白印迹检测。与供应商 Cs kit 和基于抗体的方法相比，thermo Scientific Pierce 泛素富集试剂盒在洗脱组分中获得了更多的泛素化蛋白（在流穿组分中获得的蛋白较少），表明泛素化蛋白的富集效果明显更好。GSH 树脂是用于比较的阴性对照。

• 基团：泛素分子。
• 靶氨基酸：赖氨酸 (Lys)。
• 作用：标记蛋白质进行降解（通过蛋白酶体），或调控非降解信号通路。
• 酶：泛素连接酶（E1、E2、E3）。

小泛素样修饰（SUMOylation）

• 基团：小泛素相关修饰蛋白（SUMO）。
• 靶氨基酸：赖氨酸 (Lys)。
• 作用：调节蛋白质定位、稳定性和活性。

糖基化（Glycosylation）

糖肽键可根据连接的糖肽键和寡糖的性质分为特定的几类，包括 N-、O-和 C-连接糖基化、糖基化和磷酸化糖基化。

• 基团：糖分子（如葡萄糖、甘露糖、N-乙酰氨基葡萄糖）。
• 靶氨基酸：
  • N-糖基化：天冬酰胺 (Asn)
  • O-糖基化：丝氨酸 (Ser), 苏氨酸 (Thr)
• 作用：调节蛋白质的折叠、运输、功能和稳定性。

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脂质修饰

棕榈酰化（Palmitoylation）

• 基团：棕榈酰基（C16脂肪酸）。
• 靶氨基酸：半胱氨酸 (Cys)。
• 作用：蛋白质膜锚定。

异戊烯化（Prenylation）

• 基团：异戊二烯基团（C15或C20）。
• 靶氨基酸：C端半胱氨酸。
• 作用：蛋白质膜结合、信号转导。

乙酰化（Myristoylation）

• 基团：肉豆蔻酰基（C14脂肪酸）。
• 靶氨基酸：N端甘氨酸 (Gly)。
• 作用：蛋白质定位到膜。

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其他修饰

二硫键形成（Disulfide Bond Formation）

• 基团：两个半胱氨酸间形成二硫键。
• 作用：稳定蛋白质三级或四级结构。

脱酰胺化（Deamidation）

• 基团：天冬酰胺（Asn）或谷氨酰胺（Gln）转化为天冬氨酸或谷氨酸。
• 作用：调控蛋白质活性和功能。

环化（Cyclization）

• 类型：蛋白质末端氨基酸（如N端谷氨酰胺）可以被环化。
• 作用：增加蛋白质稳定性。

总结

蛋白质的共价修饰极大地丰富了蛋白质的功能多样性。这些修饰可以单独发挥作用，也可以协同调控蛋白质功能，如信号传导、基因调控、代谢调节等。

reference

1.Overview of Post-Translational Modification | Thermo Fisher Scientific - CN
翻译:蛋白质翻译后修饰（PTMs)概述 - 蛋白质和糖学 - 医学交流社区，分享临床经验、病例讨论、考试科研、求职晋升经验 (dxy.cn)
2.Common Post-translational Modifications (PTMs) of Proteins: Analysis by Up-to-Date Analytical Techniques with an Emphasis on Barley