本文将详细介绍蛋白质翻译后修饰的基本概念、作用、主要类型以及它们在生物体内的重要功能和具体实例，以期为大家提供一个全面的视角，理解这些修饰如何精细调控蛋白质的活性和功能，进而影响细胞的生理和病理过程。
01 蛋白质修饰的基本概念
在生物学中，蛋白质是生命活动的主要承担者，它们几乎参与了细胞所有的生命过程。然而，刚刚从核糖体上合成出来的蛋白质，就像是一块未经雕琢的玉石，还需要经过一系列的加工和修饰，才能成为具有特定功能和活性的成熟蛋白质。这个过程，我们称之为蛋白质修饰，或者更准确地说，是翻译后修饰（Post-Translational Modifications, PTMs）。
翻译后修饰是指在蛋白质合成之后，对其进行的化学修饰。这些修饰可以是可逆的，也可以是不可逆的，但通常都是共价化学修饰，由酶促反应驱动。通过这些修饰，蛋白质的结构、功能、稳定性和定位都会发生显著的变化，从而使其能够适应细胞内外环境的变化，执行特定的生物功能。
02 翻译后修饰的作用
翻译后修饰在细胞活动中起着至关重要的作用。它不仅影响蛋白质的稳定性、活性和定位，还可以控制蛋白质与其他生物分子的相互作用。这些相互作用可以是核酸、碳水化合物、脂质甚至其他蛋白质，它们共同构成了细胞复杂的调控网络。具体来说，翻译后修饰的作用主要体现在以下几个方面。
2.1 控制蛋白质的降解速率
通过添加特定的修饰基团，如泛素，可以标记蛋白质进行降解，从而调节细胞内蛋白质的数量和活性。
2.2 增加细胞中的蛋白质多样性
人类大约有20,000个基因负责编码蛋白质，每个基因都可以通过转录过程生成多种mRNA，从而增加蛋白质的多样性。在这个过程中，外显子可以通过选择性剪接拼接成不同类型的mRNA，这一机制允许一个基因产生多个mRNA变体，从而增加蛋白质的多样性。
此外，相同的基因有时可以使用不同的启动子进行转录，这会导致产生不同的mRNA分子，进一步扩大了蛋白质的多样性。因此，一个基因可以编码多种类型的mRNA，而每个mRNA又可以通过翻译后修饰，如磷酸化或乙酰化，产生多种功能性蛋白质。这些修饰可以改变蛋白质的活性、稳定性和功能，使得一个单一的mRNA有潜力产生多种不同的功能性蛋白质。这种从基因到mRNA，再到蛋白质的多样性，是细胞能够适应不同环境和执行复杂功能的关键。
2.3调节细胞信号传导
许多信号传导途径都依赖于蛋白质的翻译后修饰，如磷酸化，来传递和放大信号。
2.4 参与细胞周期和生长调控
翻译后修饰在细胞周期和生长调控中发挥着重要作用，确保细胞能够正常地进行有丝分裂和增殖。
翻译后修饰是细胞内蛋白质功能调控的关键机制，它们可以根据作用机制和类型被划分为四大主要类别：功能团添加、蛋白质标签添加、主链切割以及氨基酸性质改变。接下来我将逐一深入探讨这些修饰类型，并借助具体的例子来阐释它们如何影响蛋白质的功能和细胞内的活动。
03 蛋白质修饰之主链切割
主链切割是蛋白质翻译后修饰的四大类型之一，具体涉及将蛋白质的多肽链分割成多个片段。这一过程主要包括两个关键步骤：蛋白水解和蛋白质剪接。
3.1 蛋白质水解
定义
蛋白质水解是指蛋白质分子在水解酶的作用下被分解成较小的肽链或单个氨基酸的过程，这是一种生物化学反应，主要涉及肽键（连接氨基酸的化学键）的断裂。蛋白质水解可以发生在体外（如消化过程中的食物蛋白质分解）或体内（如细胞内蛋白质的降解和回收）。
发生机制
蛋白质水解主要由蛋白酶催化。蛋白酶根据其作用于蛋白质的部位可以分为内肽酶和外肽酶。内肽酶作用于蛋白质中间部分的肽键，而外肽酶则从蛋白质的氨基或羧基末端逐步降解氨基酸残基。常见的蛋白酶包括胰蛋白酶、胃蛋白酶、糜蛋白酶等，它们具有不同的专一性和水解速度。
具体实例
以胰岛素的合成和分泌为例，胰岛素是由胰岛β细胞合成的。在合成过程中，前体蛋白中的信号肽被切除，形成胰岛素原。随后，胰岛素原经过进一步的切割和加工，最终形成具有生物活性的胰岛素分子。
除了酶催化外，蛋白质也可以通过化学方法进行水解，例如使用强酸（如盐酸或硫酸）在高温下处理蛋白质。然而，这种方法可能会破坏氨基酸的结构，导致消旋化等副作用，因此不适用于生物体内的蛋白质水解。
食物中的蛋白质消化是一个经典的蛋白质水解例子。在人体消化系统中，食物中的蛋白质经过口腔、胃和小肠的消化过程，逐步被分解为较小的肽段和单个氨基酸，以供身体吸收和利用。
在口腔中，唾液腺分泌的唾液含有少量的淀粉酶和蛋白酶，主要作用是对食物进行初步的物理和化学消化，使食物变得柔软并刺激味觉。当食物进入胃后，胃蛋白酶开始发挥作用，这是一种内肽酶，能够在胃酸的帮助下将蛋白质分解为较小的肽段。最后，在小肠中，胰蛋白酶、糜蛋白酶等胰液中的蛋白酶进一步将肽段分解为单个氨基酸或更小的肽段，这些水解产物通过小肠壁的吸收进入血液，供身体各部分使用。
3.2 蛋白质剪接
定义
蛋白质剪接（Protein Splicing）是一种在蛋白质层面上发生的罕见自然现象，与RNA剪接相似，涉及蛋白质前体中的一段特定氨基酸序列——内含肽（intein）的移除，以及剩余的外显肽（extein）部分的连接，形成成熟的蛋白质。这一过程不需要任何外部蛋白酶的参与，完全由内含肽自身的催化活性完成。
※内含肽是一种特殊的蛋白质结构，它能够自我催化剪接反应，移除自身并连接两侧的外显肽（extein），这一特性使得intein在蛋白质工程中具有重要的应用价值。内含肽的发现和研究为蛋白质的合成和修饰提供了新的策略，尤其是在需要精确控制蛋白质活性和稳定性的生物技术应用中。
发生机制
蛋白质剪接通常包括三个主要步骤：首先，含有内含肽和外显肽的蛋白质前体被合成；然后，内含肽通过特定的结构变化和一系列化学步骤实现自我剪接，这通常涉及到形成套索结构和硫酯键交换；最后，内含肽被移除后，两个外显肽的末端通过形成新的肽键连接起来，完成成熟蛋白质的形成。
具体实例
基于intein的蛋白质剪接是近十几年新兴的一个重要研究领域。以下是一个具体的例子来说明蛋白质剪接的过程。
实验设置
在实验室中，研究人员可以将一个含有内含肽序列的基因克隆到表达载体中，并在适当的宿主细胞中表达。这样，就可以产生含有内含肽的蛋白质前体。
观察结果
当蛋白质前体在细胞中表达时，内含肽会发挥其自我催化的作用。它首先催化自身从前体蛋白中剪切下来；然后，它促进两侧的蛋白质外显肽通过肽键连接起来，形成成熟的蛋白质。
应用
基于内含肽的蛋白质剪接在蛋白质工程中有广泛的应用前景。例如，它可以用于制备具有特定功能的蛋白质片段、构建融合蛋白或进行蛋白质特异位点标记等。
04 蛋白质修饰之氨基酸性质改变
4.1 定义
氨基酸是构成蛋白质的基本单元，它们具有特定的化学结构和性质，这些性质决定了氨基酸的功能和稳定性。氨基酸性质的改变可能涉及其电荷状态、溶解性、反应活性等方面的变化，这些变化可能由多种因素引起。
4.2 发生机制
化学反应是氨基酸性质改变的常见原因，其中氨基酸的氨基（-NH2）和羧基（-COOH）作为反应活性较高的官能团，可以参与形成酰胺键（肽键）或酸碱中和反应。此外，某些化学试剂或反应条件，如氧化剂、还原剂、酸碱等，也可能导致氨基酸侧链基团的变化，从而影响其性质。
物理环境的改变，例如温度、压力、光照等，也可能影响氨基酸的稳定性，导致其性质发生变化。pH值的改变对氨基酸的电荷状态有直接影响，进而影响其在水溶液中的溶解性和反应活性。
在生物体内，特定的酶可以催化氨基酸发生特定的化学反应，如转氨基作用（将一个氨基酸的氨基转移到另一个酮酸上，形成新的氨基酸）和脱羧基作用（移除氨基酸的羧基，形成胺），这些酶促反应也会导致氨基酸性质的改变。
这些性质的改变不仅影响单个氨基酸，还可能影响由这些氨基酸组成的蛋白质的整体结构和功能，包括蛋白质的折叠、稳定性、酶活性和信号传导等。
4.3 具体实例
某些氨基酸的氧化可以导致蛋白质结构的不稳定，影响其活性，这在氧化应激相关的疾病中尤为重要。氧化应激条件下，蛋白质中的某些氨基酸残基（如半胱氨酸、酪氨酸）容易被氧化，导致蛋白质结构和功能的改变，进而影响细胞的正常生理功能。
镰刀状细胞贫血是一种遗传性疾病，其发生与血红蛋白分子中的氨基酸性质改变密切相关。具体来说，该病患者的血红蛋白β亚基基因发生了点突变，导致第6位的谷氨酸（一种极性带负电荷的氨基酸）被缬氨酸（一种疏水氨基酸）所取代。
这一改变使得血红蛋白分子的空间结构和电荷分布发生了显著变化，导致红细胞在血液循环中容易变形、破裂和溶血。这种溶血现象会导致贫血、肝脾肿大、疼痛等症状的出现。
05 蛋白质修饰之功能团添加
功能团添加