蛋白质分子翻译后的化学修饰

除了正确翻译和折叠之外，每一个蛋白分子从核糖体上被合成完之后几乎都要进行一定的化学修饰。这种修饰可能改变蛋白质分子的活性、寿命，或细胞定位等。蛋白质分子功能的实现一般都少不了这种化学修饰过程。这种化学修饰包括两大类，一类是从主链上去除部分残基，这种过程有时候被称为蛋白质加工，一般是不可逆的蛋白激活或灭活过程；另一类是在蛋白分子上加上一个化学基团，很多是可逆的活性调节过程。化学修饰发生在不同的时间（整条肽链合成完成之前、肽链合成好之后、折叠之前、折叠之后、定位完成之前、定位完成之后等）和地点（核糖体上、内质网腔中、高尔基体中、其他不同细胞部位、细胞外面等）。

能够对蛋白质分子的侧链或末端基团进行化学修饰的基团现在已经有很多被鉴定清楚了，它们是糖基化、磷酸化、脂酰基化（其中包括乙酰化、棕榈酰化、肉豆蔻酰化、糖及磷脂酰肌醇），以及异戊烯化、硫酸化、生物素化、S-亚硝基化、甲基化、ADP-核糖基化、泛素化等。

（一）蛋白质多肽链的化学修饰——肽链的加工

这类修饰都是在特异的蛋白水解酶催化下进行的。这包括从末端切除掉一个残基，如在很多蛋白质中，翻译起始的蛋氨酸在完整肽链合成之后被切除；从末端切除掉一段肽链，如从引导蛋白质分子进行细胞定位的信号肽、酶原和激素前体蛋白中的“前体肽”；从分子内部切除掉一段肽链，如前胰岛素分子激活时被从分子内部切除的C肽；从分子内部特异位点进行多次切割，但形成的肽链或者离开，或者仍作为分子一部分存在，如胰凝乳蛋白酶原激活时的情形。在这些前体蛋白中，切除掉的前体肽一般都是起一个抑制蛋白活性的作用。

在高等动物中还发现另一类涉及主肽链加工的有趣现象，就是从一条合成出来的前体多肽链通过蛋白酶切而产生出多种具有生物学活性的肽。目前发现通过这种方式加工的肽主要有激素肽和神经肽等。如在脑垂体前叶和中叶细胞中，在特异的丝氨酸蛋白酶（识别相邻的两个碱性氨基酸）zuoyongxiacong一条被称为opiomelanocortin的前体肽中通过蛋白酶切至少可以产生8种活性肽：促肾上腺皮质激素、黑色素细胞激活激素（包括α、β、γ三种）、类肾上腺皮质激素垂体中叶肽、β促脂素、γ促脂素、β内啡肽（图8-14）；还有其他一些激素肽（如抗利尿激素、催产素）和神经肽（多种脑啡肽、强啡肽）也是通过类似途径产生的。

图8-14　8种活性肽皆来自一共同的前体

（二）蛋白质侧链或肽链末端基团的化学修饰

这类修饰中有的使蛋白分子的活性提高，有的使活性减低；有的使蛋白分子更为稳定；有的使蛋白寿命增长；有的使蛋白分子迈向死亡；有的使蛋白分子被运输或固定到特异的细胞位点等。下面就可逆磷酸化、糖基化和脂肪酰化三类在人体蛋白中广泛存在的化学修饰进行重点介绍。

1．可逆磷酸化修饰 从已有的研究结果来看，这可能是发生最广泛的、也是最重要的一类对蛋白质活性进行可逆调节的化学修饰了。这类化学修饰主要在蛋白质分子中特异的Ser／Thr和Tyr残基上进行。磷酸化反应由一大类被称为蛋白质激酶的蛋白质催化；而去磷酸化则由另外一大类被称为蛋白磷酸酯酶的蛋白催化。

可逆磷酸化对蛋白活性的调节最初是在20世纪50年代中期，两位美国科学家Edmond Fischer和Edwin Krebs在研究肌肉中的糖原磷酸化酶（glycogen phosphorylase）时发现的。他们的工作表明该酶可以通过一种全新的机制从一种无活性的形式（b）转变成一种有活性的形式（a）。这种机制就是从富含能量的ATP分子上将一个磷酸基团转移到这种蛋白质分子上。他们进而鉴定了催化这种磷酸基团转移的酶，他们将它命名为糖原磷酸化酶激酶（kinase）。后来他们还鉴定了将磷酸基从糖原磷酸化酶蛋白分子上切除的酶——糖原磷酸化酶磷酸酶（phosphatease）。也就是说，他们发现催化糖原分解产生葡萄糖的糖原磷酸化酶的活性受到一对作用相反的酶——激酶和磷酸酯酶所催化的可逆磷酸化修饰过程的调节。

20世纪70年代后期。从罗斯肉瘤病毒中发现的致癌基因src的产物是蛋白质激酶，而且它并不是催化底物蛋白中的Ser／Thr残基的磷酸化，而是Tyr的磷酸化。接着，大量的这种Tyr类激酶陆续地被发现了。

后来的大量研究结果表明，高等动物细胞对外界信号或刺激（包括激素、生长因子、神经递质、气味物质，甚至电刺激）的信号传导过程和最终导致的生理反应大多通过这种蛋白的可逆磷酸化方式来实现。大量生长因子，如表皮生长因子、转化生长因子的信号传导过程中存在多步的“一个蛋白激酶被磷酸化之后在磷酸化和激活下一个蛋白激酶”的所谓磷酸化级联（瀑布）现象，很多生长因子本身就是Tyr类激酶。

在这种信号传导过程中被激活的蛋白质激酶往往是通过磷酸化一系列不同的蛋白质分子而调节细胞的代谢过程的。比如当胰高血糖素与位于肝细胞表面的特异受体结合后，在细胞质中所产生的第二信使环腺苷酸能够激活“cAMP依赖性蛋白质激酶”。在该激酶催化下被磷酸化的大量蛋白质中包括糖原磷酸化酶激酶和糖原合成酶。换句话说，通过这种有关酶的磷酸化修饰，糖原的分解过程被促进了，而糖原的合成过程却被抑制了。也就是说，通过这种蛋白磷酸化修饰，细胞代谢的调节可以高效地进行：该被激活的途径被激活了，该被抑制的途径被抑制了。从蛋白质研究角度来说，要回答的主要问题包括：被某一种蛋白质激酶所磷酸化的底物蛋白的磷酸化位点有什么结构特征；被同一种蛋白激酶所作用不同底物蛋白之间是否具有相似结构特征；磷酸化修饰之后是什么样的结构改变而导致蛋白活性的提高或抑制等。

首先通过对大量被蛋白质激酶所磷酸化的底物蛋白的磷酸化位点的序列分析发现被磷酸化的残基主要包括Ser／Tyr，Tyr。但在部分情况下，也可以发生在His，Asp和Lys等残基上。对Tyr类激酶所催化的底物蛋白进行的类似分析发现，最容易发生磷酸化的Tyr所在的氨基酸序列是-Lys／Arg-X3-Asp／Glu-X3-Tyr-。通过分析这种特征性序列在底物蛋白中存在的位置我们可以对磷酸化修饰的可能位点进行预测。当然并非所有位于这种保守序列处的Ser／Tyr，Tyr都能被修饰，也并非所有被磷酸化修饰的位点都具有这种保守序列。也就是说预测结果必须要经过生物化学实验的进一步确认才有意义。

当然从蛋白质结构与功能关系角度，人们最感兴趣的还是：为什么磷酸化修饰后能使底物蛋白生物活性明显提高或降低。从化学组成来看，共价连接上的磷酸基团的一个最明显的特征是带有负电荷。从获得的糖原磷酸化酶的α（被磷酸化修饰过的）和β（没有被磷酸化修饰过的）两种形式的晶体结构比较中可以看出，所加上的磷酸基团通过静电相互作用引起的构象的明显变化，从而导致活性的明显改变。

2．糖基化修饰 主要发生在真核细胞的细胞质膜蛋白和分泌蛋白上。糖类是自然界中一类生物大分子，它可以与肽链通过共价键连接形成糖蛋白，在酶的作用下，糖链链接到肽链的过程被称为糖基化（glycosylation），糖基化可以改变蛋白质多方面的性质，如增强蛋白质的亲水性、提高溶解度、帮助蛋白质肽链的折叠，保护蛋白质免受蛋白酶的降解等。被糖基化修饰的氨基酸残基主要包括Asn和Ser／Thr。在这些蛋白质中所加上的糖基大多是寡糖基，参与这种寡糖基形成的单糖至少包括半乳糖、葡萄糖、海藻糖、甘露糖、N-乙酰半乳糖、N-乙酰葡萄糖胺、唾液酸和木糖等。当被修饰的残基是Asn时，糖基连接在Asn侧链酰胺基的氮原子上，所以被称为N-型糖基化；当被修饰的残基是Ser／Thr的时候，糖基是连接在侧链羟基氧原子上，故被称为O-型糖基化。

与其他化学修饰显著不同的是，加在真核细胞质膜和分泌蛋白上的寡糖基没有固定的组成，而且即使在同一个细胞中的同一种蛋白质分子上所连接的寡糖基都可能不一样，这种现象被称为糖基修饰的“微观不均一性”（microheterogeneity）。糖基化的场所是分泌途径中的内质网和高尔基体。N-糖链的形成是一个共转译的过程。一旦肽链进入内质网，糖基化就开始了，随着肽链的延伸，糖链帮助肽链折叠。图8-15列举了通过两种不同方式进入内质网，N-糖链链接到肽链的过程。当糖蛋白由内质网转运到高尔基体中时，N-糖链也遇到了一系列加工。糖蛋白中O-糖链的形成主要是在高尔基体。

图8-15　N糖链的引入是一个共转译的过程

A．没有信号肽颗粒介导的过程；B．信号肽颗粒介导的过程

与Ser／Thr侧链羟基O原子连接的糖基主要特征是：与氧原子直接相连的一般都是N-乙酰半乳糖胺；所连寡糖基一般相对比较小，由1～4个单糖残基组成；在进行化学修饰的时候单糖基都是逐个从核苷酸单糖前体上加到蛋白质分子上去的，每一个单糖分子的转移都是由一个不同的糖基转移酶（glycosyltransferase）催化下进行的（这些酶大多整合在内质网或高尔基体膜上）。而与Asn侧链的N原子连接的寡糖基的主要特征是：所有与N-连接的单糖都无一例外地是N-乙酰葡萄糖胺；所连的寡糖基一般都有多个分支，每个分支的末端一般都是一个酸性单糖，但在每一类生物中与Asn侧链连接部分的“核心”寡糖基的组成和结构都是相同的；在进行化学修饰的时候是先合成一个由14个单糖组成的寡糖基，然后一次性地被转移到特异的Asn侧链上，之后再在这个“前体”寡糖基的基础上在一个一个特异的酶的催化下进行一个一个单糖基按照特定顺序的删除或添加（一般在高尔基体中发生）。

在蛋白质分子中进行N-型羰基化修饰位点的序列进行的比较发现，其特征序列是：Asn-X-Ser／Thr-，或Asn-X-Cys-（X是出Pro残基外的任何氨基酸，另外，在紧接此三肽之后也不能有Pro残基）。不过，并不是蛋白质分子中的所有这样的特征序列都会被糖基化修饰，也就是说，是否被修饰可能还跟所在位点的空间结构有关。

对O-型羰基化修饰位点的序列比较没有发现任何特征性序列，这类羰基化修饰是在蛋白质分子折叠好之后才发生的，可能主要由特定的Ser／Thr残基所在位点的空间构象决定的。

最近，在细胞质和细胞核中大量的蛋白质分子中发现一类类似可逆磷酸化修饰，而且可能与磷酸化修饰位点竞争的可逆单糖修饰过程。这类修饰中通过共价键联结到蛋白质分子上的化学基团是N-型乙酰葡萄糖胺。底物蛋白上被修饰的位点也是Ser／Thr残基，所以也可被归为O-型糖基化修饰中。

在细胞表面发现的许多蛋白质都是通过一系列复杂的糖基-磷脂酰肌醇（GPI）基团锚定在质膜上的。这些基团命名为GPI锚定（GPI anchor），是由一系列的甘露糖、半乳糖、氨基半乳糖、乙醇胺和磷脂酰肌醇等基团组成的。所有的真核细胞都含有通过GPI基团锚定到膜上的细胞表面蛋白，这些蛋白质的功能各不相同，有的在细胞的表面作为受体，而有的则起黏附分子作用，但它们总是分布在外膜上。在描述布氏锥虫的可变表面糖蛋白（CSG）的膜锚定时第一次引入了GPI这一术语。布氏锥虫是一种原生动物类的寄生虫，它可引起人类的昏睡病（如果不治疗可致命，这种病仍在撒哈拉地区发生）。GPI锚定与蛋白的共价连接是在内质网腔中发生的：底物蛋白合成好之后先通过一跨膜片段插在内质网膜上（蛋白的其余部分伸出在内质网腔中）；已经合成好的GPI锚定也已经插在内质网膜上；然后底物蛋白分子上一暴露在腔中的、与跨膜区邻近的区域被一特异的蛋白内切酶所切断，同时GPI锚定也被转移到新产生的C-末端。

3．脂肪酰化 脂类是一类疏水性分子，蛋白质上接有脂质，能提高蛋白质的疏水性，有利于和脂质形成的膜相互作用。脂质的种类很多，从已有的研究结果看，在蛋白质翻译后化学修饰过程中用得最频繁的基团是十四碳脂肪酰（又名肉豆蔻酰，myristoyl）和十六碳脂肪酰（又名棕榈酰，palmitoyl）。与糖基化修饰一样，被脂质修饰的氨基酸残基也是处于特定的序列模体中的，如果氨基酸残基序列发生变化，则不能被修饰。肉豆蔻酰修饰在蛋白质激酶、蛋白质磷酸酯酶、鸟苷酸结合蛋白、钙离子结合蛋白、与细胞膜和细胞骨架结合的结构蛋白、病毒蛋白等类型的蛋白中都有发现。在这些底物蛋白中肉豆蔻酰几乎毫无例外地与N-末端的Gly残基通过酰胺键结合。催化这类反应的N-肉豆蔻酰转移酶识别的底物蛋白中被修饰位点的保守序列一般为：Met-Gly-X-X-X-Ser／Thr-（X为任意氨基酸残基）。晶体结构分析表明，在有些蛋白质分子中夹上的肉豆蔻酰并不是像想象的那样伸出在蛋白分子的外面，而是作为蛋白结构的一部分存在。

在培养基中加入氚标记的棕榈酸，在细胞培养后，通过SDS-PAGE电泳鉴定，很容易发现棕榈酰化的蛋白质。已证实可被棕榈酰化的蛋白质有：转铁蛋白受体、肌动蛋白和锚蛋白等，均是真核细胞和病毒中的蛋白质。棕榈酰一般总是通过一个硫酯键与底物蛋白上的一个特异的Cys残基共价连接。与肉豆蔻酰不同的是，棕榈酰修饰似乎总是在蛋白翻译之后发生的。这个被修饰的Cys残基可以位于底物蛋白的N-末端附近（如鸟氨酸结合蛋白的G亚基）、C-末端附近（5-羟色胺受体等）或跨膜结构域附近（抗利尿激素受体等）。但在被修饰的Cys残基附近似乎没有明显的保守序列存在。这种棕榈酰基修饰在部分情况下是与共价连接到同一蛋白分子上的肉豆蔻酰共同作用而使修饰的蛋白质分子插膜的。被棕榈酰基修饰的蛋白分子似乎大多被定位在细胞质膜上。与肉豆蔻酰修饰类似，棕榈酰基修饰可能与调节蛋白与膜、蛋白与蛋白的动态相互作用有关。