蛋白质基本单位-20种氨基酸及其参与的PTM修饰

蛋白质的功能复杂性不仅源于其一级序列，更受到翻译后修饰 的精密调控。PTM是指在蛋白质生物合成后，通过共价添加化学基团（如磷酸基、乙酰基、糖链等）或进行结构修饰（如蛋白水解切割），从而动态地改变蛋白质的活性、定位、稳定性及与其他分子的相互作用。这些修饰具有高度的位点特异性，通常发生在特定氨基酸残基的侧链上。例如：

• 磷酸化 常发生于丝氨酸（Ser,S）、苏氨酸（Thr，T）、酪氨酸（Tyr，Y）。

• 乙酰化 常发生于赖氨酸（Lys，K）。

• 糖基化 常发生于天冬酰胺（Asp，D）、丝氨酸（Ser，S）、苏氨酸（Thr，T）。

• 泛素化 则用于靶向蛋白降解，主要发生在赖氨酸（Lys，K）。

1、 氨基酸结构与功能

（图1 氨基酸通用结构式）

蛋白质合成的基石：这是最基本的功能，20种标准氨基酸以特定序列通过肽键连接，构成了蛋白质的一级结构。

（图2 20中常见氨基酸识记）

决定蛋白质的三维结构：氨基酸侧链（R基）的化学性质（疏水、亲水、带电、大小等）驱动蛋白质折叠成特定的三维构象，这是其功能的基础。

提供功能活性位点：在酶或受体的活性中心，特定的氨基酸侧链直接参与催化反应、底物结合或信号转导。例如：丝氨酸蛋白酶中的“催化三联体”（组氨酸、天冬氨酸、丝氨酸）共同协作，水解肽键。

介导蛋白质相互作用：带电氨基酸和极性氨基酸可以参与形成氢键、盐桥，从而介导蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸或其他配体之间的特异性相互作用。

二、 从功能上看：潜力与实现

氨基酸提供化学功能的“工具箱”：

20种标准氨基酸的侧链（R基）提供了多样化的化学功能团，包括：

疏水基团：驱动蛋白质折叠，形成疏水核心。

亲水/带电基团：形成氢键、盐桥，参与催化，或使蛋白质溶于水。

反应性基团（如半胱氨酸的巯基、丝氨酸的羟基）：直接参与酶的催化反应。

蛋白质是功能的最终执行者：

当氨基酸链折叠成特定的三维结构后，这些分散的“化学工具”被精确地安置在蛋白质的空间架构中，形成一个功能性的整体。

例如：在酶的活性中心，来自序列上不同位置的几个特定氨基酸（如天冬氨酸、组氨酸、丝氨酸）被“召集”到一起，形成一个可以高效催化特定化学反应的精巧微环境。

三、从动态调控上看：修饰与调节

正如我们之前讨论的，氨基酸残基可以被化学修饰（如磷酸化、糖基化、乙酰化等）。这些修饰就像是在“砖块”上贴上小标签，可以动态地改变“大厦”的功能：激活或抑制酶的活性。指导蛋白质去往细胞的特定位置。调节蛋白质与其他分子的相互作用。

四、20种氨基酸识记

表1 常见氨基酸识记表

（图3 氨基酸识记表）

五、氨基酸修饰与蛋白功能

翻译后修饰 （PTM） 被认为是蛋白质功能微妙或显着改变的重要机制，并为细胞提供了调节不同分子过程的方法。PTM 调节蛋白质的折叠、定位、相互作用、降解和活性，它们基本上参与了所有生物过程。由于许多 PTM 的快速和可逆特性，它们也是信号传输的理想中介。

（图4 氨基酸涉及到的修饰类型[1]）

表2 蛋白质翻译后修饰涉及到的氨基酸及其影响的主要功能

参考：

Bagwan N, El Ali HH, Lundby A. Proteome-wide profiling and mapping of post translational modifications in human hearts. Sci Rep. 2021 Jan 26;11(1):2184. doi: 10.1038/s41598-021-81986-y                                                                                                            . PMID: 33500497; PMCID: PMC7838296.