Посттрансляционные модификации белков: изменения структуры после синтеза. Важны для сигнальных путей и созревания гормонов. Роль ферментов и спонтанные процессы.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Химические изменения в белках после их трансляции из мРНК
Chemical changes in proteins following their translation from mRNA
В молекулярной биологии посттрансляционная модификация (ПТМ) — это ковалентный процесс изменения белков после биосинтеза белка. ПТМ могут включать ферменты или происходить спонтанно. Белки создаются рибосомами, которые транслируют мРНК в полипептидные цепи, которые затем могут изменяться с образованием зрелого белкового продукта. ПТМ являются важными компонентами клеточной сигнализации, например, при превращении прогормонов в гормоны. Посттрансляционные модификации могут происходить на боковых цепях аминокислот или на N- или C-концах белка. Они могут расширить химический набор из 22 аминокислот, изменяя существующую функциональную группу или добавляя новую, например, фосфатную группу. Фосфорилирование высокоэффективно для контроля активности ферментов и является наиболее распространенным изменением после трансляции. Многие эукариотические и прокариотические белки также имеют присоединенные к ним молекулы углеводов в процессе, называемом гликозилированием, который может способствовать правильному сворачиванию белка и повышать стабильность, а также выполнять регуляторные функции. Присоединение липидных молекул, известное как липидация, часто направляет белок или его часть к клеточной мембране. Другие формы посттрансляционной модификации заключаются в расщеплении пептидных связей, например, при процессинге пропептида в зрелую форму или удалении инициаторного остатка метионина. Образование дисульфидных связей из остатков цистеина также может рассматриваться как посттрансляционная модификация. Например, пептидный гормон инсулин разрезается дважды после образования дисульфидных связей, и пропептид удаляется из середины цепи; результирующий белок состоит из двух полипептидных цепей, соединенных дисульфидными связями. Некоторые типы посттрансляционных модификаций являются следствием окислительного стресса. Карбонилирование — один из примеров, который направляет модифицированный белок к деградации и может приводить к образованию белковых агрегатов. Специфические модификации аминокислот могут использоваться в качестве биомаркеров, указывающих на окислительное повреждение. Участки, которые часто подвергаются посттрансляционной модификации, содержат функциональную группу, способную выступать в качестве нуклеофила в реакции: гидроксильные группы серина, треонина и тирозина; аминогруппы лизина, аргинина и гистидина; тиолат-анион цистеина; карбоксилаты аспарагиновой и глутаминовой кислот; а также N- и C-концы. Кроме того, хотя амидная группа аспарагина является слабым нуклеофилом, она может служить точкой присоединения для гликанов. Более редкие модификации могут происходить при окисленных метионинах и некоторых метиленовых группах в боковых цепях. Посттрансляционную модификацию белков можно экспериментально обнаружить с помощью различных методов, включая масс-спектрометрию, восточный и западный блоттинг. Дополнительные методы приведены в разделе #Внешние ссылки.
In molecular biology, post translational modification (PTM) is the covalent process of changing proteins following protein biosynthesis. PTMs may involve enzymes or occur spontaneously. Proteins are created by ribosomes, which translate mRNA into polypeptide chains, which may then change to form the mature protein product. PTMs are important components in cell signalling, as for example when prohormones are converted to hormones. Post translational modifications can occur on the amino acid side chains or at the protein's C or N termini. They can expand the chemical set of the 22 amino acids by changing an existing functional group or adding a new one such as phosphate. Phosphorylation is highly effective for controlling the enzyme activity and is the most common change after translation. Many eukaryotic and prokaryotic proteins also have carbohydrate molecules attached to them in a process called glycosylation, which can promote protein folding and improve stability as well as serving regulatory functions. Attachment of lipid molecules, known as lipidation, often targets a protein or part of a protein attached to the cell membrane. Other forms of post translational modification consist of cleaving peptide bonds, as in processing a propeptide to a mature form or removing the initiator methionine residue. The formation of disulfide bonds from cysteine residues may also be referred to as a post translational modification. For instance, the peptide hormone insulin is cut twice after disulfide bonds are formed, and a propeptide is removed from the middle of the chain; the resulting protein consists of two polypeptide chains connected by disulfide bonds. Some types of post translational modification are consequences of oxidative stress. Carbonylation is one example that targets the modified protein for degradation and can result in the formation of protein aggregates. Specific amino acid modifications can be used as biomarkers indicating oxidative damage. Sites that often undergo post translational modification are those that have a functional group that can serve as a nucleophile in the reaction: the hydroxyl groups of serine, threonine, and tyrosine; the amine forms of lysine, arginine, and histidine; the thiolate anion of cysteine; the carboxylates of aspartate and glutamate; and the N and C termini. In addition, although the amide of asparagine is a weak nucleophile, it can serve as an attachment point for glycans. Rarer modifications can occur at oxidized methionines and at some methylene groups in side chains. Post translational modification of proteins can be experimentally detected by a variety of techniques, including mass spectrometry, Eastern blotting, and Western blotting. Additional methods are provided in the #External links section.
Неферментные добавки in vitro
биотинилирование: ковалентное присоединение биотина с использованием биотинилирующего реагента, обычно для маркировки белка. карбамилирование: присоединение изоциановой кислоты к N-концу белка или боковой цепи остатков Lys или Cys, обычно возникающее при воздействии растворов мочевины. окисление: присоединение одного или нескольких атомов кислорода к чувствительной боковой цепи, главным образом остатков Met, Trp, His или Cys. Образование дисульфидных связей между остатками Cys. пегилирование: ковалентное присоединение полиэтиленгликоля (PEG) с использованием реагента для пегилирования, как правило, к N-концу или боковым цепям остатков Lys. Пегилирование используется для повышения эффективности белковых фармацевтических препаратов.
biotinylation: covalent attachment of a biotin moiety using a biotinylation reagent, typically for the purpose of labeling a protein. carbamylation: the addition of Isocyanic acid to a protein's N terminus or the side chain of Lys or Cys residues, typically resulting from exposure to urea solutions. oxidation: addition of one or more Oxygen atoms to a susceptible side chain, principally of Met, Trp, His or Cys residues. Formation of disulfide bonds between Cys residues. pegylation: covalent attachment of polyethylene glycol (PEG) using a pegylation reagent, typically to the N terminus or the side chains of Lys residues. Pegylation is used to improve the efficacy of protein pharmaceuticals.
Общие ПТМ по остаткам
Ниже приведены некоторые распространенные посттрансляционные модификации специфических аминокислотных остатков. Модификации происходят на боковой цепи, если не указано иное.
Some common post translational modifications to specific amino acid residues are shown below. Modifications occur on the side chain unless indicated otherwise. Amino Acid Abbrev. Modification Alanine Ala or A N acetylation (N terminus) Arginine Arg or R deimination to citrulline, methylation Asparagine Asn or N deamidation to Asp or iso(Asp), N linked glycosylation, spontaneous isopeptide bond formation Aspartic acid Asp or D isomerization to isoaspartic acid, spontaneous isopeptide bond formation Cysteine Cys or C disulfide bond formation, oxidation to sulfenic, sulfinic or sulfonic acid, palmitoylation, N acetylation (N terminus), S nitrosylation Glutamine Gln or Q cyclization to pyroglutamic acid (N terminus), deamidation to Glutamic acid or isopeptide bond formation to a lysine by a transglutaminase Glutamic acid Glu or E cyclization to Pyroglutamic acid (N terminus), gamma carboxylation Glycine Gly or G N Myristoylation (N terminus), N acetylation (N terminus) Histidine His or H Phosphorylation Isoleucine Ile or I Leucine Leu or L Lysine Lys or K acetylation, ubiquitylation, SUMOylation, methylation, hydroxylation leading to allysine, spontaneous isopeptide bond formation Methionine Met or M N acetylation (N terminus), N linked Ubiquitination, oxidation to sulfoxide or sulfone Phenylalanine Phe or F Proline Pro or P hydroxylation Serine Ser or S Phosphorylation, O linked glycosylation, N acetylation (N terminus) Threonine Thr or T Phosphorylation, O linked glycosylation, N acetylation (N terminus) Tryptophan Trp or W mono or di oxidation, formation of kynurenine, tryptophan tryptophylquinone Tyrosine Tyr or Y sulfation, phosphorylation Valine Val or V N acetylation (N terminus)
Аминокислота Сокращение Модификация
Аланин Ala или A N-ацетилирование (N-конец)
Аргинин Arg или R деиминирование до цитруллина, метилирование
Аспарагин Asn или N деамидирование до аспарагиновой кислоты или изо(аспарагиновой кислоты), N-связанное гликозилирование, спонтанное образование изопептидной связи
Аспарагиновая кислота Asp или D изомеризация до изоаспарагиновой кислоты, спонтанное образование изопептидной связи
Цистеин Cys или C образование дисульфидной связи, окисление до сульфеновой, сульфиновой или сульфоновой кислоты, пальмитоилирование, N-ацетилирование (N-конец), S-нитрозилирование
Глутамин Gln или Q циклизация до пироглутаминовой кислоты (N-конец), деамидирование до глутаминовой кислоты или образование изопептидной связи с лизином под действием трансглутаминазы
Глутаминовая кислота Glu или E циклизация до пироглутаминовой кислоты (N-конец), гамма-карбоксилирование
Глицин Gly или G N-миристоилирование (N-конец), N-ацетилирование (N-конец)
Гистидин His или H фосфорилирование
Изолейцин Ile или I
Лейцин Leu или L
Лизин Lys или K ацетилирование, убиквитинирование, SUMOилирование, метилирование, гидроксилирование с образованием аллизина, спонтанное образование изопептидной связи
Метионин Met или M N-ацетилирование (N-конец), N-связанное убиквитинирование, окисление до сульфоксида или сульфона
Фенилаланин Phe или F
Пролин Pro или P гидроксилирование
Серин Ser или S фосфорилирование, O-связанное гликозилирование, N-ацетилирование (N-конец)
Треонин Thr или T фосфорилирование, O-связанное гликозилирование, N-ацетилирование (N-конец)
Триптофан Trp или W моно- или диокисление, образование кинуренина, триптофан-триптофилхинон
Тирозин Tyr или Y сульфатирование, фосфорилирование
Валин Val или V N-ацетилирование (N-конец)
Some common post translational modifications to specific amino acid residues are shown below. Modifications occur on the side chain unless indicated otherwise. Amino Acid Abbrev. Modification Alanine Ala or A N acetylation (N terminus) Arginine Arg or R deimination to citrulline, methylation Asparagine Asn or N deamidation to Asp or iso(Asp), N linked glycosylation, spontaneous isopeptide bond formation Aspartic acid Asp or D isomerization to isoaspartic acid, spontaneous isopeptide bond formation Cysteine Cys or C disulfide bond formation, oxidation to sulfenic, sulfinic or sulfonic acid, palmitoylation, N acetylation (N terminus), S nitrosylation Glutamine Gln or Q cyclization to pyroglutamic acid (N terminus), deamidation to Glutamic acid or isopeptide bond formation to a lysine by a transglutaminase Glutamic acid Glu or E cyclization to Pyroglutamic acid (N terminus), gamma carboxylation Glycine Gly or G N Myristoylation (N terminus), N acetylation (N terminus) Histidine His or H Phosphorylation Isoleucine Ile or I Leucine Leu or L Lysine Lys or K acetylation, ubiquitylation, SUMOylation, methylation, hydroxylation leading to allysine, spontaneous isopeptide bond formation Methionine Met or M N acetylation (N terminus), N linked Ubiquitination, oxidation to sulfoxide or sulfone Phenylalanine Phe or F Proline Pro or P hydroxylation Serine Ser or S Phosphorylation, O linked glycosylation, N acetylation (N terminus) Threonine Thr or T Phosphorylation, O linked glycosylation, N acetylation (N terminus) Tryptophan Trp or W mono or di oxidation, formation of kynurenine, tryptophan tryptophylquinone Tyrosine Tyr or Y sulfation, phosphorylation Valine Val or V N acetylation (N terminus)
Базы данных и инструменты
Последовательности белков содержат последовательные мотивы, которые распознаются модифицирующими ферментами и могут быть задокументированы или предсказаны в базах данных PTM. В связи с постоянно растущим числом открываемых модификаций возникает необходимость документировать такую информацию в базах данных. Информация о ПТМ может быть получена экспериментальным путем или предсказана на основе высококачественных, вручную курированных данных. Было создано множество баз данных, часто с акцентом на определенные таксономические группы (например, белки человека) или другие характеристики.
Protein sequences contain sequence motifs that are recognized by modifying enzymes, and which can be documented or predicted in PTM databases. With the large number of different modifications being discovered, there is a need to document this sort of information in databases. PTM information can be collected through experimental means or predicted from high quality, manually curated data. Numerous databases have been created, often with a focus on certain taxonomic groups (e. g. human proteins) or other features.