浅谈蛋白质磷酸化
摘要：蛋白质翻译后修饰几乎在所有的蛋白质上都会发生，被修饰后的蛋白质功能将会发生显著的变化。

而蛋白质磷酸化是最常见、最重要的一种蛋白质翻译后修饰方式，在蛋白质翻译后修饰研究中有着重要地位，它参与和调控生物体内的许多生命活动。

随着蛋白质组学技术的发展和应用，蛋白质磷酸化的研究越来越受到广泛的重视。

本文主要介绍了蛋白质磷酸化的主要知识，主要类型与功能，以及研究蛋白质磷酸化的主要目的，最后简单了提到了预测蛋白质磷酸化位点的方法。

关键词：蛋白质修饰；蛋白质磷酸化；磷酸化位点预测
随着基因组计划基本完成，生命科学研究已进入后基因时代，主要研究对象是功能基因组学，包括结构基因组研究和蛋白质组研究等。

蛋白质组研究的开展不仅是生命科学研究进入后基因组时代的里程碑，也是生命科学研究的核心内容。

传统的蛋白质研究注重研究单一蛋白质，而蛋白质组学注重研究参与特定生理或病理状态的所有的蛋白质种类及其与周围环境（分子）的关系。

它的研究内容包括：（1）蛋白质鉴定；（2）蛋白质翻译后修饰的研究；（3）蛋白质结构研究；（4）蛋白质细胞内定位及功能确定；（5）发现药物靶分子及制药等。

早期蛋白质组学的研究范围主要是指蛋白质的表达模式，随着学科的发展，蛋白质组学的研究范围也在不断完善和扩充。

蛋白质翻译后修饰研究已成为蛋白质组研究中的重要部分和巨大挑战。

所谓蛋白质翻译后修饰指的是蛋白质折叠过程中和折叠过程后再多肽链上发生的共价反应，使蛋白质质量发生改变并且赋予蛋白质各种功能。

一、蛋白质磷酸化的概述
蛋白质的磷酸化反应是指通过酶促反应把磷酸基团从一个化合物转移到另一个化合物上的过程,是生物体内存在的一种普遍的调节方式，在细胞信号的传递过程中占有极其重要的地位。

已经发现在人体内有多达2000个左右的蛋白质激酶和1000个左右的蛋白质磷酸酶基因。

蛋白质的磷酸化是指由蛋白质激酶催化的把ATP或GTP上γ位的磷酸基转移到底物蛋白质氨基酸残基上的过程，其逆转过程是由蛋白质磷酸酶催化的，称为蛋白质脱磷酸化。

蛋白质的磷酸化修饰是生物体内重要的共价修饰方式之一。

其磷酸化和去磷酸化这一可逆过程,受蛋白激酶和磷酸酶的协同作用控制.酶蛋白的磷
酸化是在蛋白激酶的催化下,由ATP提供磷酸基及能量完成的,而去磷酸化则是由磷蛋白磷酸酶催化的水解反应。

由蛋白激酶和蛋白质磷酸酯酶所催化的蛋白质可逆磷酸化过程，是生物体内一种普遍且重要的调节方式，控制着众多的生理生物化学反应和生物学过程。

细胞的生长发育、周期调控、基因表达、蛋白合成以及神经功能、肌肉收缩等都离不开蛋白质特异性磷酸化。

许多复杂的细胞信号转导系统还涉及由多个蛋白激酶所催化的磷酸化级联反应。

通常蛋白激酶催化ATP或GTP的γ-磷酸基团转移到底物蛋白的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基上，促使底物蛋白发生磷酸化。

此外，底物蛋白的组氨酸、赖氨酸、天冬氨酸、谷氨酸和半胱氨酸残基上也可能发生可逆磷酸化。

同时，在所有有核生物中，细胞周期中G1/S期和G2/M期的转换均受依赖细胞周期蛋白的蛋白激酶(CDK)的调节。

磷酸化作用也控制着分化和发育，如果蝇视网膜的R7细胞和秀丽新小杆线虫(Caenorhabditis elegans)的阴门发育受控于受体蛋白激酶和胞内蛋白激酶。

最后，新陈代谢受磷酸化作用的调节控制，尤其是葡萄糖和糖元的相互转换及葡萄糖的转运的代谢作用。

因而，形形色色的生物学家为了弄清楚他们最感兴趣的基因及其编码产物的调控和功能，他们常常不约而同，有时还是不由自主地必须蛋白质的磷酸化。

二、蛋白质磷酸化的主要类型与功能
根据磷酸氨基酸残基的不同，可将磷酸化蛋白质分为4类，即O-磷酸盐、N-磷酸盐、酰基磷酸盐和S-磷酸盐。

O-磷酸盐是通过羟基氨基酸的磷酸化形成的，如丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸、羟脯氨酸或羟赖氨酸磷酸化；N-磷酸盐是通过精氨酸、赖氨酸或组氨酸的磷酸化形成的；酰基磷酸盐是通过天冬氨酸或谷氨酸的磷酸化形成的；而S-磷酸盐则通过半胱氨酸磷酸化形成。

蛋白质磷酸化具有以下功能：（1）磷酸化参与酶作用机制，在此过程磷酸化为反应中间产物（多为S- 或N-磷酸盐），如在磷酸烯醇型丙酮酸羧激酶依赖的磷酸转移酶系统（PTR）中的组氨酸蛋白激酶（HPr）；（2）磷酸化介导蛋白活性，蛋白分子通过蛋白激酶发生磷酸化，如蛋白激酶A（丝氨酸和苏氨酸残基）或不同的受体酪氨酸激酶（酪氨酸残基）；（3）天冬氨酸、谷氨酸和组氨酸的磷酸化在细菌去化反应的感觉性传导中发生解离。

三、研究蛋白质磷酸化的主要目的
磷酸化蛋白质组学就是对生物体参与生命过程中某种活动的所有磷酸化蛋白质进
行研究的学科，鉴于它在蛋白质组学研究中的重要地位，蛋白质磷酸化研究有三个主要目的：
第一，对位于某一特定状态下细胞内磷酸化蛋白质的序列及磷酸化氨基酸残基定位；第二，鉴定与磷酸化过程有关的激酶；第三，分析所观察到的磷酸化现象对功能的影响。

其中，第一个目的是磷酸化研究的主要任务和基础。

翻译后修饰的研究，尤其是磷酸化蛋白质组学的研究，不仅有助于理解翻译后修饰在生命过程中的重要意义，还对未来的药物开发提供了极大地保证。

找到非正常细胞中变异的分子靶点，有利于研究蛋白质的相互作用是如何被翻译后修饰过程控制。

理解调控翻译后修饰过程因素，有利于在分子水平上揭示细胞过程和蛋白质网络的功能，最终指导针对分子的更准确的药物控制。

可以预见，蛋白质翻译后修饰的模拟物在蛋白疗法中将是新的热点。

所有这些研究都要建立在磷酸化蛋白质鉴定的基础之上，磷酸化蛋白质生物信息技术方面的研究工作将会给磷酸化蛋白质组研究提供重要的指导信息，成为推动其大规模开展的有力武器。

四、关于蛋白质磷酸化位点的预测
蛋白质翻译后修饰是与蛋白质的功能密切相关的，尤其是磷酸化修饰。

在分子生物学早期，通常蛋白质功能在得知蛋白质序列之前被研究出来。

为了研究蛋白质如何发挥功能，要考虑蛋白质的三维结构表面哪个位置是活跃的，容易与某种催化剂反应与其他蛋白质相结合，从而产生相互作用，发挥功能。

而蛋白质的一级结构也就是序列直接影响和决定了蛋白质的二级结构和三级结构。

随着基因测序技术与基因编码蛋白质领域研究的出现与成熟，我们已经得到了大量蛋白质的氨基酸序列，出现了囊括迄今为止已知的蛋白质序列的数据库。

由于蛋白质的功能是蛋白质组学研究的重要领域，所以对蛋白质序列的研究已经成为生物信息学中的一个重要组成部分。

对磷酸化蛋白质序列及其修饰点的鉴定和研究同样是磷酸化蛋白质组学研究的重要。

因此对磷酸化位点的预测和发现也成为生物信息学问题的焦点之一。

磷酸化修饰与多种复杂因素相关，数量庞大分布广泛，虽然它通常发生在氨基酸S、T、Y上，但并不是蛋白质中出现的所有S T Y都会发生修饰，加之磷酸化过程本身是动态可逆的，导致磷酸化蛋白质鉴定困难重重。

不过蛋白质磷酸化位点预测的方法还是很多的，就是有些工具测不出好的结果（比如使用工序列连配工具BLASTH或FASTA等），近年，发展的高效预测蛋白质磷酸化位点预测的算法有基于保守序列分析，人工神经网络（Artificial Neural Network. ANN），
隐马尔可夫模型（Hidden Markov Model, HMM），以及支持向量机（Support V ector Machine , SVM）等多种方法，其中SVM获得了最高的预测精度，以后的研究应该会在这些方法的基础上获得更高的精度，现在要预测蛋白质磷酸化位点还有最新版的蛋白质磷酸化位点注释数据库Phospho. ELM6.0，该数据库收集了实验校验的3674个真核蛋白质的13613个磷酸化位点，分别为丝氨酸9919个，苏氨酸1890个和酪氨酸1804个位点。

此数据库为研究蛋白质磷酸化位点的预测有很大的帮助，在今后的学习中，我会深入的学习、研究和应用此数据库。

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