蛋白水解

蛋白水解是将蛋白质分解成更小的多肽或氨基酸。未催化的水解的肽键极为缓慢，以数百年。蛋白水解通常由称为蛋白酶的细胞酶催化，但也可能通过分子内消化发生。

生物体中的蛋白水解作用有多种用途；例如，消化酶分解食物中的蛋白质，为生物体提供氨基酸，而多肽链合成后的蛋白水解加工可能是产生活性蛋白质所必需的。它在调节一些生理和细胞过程（包括细胞凋亡）以及防止细胞中不需要或错误折叠的蛋白质的积累方面也很重要。因此，蛋白水解调节的异常会导致疾病。

蛋白质水解也可用作实验室研究蛋白质的分析工具，也可用于工业，例如食品加工和去污。

许多蛋白质在蛋白质合成过程中或翻译后经常发生有限的多肽蛋白水解。这可能涉及去除N端甲硫氨酸、信号肽和/或将无活性或无功能的蛋白质转化为有活性的蛋白质。蛋白质的最终功能形式的前体称为原蛋白，这些原蛋白可以首先合成为前原蛋白。例如，白蛋白首先合成为前白蛋白，并含有未切割的信号肽。这在信号肽被切割后形成白蛋白原，进一步加工以去除N-末端6-残基前肽产生成熟形式的蛋白质。

起始蛋氨酸（以及原核生物中的fMet）可以在新生蛋白质的翻译过程中被去除。对于大肠杆菌，如果第二个残基小且不带电，则fMet被有效去除，但如果第二个残基体积大且带电，则不能有效去除。在原核生物和真核生物中，暴露的N端残基可以根据N端规则决定蛋白质的半衰期。

要靶向特定细胞器或用于分泌的蛋白质具有将蛋白质引导至其最终目的地的N端信号肽。这种信号肽在通过膜转运后被蛋白水解去除。

一些蛋白质和大多数真核多肽激素合成为称为多蛋白的大前体多肽，需要蛋白水解切割成单个较小的多肽链。多蛋白阿黑皮素原(POMC)含有许多多肽激素。然而，POMC的切割模式在不同组织之间可能有所不同，从相同的多蛋白产生不同的多肽激素组。

许多病毒最初也将它们的蛋白质作为从多顺反子mRNA翻译的单个多肽链产生。该多肽随后被切割成单独的多肽链。对于多蛋白俗名包括的gag（组特定抗原中）逆转录病毒和ORF1ab在型Nidovirales。后一个名称是指编码多肽的mRNA中的一个光滑序列导致核糖体移码，导致两种不同长度的肽链（a和ab）。)以近似固定的比率。

许多蛋白质和激素以其前体的形式合成——酶原、酶原和前体激素。这些蛋白质被切割形成它们最终的活性结构。例如，胰岛素被合成为前胰岛素原，在信号肽被切割后产生胰岛素原。然后胰岛素原在两个位置被切割，产生由两个二硫键连接的两条多肽链。从B链上去除两个C端残基，然后产生成熟的胰岛素。蛋白质折叠以单链胰岛素原形式存在，这有助于形成最终的肽间二硫键和最终的肽内二硫键，这些二硫键存在于胰岛素的天然结构中。

蛋白酶特别是以无活性形式合成的，因此它们可以安全地储存在细胞中，并在需要时准备好以足够的量释放。这是为了确保蛋白酶仅在正确的位置或环境中被激活，因为这些蛋白酶的不当激活可能对生物体具有很大的破坏性。酶原的蛋白水解产生活性蛋白质；例如，当胰蛋白酶原被裂解形成胰蛋白酶时，完成蛋白酶活性位点的蛋白质结构会发生轻微的重排，从而激活蛋白质。

因此，蛋白水解可以是一种通过将无活性蛋白质转化为活性蛋白质来调节生物过程的方法。一个很好的例子是凝血级联反应，其中初始事件触发许多特定蛋白酶的连续蛋白水解激活级联反应，导致血液凝固。该补体系统中的免疫反应也涉及在入侵的病原体攻击一个复杂的顺序蛋白水解激活和互动这一结果。

蛋白质降解可在细胞内或细胞外发生。在食物消化过程中，消化酶可能会释放到环境中进行细胞外消化，由此蛋白水解裂解将蛋白质分解成较小的肽和氨基酸，以便它们可以被吸收和利用。在动物中，食物可能在专门的器官或内脏中进行细胞外加工，但在许多细菌中，食物可能通过吞噬作用被内化。环境中蛋白质的微生物降解可以通过营养物质的可用性来调节。例如，限制蛋白质中的主要元素（碳、氮和硫）会诱导真菌粗糙脉孢菌的蛋白水解活性以及土壤生物群落。

细胞中的蛋白质被分解成氨基酸。这种蛋白质的细胞内降解具有多种功能：它去除受损和异常的蛋白质并防止它们的积累。它还通过去除不再需要的酶和调节蛋白来调节细胞过程。然后可以将氨基酸重新用于蛋白质合成。

蛋白酶体的结构。它的活性位点位于管内（蓝色），在那里蛋白质被降解。

蛋白质的细胞内降解可以通过两种方式实现——溶酶体中的蛋白质水解，或将不需要的蛋白质靶向蛋白酶体的泛素依赖性过程。所述自噬-lysosomal途径通常是一种非选择性的过程，但它可以在饥饿成为选择性从而与肽序列KFERQ或相似的蛋白质被选择性地分解。溶酶体含有大量蛋白酶，如组织蛋白酶。

泛素介导的过程是选择性的。标记为降解的蛋白质与泛素共价连接。许多泛素分子可能与注定要降解的蛋白质串联连接。多泛素化蛋白靶向ATP依赖性蛋白酶复合物，即蛋白酶体。泛素被释放并重新使用，而目标蛋白被降解。

不同的蛋白质以不同的速率降解。异常蛋白质会迅速降解，而正常蛋白质的降解速度可能会因功能不同而有很大差异。在重要代谢控制点的酶可能比那些在所有生理条件下活性基本恒定的酶降解得更快。降解最快的蛋白质之一是鸟氨酸脱羧酶，其半衰期为11分钟。相比之下，肌动蛋白和肌球蛋白等其他蛋白质的半衰期为一个月或更长时间，而本质上，血红蛋白持续红细胞的整个生命周期。

所述N端法则可以部分地确定蛋白质的半衰期，以及与段富含蛋白质脯氨酸，谷氨酸，丝氨酸，和苏氨酸（所谓的PEST蛋白）具有短的半衰期。怀疑影响降解速率的其他因素包括谷氨酰胺和天冬酰胺的脱氨基速率以及半胱氨酸、组氨酸和蛋氨酸的氧化、稳定配体的缺失、连接的碳水化合物或磷酸基团的存在、游离α-氨基的存在基团，蛋白质的负电荷，以及蛋白质的柔韧性和稳定性。具有较大程度内在紊乱的蛋白质也往往具有较短的细胞半衰期，已提出无序片段以促进蛋白酶体有效启动降解。

蛋白水解的速率也可能取决于生物体的生理状态，例如其激素状态以及营养状态。在饥饿时，蛋白质降解的速率增加。

在人类消化，在食物中的蛋白质被分解成由较小的肽链的消化酶如胃蛋白酶，胰蛋白酶，胰凝乳蛋白酶，和弹性蛋白酶，以及成氨基酸通过各种酶如羧肽酶，氨肽酶，和二肽酶。需要将蛋白质分解成小肽（三肽和二肽）和氨基酸才能被肠道吸收，吸收的三肽和二肽在进入血流之前也在细胞内进一步分解成氨基酸。不同的酶对其底物有不同的特异性；例如，胰蛋白酶在带正电荷的残基（精氨酸和赖氨酸）之后切割肽键；胰凝乳蛋白酶在芳香族残基（苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸）后裂解键；弹性蛋白酶在小的非极性残基（例如丙氨酸或甘氨酸）之后裂解键。

为了防止消化酶的不当或过早激活（例如，它们可能引发胰腺自我消化，导致胰腺炎），这些酶以无活性的酶原形式分泌。的前体的胃蛋白酶，胃蛋白酶原，由胃分泌的，并且仅在胃中发现的酸性环境激活。的胰脏分泌许多蛋白酶如的的前体胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶。胰蛋白酶的酶原胰蛋白酶原，这是由一个非常具体的蛋白酶，活性肠激酶，通过分泌的粘膜的的十二指肠.胰蛋白酶一旦被激活，还可以裂解其他胰蛋白酶原以及其他蛋白酶（如胰凝乳蛋白酶和羧肽酶）的前体以激活它们。

在细菌中，使用了使用无活性酶原或前酶原的类似策略。枯草杆菌蛋白酶，它是由产生枯草芽孢杆菌，被产生作为preprosubtilisin，且仅当该信号肽被裂解并已发生自催化的蛋白水解激活被解除。

蛋白水解还涉及通过激活或失活酶、转录因子和受体来调节许多细胞过程，例如在胆固醇的生物合成中，或通过蛋白酶激活受体介导凝血酶信号传导。

一些处于重要代谢控制点的酶如鸟氨酸脱羧酶完全受其合成速率和降解速率的调节。其他快速降解的蛋白质包括原癌基因的蛋白质产物，它们在调节细胞生长中起核心作用。

细胞周期蛋白是一组激活的蛋白激酶参与细胞分裂。细胞周期蛋白的降解是控制有丝分裂退出并进入下一个细胞周期的关键步骤。细胞周期蛋白在细胞周期过程中积累，然后在有丝分裂后期之前突然消失。细胞周期蛋白通过泛素介导的蛋白水解途径去除。

Caspase是一组重要的蛋白酶，参与细胞凋亡或程序性细胞死亡。caspase的前体procaspase可以通过蛋白水解激活，通过其与形成凋亡体的蛋白质复合物结合，或通过颗粒酶B，或通过死亡受体途径。

某些蛋白质会发生自蛋白水解，从而肽键在自催化的分子内反应中被裂解。与酶原不同，这些自体蛋白水解蛋白参与“单一周转”反应并且不催化切割后的进一步反应。例子包括在血管性血友病因子D型(VWD)域和脑膜炎奈瑟菌FrpC自加工域的子集中裂解Asp-Pro键，在沙门氏菌FlhB中裂解Asn-Pro键蛋白质，耶尔森氏菌YscU蛋白质，以及在海胆精子蛋白、肠激酶和集聚蛋白(SEA)域的子集中切割Gly-Ser键。在某些情况下，肽键的构象应变促进了自体蛋白水解切割。

异常的蛋白水解活性与许多疾病有关。在胰腺炎，蛋白酶的泄漏和在的自身消化胰腺结果他们的过早激活胰腺。与人的糖尿病可能增加溶酶体活性和一些蛋白质的降解可显著增加。慢性炎症性疾病如类风湿性关节炎可能涉及溶酶体酶释放到细胞外空间，破坏周围组织。由于在细胞中聚集的肽的产生和无效去除，异常的蛋白水解可能导致许多与年龄相关的神经系统疾病，例如阿尔茨海默氏症。

蛋白酶可能受抗蛋白酶或蛋白酶抑制剂的调节，蛋白酶和抗蛋白酶之间的失衡可导致疾病，例如吸烟引起肺气肿中肺组织的破坏。吸烟被认为会增加肺中的中性粒细胞和巨噬细胞，它们会释放过量的蛋白水解酶如弹性蛋白酶，使它们不再受到丝氨酸蛋白酶抑制剂如α1-抗胰蛋白酶的抑制。，从而导致肺中结缔组织的分解。其他蛋白酶及其抑制剂也可能与这种疾病有关，例如基质金属蛋白酶（MMPs）和金属蛋白酶组织抑制剂（TIMPs）。

与异常蛋白水解有关的其他疾病包括肌肉萎缩症、退行性皮肤病、呼吸系统和胃肠道疾病以及恶性肿瘤。

蛋白质骨架在中性pH值和室温下在水中非常稳定，尽管不同肽键的水解速率可能会有所不同。在正常条件下，肽键的半衰期可以从7年到350年不等，对于受修饰末端保护或在蛋白质内部的肽，半衰期甚至更长。然而，极端的pH值和热量会显着增加水解速率。蛋白质的自发裂解也可能涉及锌对丝氨酸和苏氨酸的催化作用。

强无机酸可以很容易地水解蛋白质中的肽键（酸水解）。将蛋白质或肽水解为其组成氨基酸进行分析的标准方法是将其在6M盐酸中加热至105°C约24小时。然而，一些蛋白质对酸水解具有抗性。一个众所周知的例子是核糖核酸酶A，它可以通过用热硫酸处理粗提物来纯化，这样其他蛋白质就会降解，而核糖核酸酶A则保持完整。

某些化学物质仅在特定残基后才会引起蛋白水解，这些可用于选择性地将蛋白质分解成更小的多肽以进行实验室分析。例如，溴化氰在甲硫氨酸之后裂解肽键。类似的方法可用于特异性裂解色氨酸、天冬氨酰、半胱氨酰和天冬酰胺酰肽键。酸如三氟乙酸和甲酸可用于裂解。

与其他生物分子一样，蛋白质也可以单独通过高温分解。在250°C时，肽键很容易水解，其半衰期下降到约1分钟。蛋白质也可以在不通过热解水解的情况下分解；降解后可能开始形成小的杂环化合物。高于500°C，也可能形成多环芳烃，这在烟草烟雾和高温烹饪中致癌物质的研究中很重要。

蛋白水解也用于研究和诊断应用：

• 融合蛋白的裂解，以便去除用于蛋白表达和纯化的融合配偶体和蛋白标签。所使用的蛋白酶具有高度的特异性，如凝血酶、肠激酶和TEV蛋白酶，因此可能只切割目标序列。
• 完全灭活不需要的酶活性或去除不需要的蛋白质。例如，蛋白酶K是一种在尿素和SDS中稳定的广谱蛋白酶，通常用于制备核酸以去除不需要的核酸酶污染物，否则这些污染物可能会降解DNA或RNA。
• 部分失活或改变特定蛋白质的功能。例如，用枯草杆菌蛋白酶处理DNA聚合酶I会产生Klenow片段，该片段保留其聚合酶功能但缺乏5'-外切核酸酶活性。
• 用液相色谱-质谱法(LC-MS)消化蛋白质组分析溶液中的蛋白质。这也可以通过凝胶电泳分离后的蛋白质在凝胶内消化来完成，以便通过质谱进行鉴定。
• 折叠域在各种条件下的稳定性分析。
• 提高结晶项目的成功率
• 消化的蛋白质的生产在生长培养基中用于培养细菌和其它生物，例如胰蛋白胨在溶菌肉汤。