Химическая модификация относится к ряду различных процессов, включающих изменение химического состава или структуры молекул.
Химическая модификация — это изменение биомолекулярной структуры и функции за счет добавления или удаления модифицирующих элементов. [1] Обычно это достигается посредством химических реакций или серии химических реакций, которые могут быть обратимыми или необратимыми. Химические модификации могут быть выполнены с любой из четырех основных макромолекул (белками, нуклеиновыми кислотами, углеводами и липидами); однако в этой статье мы сосредоточимся на модификации белков. Химические модификации важны, поскольку они могут улучшить стабильность молекулы, что увеличит стабильность биомолекул и позволит организму лучше справляться с физиологическими стрессорами. [2] Модификация белков также может предоставить возможность использования их в качестве лекарств для возможного лечения широкого спектра заболеваний. Химические модификаторы соединений, которые могут быть использованы в качестве лекарств, также могут быть использованы для попытки увеличить срок годности продукта или расширить его функцию. [2]
Химическая модификация — это еще один метод, при котором в протеом вводится больше изменчивости. [1] Химические модификации белков постоянно меняются из-за меняющихся потребностей организма. Обычные химические модификации включают фосфорилирование, гликозилирование, убиквитинирование, метилирование, липидизацию и протеолиз. [1] Хотя мы рассмотрим каждый тип химической модификации по отдельности, они часто могут работать совместно друг с другом, модифицируя белок. Из-за большого разнообразия возможных модификаций изучение химических модификаций продолжается.
Фосфорилирование происходит, когда к белку добавляется группа PO 3 (фосфорил). [3] Эта химическая модификация наиболее изучена и является обратимой. Результат этих исследований показал, что фосфорилирование действует как регулятор для белков двумя способами: добавление или удаление фосфорильной группы может влиять на кинетику фермента, включая или выключая ферментативную функцию через конформационные изменения, а фосфорилирование одного белка может привлекать соседние подобные белки, чтобы также связываться с фосфорилированным мотивом, чтобы индуцировать пути передачи сигнала. [1]
Механизм фосфорилирования использует киназы и фосфатазы, которые являются ферментами, используемыми для переноса фосфорильной группы на целевую биомолекулу и с нее. Часто киназы сопровождаются АТФ или ГТФ, чтобы облегчить перенос фосфорильной группы. [3] Фосфорилирование киназы может запустить один из двух путей передачи сигнала. Эти пути могут быть либо линейными, либо каскадными. [4] Каскадные пути передачи сигнала приводят к фосфорилированию многих аминокислот и используют вторичных мессенджеров для усиления сигнала с целью вызвать более сильный ответ. [4] Фосфатазы могут действовать как регулятор и редактор клеточных сигнальных путей, образуя временные белок-белковые взаимодействия. [3]
Киназы в основном связаны с активацией ферментативной активности, а фосфатазы — с выключением ферментативной активности, они также могут выполнять противоположную функцию (Киназы могут выключать ферментативную активность, а Фосфатазы могут выключать ферментативную активность). Киназы и фосфатазы также могут иметь другие сайты связывания, которые могут присоединяться к другим сигнальным белкам. [5]
Фосфорилирование и дефосфорилирование белков посредством активности киназ и фосфатаз играют важную роль во многих биологических процессах, таких как пролиферация клеток через сигнальные пути MAPK, PI3K, Akt, mTOR, PKA и PKC [6]. Поскольку чрезмерная активация киназ связана с прогрессированием рака, в качестве возможных методов лечения были разработаны препараты, которые подавляют функцию киназ. [7]
Еще одной хорошо изученной химической модификацией является гликозилирование. Гликозилирование — это процесс, посредством которого молекулы сахара прикрепляются к белку. [1] Длина присоединенного сахарида изменчива и влияет на структуру, активность и стабильность белка, к которому он прикреплен. [8] Многие гликозилированные белки часто встречаются на поверхности клеток и играют большую роль в определении группы крови.
Убиквитин состоит из 76 аминокислот, которые могут существовать сами по себе или быть прикрепленными к белку. [9] Когда убиквитин прикреплен к белку (количество убиквитина, связывающегося с белком, варьируется), он может функционировать, чтобы нацелить этот белок на деградацию или вызвать активацию киназы. Существует три фермента, которые функционируют в пути убиквитинирования: убиквитин-активирующий фермент (E1), убиквитин-конъюгирующий фермент (E2) и убиквитин-протеинлигаза (E3). [9] Как правило, E1 активирует убиквитин и переносит его в E2. E3 переносит убиквитин в целевой белок. [10] Этот путь строго регулируется и очень специфичен. [10] Моноубиквитинирование (один убиквитиновый белок) белка обычно не является сигналом к деградации белка, вместо этого оно в первую очередь функционирует для облегчения регуляции гистонов, эндоцитоза и ядерного экспорта. [9] Полиубиквитинирование (множественные убиквитиновые белки) белка обычно запускает деградацию белка, особенно если они связаны с остатком лизина. [9] Функция деградации убиквитина наиболее хорошо изучена, поскольку она связана с сигнальным путем NF-βB для запуска воспаления. [9] Также предполагается, что он играет роль в развитии рака и других заболеваний.
Метилирование — это перенос одной метильной группы (атома углерода, связанного с тремя атомами водорода) в белок с помощью ферментов, называемых метилтрансферазами. [1] Он также часто используется гистоновыми белками, чтобы позволить определенным областям генома скручиваться и раскручиваться и становиться доступными для транскрипции. [1]
Липидирование — это процесс присоединения липидов к белкам для обозначения их как связанных с мембраной белков. [1] Различные липидные присоединения увеличивают сродство белка к различным типам мембран (плазматическая мембрана, мембрана органеллы и везикулы). Существует четыре распространенных типа липидирования: GPI-якоря, N-концевое миристоилирование, S-миристоилирование и S-пренилирование. [1]
Протеолиз — это путь, используемый для разрыва пептидных связей. Часто пептидные связи стабильны в типичных физиологических условиях и могут нуждаться в ферментах, называемых протеазами, для помощи в разрыве полипептидов на более мелкие компоненты. [11] Это особенно важно во время передачи сигналов клетками, удаления неправильно свернутых белков и запрограммированной гибели клеток (апоптоз). [12] В некоторых случаях протеолиз может использоваться для регулирования ферментативной активности зимогенов (неактивных ферментов, для активации которых требуется разрыв некоторых связей). [1] Существует четыре основных типа протеаз: сериновые протеазы, цистеиновые протеазы, протеазы аспарагиновой кислоты и цинковые металлопротеазы. [1]
Химически модифицированные электроды — это электроды, поверхности которых химически преобразованы для изменения свойств электрода, таких как его физические , химические , электрохимические , оптические , электрические и транспортные характеристики. Эти электроды используются для передовых целей в исследованиях и изысканиях. [13]
В биохимии химическая модификация — это метод анатомического реагирования белка или нуклеиновой кислоты с реагентом или реагентами. Получение лабораторной информации посредством химической модификации, которая может быть использована для: