信号转导过程中的主要分子开关

生物体内信号转导过程中的分子开关主要分为两类：一类是蛋白激酶和蛋白磷酸酶，另一类是GTP结合蛋白。蛋白激酶将磷酸基团添加到特定的靶蛋白上，而蛋白磷酸酶通过去磷酸化去除磷酸基团。GTP结合蛋白结合GTP是呈活化状态，结合GDP是呈失活状态。换句话说，单个磷酸基团的存在或缺失直接影响靶蛋白活性构象和非活性构象之间的转换。由于磷酸基团的添加或去除是一个可逆过程，因此这种切换模式是一种“分子开关”。构成这些“分子开关”的分子通常串联在一起，形成信号级联并逐渐转换、放大和优化这些信号。信号通路很少是线性的，大多数是交叉分支的，这使得细胞能够整合来自多个通路的信号，同时控制多个效应系统。

蛋白磷酸化（protein phosphorylation）是一种常见的蛋白质译后修饰过程，主要是指蛋白激酶在靶蛋白的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基上共价添加磷酸基团。带有两个负电荷的磷酸基团与单个氨基酸残基的结合可以显著改变靶蛋白的空间构象。磷酸基团可以通过多种方式改变蛋白质的活性。例如，蛋白质磷酸化可以直接阻断配体与蛋白质的结合，可以参与氢键形成和静电相互作用，并允许两个相关蛋白质形成相互结合的位点。真核细胞中的许多蛋白激酶是丝氨酸/苏氨酸激酶（serine/threonine kinase，STK）或酪氨酸激酶（protein tyrosine kinases，PTK）。大多数丝氨酸/苏氨酸激酶只磷酸化丝氨酸/苏氨酸，而不磷酸化酪氨酸，反之亦然。(https://www.daowen.com)

每个蛋白激酶都有一个由约260个残基组成的蛋白激酶结构域（或称催化结构域）。虽然蛋白激酶基因序列的差异很大，但它们在关键位点催化保守蛋白残基的多肽折叠是相似的。底物选择性地与蛋白激酶表面的沟槽结合，该沟槽能识别磷酸化的氨基酸残基，并将氨基酸侧链定位到活性位点上，使其具有特异性。通常，底物与特异的蛋白激酶结合在相似氨基酸残基围绕着磷酸化丝氨酸、苏氨酸或者酪氨酸（保守序列）形成的特定空间构象上。例如，蛋白激酶A（PKA）保守序列是Arg-Arg-Gly-Ser/Thr-Ile。精氨酸和异亮氨酸使磷酸化的丝氨酸或苏氨酸残基位于侧面，从而可以特异性地结合PKA。除了激酶结构域外，大多数蛋白激酶还有其他结构域。例如，衔接体蛋白具有SH2、SH3和pleckstrin同源结构域，它帮助蛋白激酶结合到细胞的特定区域。受体酪氨酸激酶的穿膜结构域使受体激酶能够被固定在细胞膜上。

蛋白磷酸酶是一种能够去除蛋白质底物磷酸基团的酶系，它可以通过水解磷酸单酯将底物分子上的磷酸基团去除并生成磷酸根离子和自由的羟基。真核生物具有多个蛋白磷酸酶家族，该家族可以将磷酸集团从氨基酸侧链移除。虽然一些双特异性磷酸酶既可以将磷酸化的丝氨酸/苏氨酸去磷酸化，也可以使磷酸化的酪氨酸去磷酸化，但大部分磷酸酶像蛋白激酶一样，仅作用于丝氨酸/苏氨酸或仅作用于酪氨酸。