蛋白质生物合成是在核糖体进行的，氨基酸按照模板mRNA的指令组装成多肽链。新生的多肽链需要折叠，并经常发生化学修饰，才能产生有活性的蛋白质分子。有活性的蛋白质分子一旦产生，某些限制其寿命的特殊的氨基酸顺序将引导它降解。
氨基酸顺序提供多肽链折叠信息
在多肽链骨架中，只有8个键角是立体化学所允许的。因此，含有n个氨基酸残基的多肽链在理论上可以产生8n种构象。然而，所有的蛋白质分子通常仅采取一种构象，即最稳定的天然构象。
天然牛胰RNA水解酶A（RNase A）分子由一条多肽链组成，含124个氨基酸残基，其中有8个Cys残基形成4对二硫键。1961年，C.Anfinsen等完成了著名的RNase A变性-复性实验。他们首先利用8mol/L尿素和β-巯基乙醇（还原二硫键）使之变性，然后去除变性因素，结果RNase A的活性完全恢复，4对二硫键准确无误地在原位重建。在8个Cys残基之间形成4对二硫键共有105种选择（形成第一、第二和第三对二硫键分别有7、5、3种选择）。如果将124个氨基酸残基的Cα原子二面角变化和侧链基团的旋转考虑在内，RNase A可能形成的构象数量将是天文数字。然而，在RNase A复性过程中仅仅选择了一种天然构象。对此，唯一合理的解释就是，多肽链的氨基酸顺序决定其三维结构，即：蛋白质分子天然构象的折叠信息存在于它的一级结构——氨基酸顺序之中。
根据“熔球（molten globule）”假说，在多肽链折叠过程中，多肽链经历了伸展（unfolding）、熔球和天然构象3个阶段。在适当条件下，伸展的多肽链围绕疏水核心凝集成中间状态“熔球”，其中有多个二级结构单元。然后，这些二级结构单元相互作用形成三级结构，折叠成蛋白质分子的天然构象。
伴侣分子促进体内蛋白质折叠
在体外，蛋白质分子折叠的效率很低，仅有少数在几分钟内完成折叠。在体内，绝大多数蛋白质分子必须迅速、正确地折叠，以免形成无功能的错误折叠蛋白质。
在细胞内，蛋白质的浓度高达100mg/ml，这种高浓度在体外通常造成蛋白质沉淀。细胞内蛋白质高效折叠的原因在于存在伴侣分子（chaperones）。伴侣分子广泛存在于细菌到哺乳动物细胞，参与蛋白质分子的一般折叠过程。伴侣分子具有ATPase活性，能够结合并稳定蛋白质分子。伴侣分子分为两种类型：①分子伴侣（molecular chaperones），结合并稳定未折叠或部分折叠的蛋白质，防止其降解；②伴侣蛋白（chaperonins），直接促使蛋白质分子折叠。
分子伴侣主要有Hsp70蛋白家族，其成员包括Hsp70（存在于细胞质和线粒体）、Bip（内质网）和DnaK（细菌伴侣分子）。Hsp70蛋白（heat shock proteins）被首次发现，是在细胞处于热休克应激状态情况下，这种蛋白质能迅速出现。Hsp70蛋白结合ATP时呈开放型（open form），其疏水性口袋结合于靶蛋白疏水区。ATP水解使Hsp70蛋白变为封闭型（close form），释放靶蛋白。当新生的多肽链正在核糖体合成的时候，分子伴侣即与之结合（下图）。
伴侣分子介导蛋白质折叠
肌动蛋白、微管蛋白等少数蛋白质的折叠需要伴侣蛋白提供帮助。真核伴侣蛋白TCiP是巨大的桶形复合物，由8个Hsp60蛋白组成，与之同源的细菌伴侣蛋白GroEL含14个相同的亚基。细菌GroEL介导的折叠机制比真核TCiP容易了解。在细菌中，部分折叠或者错误折叠的蛋白质插入GroEL的空腔并结合于空腔的内壁，进而折叠成天然构象（图8-3）。这一过程依赖ATP，需要借助于辅伴侣蛋白（co-chaperonin）GroES。真核TCiP的空腔只能允许分子量小于55kD的多肽链通过这一途径折叠。
某些蛋白质分子不需要折叠
人们曾经以为，天然蛋白质分子必须折叠成一定的三维结构才有功能。近年来发现，约30%的天然蛋白质分子完全或部分未折叠（unfolded）。完全未折叠的蛋白质被称为“天然未折叠蛋白质（natively unfolded proteins，NUP）”或“内源无结构蛋白质（intrinsically unstructured proteins，IUP）”。目前已发现约100种天然未折叠蛋白质，其多肽链长度范围50～1800个氨基酸残基，主要特征为“高净电荷、低疏水性”，含有较多的亲水性氨基酸（尤其是Lys和Glu），多Pro，而疏水性氨基酸较少，特别是芳香族氨基酸含量低。
这种缺乏特定结构的蛋白质的优势在于，具有更强的“柔韧性（malleability）”，能够结合几种不同的配体，其表面更容易进行分子间相互作用，令其功能更加多样化。
已发现的NUP（或IUP）蛋白质的功能有30多种，包括细胞信号转导、细胞周期调控、基因表达调控、DNA复制和损伤修复等。
化学修饰和加工改变蛋白质的活性
在细胞中，新生的蛋白质多肽链在核糖体合成后，其化学结构需要发生变化，以改变其活性、寿命或细胞定位。这种蛋白质化学结构变化分为两种类型，一是化学修饰（chemical modification），二是加工（processing）。化学修饰是指将化学基团共价连接到多肽链的N端、C端或内部残基侧链，往往是可逆的。加工是指去除一些肽段，一般不可逆。
多肽链N端氨基的乙酰化（acetylation）是最普遍的化学修饰方式。非乙酰化的蛋白质往往被细胞中的蛋白酶迅速降解。膜蛋白的末端及其附近残基经常加上了长长的脂质类基团，将蛋白质锚定于膜磷脂双层。
蛋白质分子内部残基的侧链可以被多种化学基团修饰，其中最重要的是Ser、Thr、Tyr的羟基发生可逆磷酸化。许多分泌蛋白和膜蛋白的Asn、Ser、Thr侧链可能成为糖基化（glycosylation）位点，结合线性或分支糖链。
蛋白酶解（proteolysis）利用蛋白酶切除新生的蛋白质的部分肽段，是一种最普通的加工方式，如胃、胰腺分泌的消化酶酶原以及凝血因子的激活。蛋白酶解也可以产生有活性的肽激素，如EGF和胰岛素。在细菌和低等真核生物中还存在一种特殊的蛋白质自我剪接（self-splicing）加工方式，切除多肽链内部的蛋白内含肽（intein），将两侧的蛋白外显肽（extein）连接起来，类似于真核mRNA前体剪接加工。
细胞蛋白质的降解途径
体内蛋白质降解分为细胞外、内两种途径。
细胞外降解途径，主要用于蛋白酶在胃、肠将食物蛋白质消化。这些蛋白酶包括：胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶等内切蛋白酶（endoproteases），氨肽酶（aminopeptidases，从N端依次切除残基）、羧肽酶（carboxypeptidases，从C端依次切除残基）等外肽酶（exopeptidases），以及将寡肽（oligopeptides）切割成2肽、3肽、氨基酸的肽酶（peptidases）。
细胞内有几条蛋白酶解途径，以降解错误折叠或变性蛋白质、浓度减少的正常蛋白质和外源蛋白质。途径之一是利用溶酶体（lysosomes），溶酶体是一种细胞器，内部呈酸性，含有大量蛋白酶。另一主要途径是泛素介导的蛋白质降解，泛素（ubiquitin）是一种含76个氨基酸残基的蛋白质。这一途径分为两步。首先，借助3种酶（E1～E3，即泛素激活酶、泛素缀合酶、泛素连接酶），使多个泛素分子共价结合于靶蛋白内部的Lys侧链。然后，泛素化的蛋白质被蛋白酶体（proteasome）降解。蛋白酶体是一个巨大的圆柱形口袋状多亚基复合物，内含多种蛋白酶，依赖ATP将泛素标记的蛋白质切割成小肽。由泛素介导降解的蛋白质分子含有降解信号，例如有丝分裂细胞周期蛋白的内部序列Arg-X-X-Leu-Gly-X-Ile-Gly-Asx，或富含Pro、Glu、Ser和Thr的内部序列（PEST序列），能够被泛素缀合酶识别。
许多细胞质蛋白质的寿命和N端残基的特性相关，提示N端残基与蛋白质泛素化有关。在体内，寿命短的蛋白质3分钟内被降解，其N端通常为Arg、Lys、Phe、Leu或Trp。而寿命长达30个小时以上的蛋白质，其N端一般为Cys、Ala、Ser、Thr、Gly、Val或Met。所有新合成的蛋白质的N端均为Met，有稳定作用，需要通过酶促反应将其切除，才能在N端产生一个去稳定作用（destabilizing）的残基。
蛋白质折叠异常可能导致疾病
某些蛋白质可能折叠成与其天然构象不同的三维结构，不仅导致失去正常功能，而且可能成为蛋白酶解的标记，而蛋白酶降解片段的积累可能引起退行性疾病（degenerative diseases），在脑、肝等组织细胞中出现不溶性蛋白质斑块（plaques）。
例如，在阿尔茨海默病（Alzheimer disease）患者脑组织中，出现不溶性蛋白质斑和纤维缠结（tangles），在原子能显微镜下可以看到许多短纤维有规律地排列。每根纤维由47个氨基酸残基组成，名为β-淀粉样肽（β-amyloid peptide）。这些纤维是大量天然蛋白质的蛋白酶解产物，包括淀粉样前体蛋白（amyloid precursor protein）和Tau蛋白（一种微管结合蛋白）。在其他器官中形成的斑块也来自天然蛋白质的蛋白酶解产物，如凝溶胶蛋白（gelsolin，肌动蛋白结合蛋白）和血清白蛋白。这些蛋白酶解产生的多肽片段发生聚合，形成非常稳定的纤维。
错误折叠蛋白质可能是哺乳动物若干脑退行性疾病的病因，其中了解得比较清楚的有疯牛病（mad cow disease）、人库鲁病（kuru disease）、克-雅病（Creutzfeldt-Jakob disease）、羊瘙痒症（scrapie）等。这些疾病可称为海绵样脑病（spongiform encephalopathies），因为患者大脑皮层细胞中充满海绵样空洞，其典型症状是痴呆、动作失调。
20世纪60年代，人们发现这种疾病的致病因子可能没有核酸，T.Alper认为这种特殊的致病因子可能是蛋白质。当时已知的致病因子病毒、细菌、真菌等都含有核酸，其毒性与基因复制和增殖有关。经过30多年的研究，S.Prusiner等发现，这种疾病的感染因子是一种蛋白质（28kD），将其命名为“prion protein（朊病毒蛋白，PrP）”。PrP是所有哺乳动物脑组织中的正常组分，功能尚不清楚。缺失PrP基因（当然朊病毒蛋白本身也缺失）的小鼠看上去正常，症状仅仅出现在正常的PrP蛋白（PrPC）的构象改变成PrPSc之时（Sc取自scrapie）。PrPSc蛋白可以将PrPC蛋白转变成PrPSc，并产生多米诺效应，将越来越多正常的PrP蛋白转变成致病型PrPSc蛋白。PrPSc导致海绵样脑病的机制尚不清楚。
在遗传型朊病毒疾病中，PrP编码基因突变导致一个氨基酸残基发生改变，可能造成PrPC转变成PrPSc。
（杨克恭）
