การดัดแปลงทางเคมีหมายถึงกระบวนการต่างๆ มากมายที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบทางเคมีหรือโครงสร้างของโมเลกุล

การดัดแปลงทางเคมีคือการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและหน้าที่ของโมเลกุลชีวภาพเนื่องจากการเพิ่มหรือการกำจัดองค์ประกอบที่ดัดแปลง  ^{[ 1 ]}โดยทั่วไปแล้วจะทำได้โดยผ่านปฏิกิริยาเคมีหรือชุดของปฏิกิริยาเคมีซึ่งอาจย้อนกลับได้หรือไม่ก็ได้ การดัดแปลงทางเคมีสามารถทำได้กับโมเลกุลขนาดใหญ่หลักทั้งสี่ชนิด (โปรตีน กรดนิวคลีอิก คาร์โบไฮเดรต และไขมัน) อย่างไรก็ตาม ในบทความนี้เราจะเน้นที่การดัดแปลงโปรตีน การดัดแปลงทางเคมีมีความสำคัญเพราะสามารถปรับปรุงเสถียรภาพของโมเลกุล ซึ่งจะเพิ่มเสถียรภาพของโมเลกุลชีวภาพและมีบทบาทในการช่วยให้สิ่งมีชีวิตรับมือกับความเครียดทางสรีรวิทยาได้ดีขึ้น^{[ 2 ]}การดัดแปลงโปรตีนยังสามารถนำไปสู่ความเป็นไปได้ในการใช้เป็นยาเพื่อรักษาโรคต่างๆ ได้มากมาย สารดัดแปลงทางเคมีบนสารประกอบที่สามารถใช้เป็นยาได้ยังสามารถใช้เพื่อพยายามเพิ่มอายุการเก็บรักษาของผลิตภัณฑ์หรือขยายการทำงานของผลิตภัณฑ์ได้อีกด้วย^{[ 2 ]}

การดัดแปลงทางเคมีเป็นอีกวิธีหนึ่งที่ทำให้เกิดความแปรปรวนมากขึ้นในโปรตีโอม^{[ 1 ]}การดัดแปลงทางเคมีของโปรตีนมีการเปลี่ยนแปลงอยู่เสมอเนื่องจากความต้องการที่ผันผวนของสิ่งมีชีวิต การดัดแปลงทางเคมีทั่วไป ได้แก่ ฟอสโฟรีเลชัน ไกลโคซิเลชัน ยูบิควิติเนชัน เมทิลเลชัน ลิพิเดชัน และโปรตีโอไลซิส  ^{[ 1 ]}แม้ว่าเราจะกล่าวถึงการดัดแปลงทางเคมีแต่ละประเภทแยกกัน แต่พวกมันมักจะทำงานร่วมกันเพื่อดัดแปลงโปรตีน เนื่องจากการดัดแปลงที่เป็นไปได้มีหลากหลายมาก การศึกษาเกี่ยวกับการดัดแปลงทางเคมีจึงยังคงดำเนินต่อไป

การฟอสโฟรีเลชันเกิดขึ้นเมื่อมีการเพิ่มหมู่ PO ₃ (ฟอสโฟรีล) เข้าไปในโปรตีน^{[ 3 ]}การดัดแปลงทางเคมีนี้ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางที่สุดและสามารถย้อนกลับได้ ผลการศึกษาเหล่านั้นแสดงให้เห็นว่าการฟอสโฟรีเลชันทำหน้าที่เป็นตัวควบคุมโปรตีนในสองวิธี: การเพิ่มหรือการกำจัดหมู่ฟอสโฟรีลสามารถส่งผลกระทบต่อจลนศาสตร์ของเอนไซม์โดยการเปิดหรือปิดการทำงานของเอนไซม์ผ่านการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง และการฟอสโฟรีเลชันของโปรตีนหนึ่งตัวสามารถดึงดูดโปรตีนที่คล้ายคลึงกันที่อยู่ใกล้เคียงให้มาจับกับโมทีฟที่ถูกฟอสโฟรีเลชันเพื่อกระตุ้นเส้นทางการส่งสัญญาณ^{[ 1 ]}

กลไกการฟอสโฟรีเลชันใช้ไคเนสและฟอสฟาเทส ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่ใช้ในการถ่ายโอนหมู่ฟอสโฟรีลเข้าและออกจากโมเลกุลชีวภาพเป้าหมาย บ่อยครั้งที่ไคเนสจะมี ATP หรือ GTP อยู่ด้วยเพื่อช่วยอำนวยความสะดวกในการถ่ายโอนหมู่ฟอสโฟรีล^{[ 3 ]}การฟอสโฟรีเลชันของไคเนสสามารถกระตุ้นเส้นทางการส่งสัญญาณได้ 2 เส้นทาง เส้นทางเหล่านี้อาจเป็นแบบเชิงเส้นหรือแบบเรียงลำดับ^{[ 4 ]}เส้นทางการส่งสัญญาณแบบเรียงลำดับนำไปสู่การฟอสโฟรีเลชันของกรดอะมิโนจำนวนมากและใช้ตัวส่งสัญญาณรองเพื่อขยายสัญญาณให้เกิดการตอบสนองที่ใหญ่ขึ้น^{[ 4 ]}ฟอสฟาเทสสามารถทำหน้าที่เป็นตัวควบคุมและตัวแก้ไขเส้นทางการส่งสัญญาณของเซลล์ที่สร้างปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตีนกับโปรตีนชั่วคราว^{[ 3 ]}

ไคเนสมีความเกี่ยวข้องกับการกระตุ้นการทำงานของเอนไซม์เป็นส่วนใหญ่ และฟอสฟาเทสมีความเกี่ยวข้องกับการปิดการทำงานของเอนไซม์เป็นส่วนใหญ่ นอกจากนี้ยังสามารถทำหน้าที่ตรงกันข้ามได้ด้วย (ไคเนสสามารถปิดการทำงานของเอนไซม์ได้ และฟอสฟาเทสก็สามารถปิดการทำงานของเอนไซม์ได้เช่นกัน) ไคเนสและฟอสฟาเทสยังสามารถมีไซต์การจับอื่นๆ ที่สามารถยึดติดกับโปรตีนส่งสัญญาณอื่นๆ ได้อีกด้วย^{[ 5 ]}

การฟอสโฟรีเลชันและการดีฟอสโฟรีเลชันของโปรตีนผ่านกิจกรรมของไคเนสและฟอสฟาเทสมีบทบาทสำคัญในกระบวนการทางชีววิทยาหลายอย่าง เช่น การแพร่กระจายของเซลล์ผ่านทางเส้นทางการส่งสัญญาณ MAPK, PI3K, Akt, mTOR, PKA และ PKC ^{[ 6 ]}เนื่องจากการทำงานมากเกินไปของไคเนสมีความเกี่ยวข้องกับการลุกลามของมะเร็ง จึงมีการพัฒนายาที่ออกฤทธิ์ยับยั้งการทำงานของไคเนสเพื่อใช้เป็นวิธีการรักษาที่เป็นไปได้^{[ 7 ]}

การดัดแปลงทางเคมีที่ได้รับการศึกษาอย่างดีอีกอย่างหนึ่งคือไกลโคซิเลชัน ไกลโคซิเลชันเป็นกระบวนการที่โมเลกุลน้ำตาลถูกยึดติดกับโปรตีน^{[ 1 ]}ความยาวของแซคคาไรด์ที่ยึดติดนั้นแปรผันได้และส่งผลต่อโครงสร้าง กิจกรรม และความเสถียรของโปรตีนที่ยึดติด^{[ 8 ]}โปรตีนหลายชนิดที่มีไกลโคซิเลชันมักพบอยู่บนพื้นผิวเซลล์และมีบทบาทสำคัญในการกำหนดหมู่เลือด

ยูบิควิตินประกอบด้วยกรดอะมิโน 76 ตัว ซึ่งสามารถอยู่ได้ด้วยตัวเองหรือติดอยู่กับโปรตีน^{[ 9 ]}เมื่อยูบิควิตินติดอยู่กับโปรตีน (ปริมาณของยูบิควิตินที่จับกับโปรตีนนั้นแตกต่างกันไป) มันสามารถทำหน้าที่กำหนดเป้าหมายโปรตีนนั้นเพื่อการย่อยสลายหรือกระตุ้นการทำงานของไคเนส มีเอนไซม์สามชนิดที่ทำงานในเส้นทางการยูบิควิตินเนชัน ได้แก่ เอนไซม์กระตุ้นยูบิควิติน (E1) เอนไซม์เชื่อมต่อยูบิควิติน (E2) และยูบิควิติน-โปรตีนไลเกส (E3) ^{[ 9 ]}โดยทั่วไป E1 จะกระตุ้นยูบิควิตินและถ่ายโอนไปยัง E2 ส่วน E3 จะถ่ายโอนยูบิควิตินไปยังโปรตีนเป้าหมาย^{[ 10 ]}เส้นทางนี้ได้รับการควบคุมอย่างใกล้ชิดและมีความจำเพาะมาก^{[ 10 ]}การโมโนยูบิควิทิเนชัน (โปรตีนยูบิควิทินหนึ่งตัว) ของโปรตีนโดยทั่วไปไม่ได้ส่งสัญญาณให้เกิดการย่อยสลายโปรตีน แต่ทำหน้าที่หลักในการควบคุมฮิสโตน เอนโดไซโทซิส และการส่งออกนิวเคลียส^{[ 9 ]}การโพลียูบิควิทิเนชัน (โปรตีนยูบิควิทินหลายตัว) ของโปรตีนโดยทั่วไปจะกระตุ้นการย่อยสลายโปรตีน โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากยูบิควิทินจับกับกรดอะมิโนไลซีน^{[ 9 ]}หน้าที่การย่อยสลายของยูบิควิทินเป็นที่เข้าใจได้ดีที่สุด เนื่องจากมีความเชื่อมโยงกับเส้นทางการส่งสัญญาณ NF-κB ในการกระตุ้นการอักเสบ^{[ 9 ]}นอกจากนี้ยังพบว่ามีบทบาทในโรคมะเร็งและโรคอื่นๆ ด้วย

การเติมหมู่เมทิลคือการถ่ายโอนหมู่เมทิลหนึ่งหมู่ (อะตอมคาร์บอนที่เชื่อมต่อกับอะตอมไฮโดรเจนสามอะตอม) ไปยังโปรตีนผ่านเอนไซม์ที่เรียกว่าเมทิลทรานสเฟอเรส^{[ 1 ]}นอกจากนี้ยังมักใช้โดยโปรตีนฮิสโตนเพื่อให้บางส่วนของจีโนมสามารถม้วนและคลายตัวและเข้าถึงได้สำหรับการถอดรหัส^{[ 1 ]}

การเติมลิพิเดชันคือกระบวนการของการติดลิพิเดชันเข้ากับโปรตีนเพื่อติดแท็กให้เป็นโปรตีนที่ยึดติดกับเยื่อหุ้มเซลล์^{[ 1 ]}การเติมลิพิเดชันที่แตกต่างกันจะเพิ่มความสัมพันธ์ของโปรตีนกับเยื่อหุ้มเซลล์ประเภทต่างๆ (เยื่อหุ้มพลาสมา เยื่อหุ้มออร์แกเนลล์ และเวสิเคิล) การเติมลิพิเดชันมีสี่ประเภทที่พบได้ทั่วไป ได้แก่ ตัวยึด GPI การเติมไมริสโตอิลที่ปลาย N การเติมไมริสโตอิลที่ปลาย S และการเติมพรีนิลที่ปลาย S ^{[ 1 ]}

โปรตีโอไลซิสเป็นกระบวนการที่ใช้ในการสลายพันธะเปปไทด์ บ่อยครั้งที่พันธะเปปไทด์มีความเสถียรในสภาวะทางสรีรวิทยาปกติ และอาจต้องการเอนไซม์ที่เรียกว่าโปรตีเอสเพื่อช่วยในการสลายพอลิเปปไทด์ให้เป็นส่วนประกอบที่เล็กลง^{[ 11 ]}ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในระหว่างการส่งสัญญาณของเซลล์ การกำจัดโปรตีนที่พับผิดรูป และการตายของเซลล์ตามโปรแกรม (อะพอพโทซิส) ^{[ 12 ]}ในบางกรณี โปรตีโอไลซิสสามารถใช้เพื่อควบคุมกิจกรรมของเอนไซม์ไซโมเจน (เอนไซม์ที่ไม่ทำงานซึ่งต้องมีการสลายพันธะบางส่วนเพื่อให้ทำงานได้) ^{[ 1 ]}โปรตีเอสมีสี่ประเภทหลัก ได้แก่ เซรีนโปรตีเอส ซิสเทอีนโปรตีเอส แอสปาร์ติกแอซิดโปรตีเอส และซิงค์เมทัลโลโปรตีเอส^{[ 1 ]}

อิเล็กโทรดที่ดัดแปลงทางเคมีคืออิเล็กโทรดที่มีพื้นผิวถูกแปลงทางเคมีเพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติของอิเล็กโทรด เช่น คุณสมบัติทางกายภาพทางเคมีทางไฟฟ้าเคมีทางแสง ทางไฟฟ้าและ ทางการ ขนส่งอิเล็กโทรดเหล่านี้ใช้เพื่อวัตถุประสงค์ขั้นสูงในการวิจัยและการตรวจสอบ^{[ 13 ]}

ในวิชาชีวเคมีการดัดแปลงทางเคมีคือเทคนิคการทำปฏิกิริยาทางกายวิภาคของโปรตีนหรือกรดนิวคลีอิกกับสารเคมีหรือสารรีเอเจนต์ การได้มาซึ่งข้อมูลทางห้องปฏิบัติการผ่านการดัดแปลงทางเคมีสามารถนำไปใช้เพื่อ:

• ระบุส่วนต่างๆ ของโมเลกุลที่สัมผัสกับตัวทำละลาย
• ระบุว่าสารตกค้างใดมีความสำคัญต่อลักษณะเฉพาะอย่างใดอย่างหนึ่ง เช่น สารตกค้างใดมีความสำคัญต่อกิจกรรมของเอนไซม์
• นำหมู่ใหม่เข้าไปในโมเลกุลขนาดใหญ่ และ
• เชื่อมโยงโมเลกุลขนาดใหญ่ทั้งภายในและระหว่างโมเลกุล

• ไอโอโดอะเซตาไมด์
• กรดไอโอโดอะซิติก
• พีจีเลชัน
• บิสซัลโฟซัคซินิมิดิลซูเบอเรต
• 1-เอทิล-3-(3-ไดเมทิลอะมิโนโพรพิล)คาร์โบไดอิมิด
• เอ็น-เอทิลมาเลอิไมด์
• เมทิลเมทาเนไทโอซัลโฟเนต
• เอส-(1-ออกซิล-2,2,5,5-เตตระเมทิล-2,5-ไดไฮโดร-1H-ไพร์โรล-3-อิล)เมทิลเมทานซัลโฟโนไทโอเอต