第四章 蛋白质的折叠的热力学与动力学
生物物理中的蛋白质折叠及其机制
生物物理中的蛋白质折叠及其机制生物物理领域中的蛋白质折叠及其机制蛋白质是生物体内最为基本的大分子物质之一，它们担任了许多生物学过程中的关键角色，例如催化酶反应、运输分子和细胞信号传导等一系列重要功能。
而蛋白质如何从单线性肽链转化为复杂的稳定的三维结构，即“折叠”成蛋白质分子，则一直被生物学研究者所关注。
蛋白质折叠是指由单肽链高度不规则的构象转变为规则、稳定、具有生物学功能的三维结构过程。
例如，静止的状态下，人体内的胰岛素是由两条肽链形成一对单跨膜肽链，而当胰岛素被释放后，便可折叠成一个结构稳定的分子。
由于折叠蛋白质的三维形态对其功能的影响非常大，因此了解蛋白质折叠的机制成为了生物物理研究的热点。
目前，生物学家们还未能解决完全许多关于蛋白质折叠的问题，但对其中的一些机制进行了深入研究。
蛋白质折叠的机制目前，蛋白质折叠的机制大致可分为两种：热力学模型和动力学模型。
热力学模型基于热力学平衡，认为蛋白质会自发地折叠成最稳定的结构，例如Gibbs自由能最小的状态。
而动力学模型则从动力学的角度解释蛋白质分子折叠过程中不同状态的转换。
在热力学模型中，蛋白质折叠主要分为两个阶段：局部折叠和全局折叠。
局部折叠是指蛋白质中的某些区域首先聚集成稳定的局部三维结构，然后相邻的局部结构逐渐连接形成整个蛋白质的结构；全局折叠则是指整个蛋白质依据热力学原理，逐渐折叠成为最稳态结构。
当然，这只是理论上的折叠过程，实际上，在细胞环境中，蛋白质的折叠过程受到许多影响，并且可能会有多个可能的稳态存在。
动力学模型则注重研究蛋白质折叠动力学过程中的中间态，将折叠过程分为四个阶段：无序态、预折叠态、折叠中间体态和全局结构。
其中，折叠中间体态是指蛋白质折叠过程中的关键分子结构，是蛋白质折叠过程中的重要中间阶段。
那么，蛋白质折叠中发生的具体过程是什么呢？蛋白质折叠的具体过程蛋白质折叠可以被视为当单线性氨基酸链逐渐向空间中折迭收缩，其基本单元是“小结构”。
蛋白质折叠
蛋白质折叠与生物信息流
在生物体内，生物信息流动可分为两个部分： 第一部分是存储于DNA序列中的遗传信息通过
转录和翻译传入蛋白质的一级序列中，这是一 维信息之间的传递，三联子密码介导了这一传 递过程 第二部分是肽链经过疏水塌缩、空间盘曲、侧 链聚集等折叠过程形成蛋白质的天然构象，同 时获得生物活性，从而将生命信息表达出来 蛋白质折叠是一维信息向三维信息的转化过程
Ellis1987年提出了蛋白质“辅助性组装学说”。体内蛋 白质折叠往往需要其他辅助因子参与，并伴有ATP的 水解。因此，蛋白质折叠是一个热力学过程，也受动 力学控制。
有的学者基于有些相似氨基酸序列的蛋白质具有不同 的折叠结构，而一些不同氨基酸序列的蛋白质在结构 上却相似的现象，提出了mRNA二级结构可能作为一 种遗传密码从而影响蛋白质结构的假说。
疏水簇以非特异性布朗运动方式扩散、碰撞、相互黏附， 导致大的结构生成并增加稳定性。
进一步碰撞形成具有疏水核心和二级结构的类熔球态中 间体。
球形中间体调整为致密的、无活性的类似天然结构的高 度有序熔球态结构。
最后无活性高度有序熔球态转变为完整有活力的天然态。
成核-凝聚-生长模型
（Nuclear-Condensation-Growth Model）
拼版模型 （Jig-Saw Puzzle Model）
中心思想是多肽链可以沿多条不同的途径进行 折叠, 在沿每条途径折叠的过程中都是天然结 构越来越多, 最终形成天然构象
每条途径的折叠速度都较快, 与单一途径折叠 方式相比, 多肽链速度较快, 另一方面, 外界 生理生化环境的微小变化或突变等因素可能会 给单一折叠途径造成较大的影响 这些变化可能 给某条折叠途径带来影响, 但不影响另外的折 叠途径, 因而不会从总体上干扰多肽链的折叠
蛋白质折叠动力学研究方法及应用
蛋白质折叠动力学研究方法及应用蛋白质折叠动力学是研究蛋白质在折叠过程中的动力学行为和特性的学科。
折叠是蛋白质生命活动中重要的一环，也是影响蛋白质性质和功能的重要因素。
因此，研究蛋白质折叠动力学有助于理解蛋白质功能和疾病发生的分子机制。
本文主要介绍蛋白质折叠动力学研究的方法和应用。
一、热力学法热力学法（Thermodynamics）研究蛋白质折叠动力学时，主要是关注蛋白分子折叠或反折叠的稳定性和热力学参数，如自由能、热容、热力学熵等。
通过测量温度和蛋白质在不同温度下的热容变化，可以计算出蛋白质折叠中所涉及的热力学参数，从而得出蛋白质折叠的稳定性和动力学行为。
热力学法简便易行，但其只能测量蛋白质折叠的定态参数，并未涉及其动力学行为。
二、动力学法动力学法（Kinetics）研究蛋白质折叠动力学时，关注的是蛋白质分子的折叠过程。
最常用的是荧光谱技术，在荧光标记的蛋白质分子中引入融合剂以诱导蛋白质折叠，然后通过测量蛋白质荧光强度的变化来研究蛋白质分子的折叠动力学过程。
动力学法可定量研究蛋白质折叠的动力学机制和反应速率等，但其测量结果受实验条件影响较大，可重复性较差。
三、分子动力学模拟法分子动力学模拟法是一种计算机模拟方法，通过计算分子在时间尺度上的运动轨迹来模拟蛋白质折叠过程。
分子动力学模拟法可以得到蛋白质折叠过程中分子的位置、速度、加速度等动力学参数，详细了解折叠动力学机制。
通过不断改进模拟方法和算法，分子动力学模拟法的精度和可信度不断提高，已经成为研究蛋白质折叠动力学的重要工具。
应用：1、研究蛋白质结构和功能通过折叠动力学研究，可以揭示蛋白质的三维结构和折叠特性，有利于解析蛋白质的结构和功能。
借助动力学法或分子动力学模拟法，可以研究蛋白质结构在不同条件下的变化和稳定性，进而了解蛋白质的功能和折叠机制。
2、探索蛋白质相关疾病的分子机制蛋白质折叠过程异常与许多疾病的发生有关，例如糖尿病、肿瘤和神经退行性疾病等。
蛋白质构象变化的动力学和热力学机理
蛋白质构象变化的动力学和热力学机理作为一种重要的生物大分子，蛋白质的构象变化在生命过程中发挥着重要作用。
这种变化是由于蛋白质分子内部构成的复杂结构所引起的，而这个结构的改变则是受到一系列热力学和动力学规律的控制。
蛋白质的构象转变过程主要有两种：一种是由于外界因素的刺激，例如温度变化、pH值变化和化学药物的加入等，使得蛋白质分子的构象由原来的稳态转换为另一种稳态的过程。
另一种则是蛋白质分子的内在构造本身，在没有外界干扰的情况下也会出现构象变化。
在外界干扰的情况下，控制蛋白质的构象转变主要有两种热力学机制：一种是熵驱动机制，另一种则是化学势驱动机制。
熵驱动机制是指蛋白质分子在外界温度变化时，由于分子内部的自由度会发生改变，从而引发构象转变的过程。
这种过程主要是通过改变蛋白质分子的内部自由度和向外扩散熵的方式来进行调节的。
由于熵的增大与热力学初始状态无关，因此这种热力学机制的调节范围非常广泛，所以在很多生命过程中都起到了非常重要的作用。
化学势驱动机制则是指在外界作用下，蛋白质分子的构象转变可以通过自身内部化学势的变化来实现。
这种机制主要是通过改变蛋白质分子内部键合反应的平衡条件来实现的，从而对构象转变进行调节。
蛋白质分子内在构象转变的过程则与外界的干扰无关，主要是由于蛋白质分子本身在生命过程中需要不断地进行功能性变化，从而引发重要的构象变化。
这种构象变化主要有三种表现形式：一种是通过蛋白质分子的整体移动来实现，也就是整体构象变化；另一种则是通过蛋白质分子内部键合的调整来实现，这种调整可以使得这些分子的特定区域发生一定的构象变化；第三种则是通过蛋白质分子内部的局部变化来实现，从而使得分子具有不同的功能性。
总之，蛋白质的构象变化是一个非常复杂的过程，在调节其构象变化过程中需要同时考虑热力学和动力学的规律。
通过对这些规律的深入研究，可以为我们更好地理解蛋白质在生命过程中的作用提供帮助。
第四章蛋白质的物理化学性质
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•吉布斯自由能(Gibbs free energy,G):亦称吉布斯函数，它是定温定压下系统的状态函数。可以用 公式表示为：
G=H-TS=E+pV-TS 其中，T为绝对温度；S为体系的熵 注意:吉布斯自由能是体系的性质，它的大小只决定于体系的始态和终态，而及变化的途径无关 (即及可逆及否无关)。
21
氢键对蛋白质天然结构的稳定作用只能来自于水-水氢键+链内氢键，和水-肽链氢键两种情况下的自由能之差。蛋 白质中有许多种氢键。
分类 弱氢键 中强氢键 强氢键
υOH/cm-1 >3200
2800~3100 700~2700
R（O…O）/nm >0.270
0.260~0.270 0.240~0.260
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二、热容量 热容量:指系统在某一过程中，温度升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的热量。热容量的单位是J/K。 系统的热容量及状态的转变过程有关，及它所包含的物质的质量成正比，不同过程的热容量不同。 系统吸收的热量为正值，释放的热量为负值 使用微分扫描量热仪直接测定热容量变化
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三、van’t Hoff 焓 • Van’t Hoff 规则 ：荷兰科学家范特霍夫 提出, 温度每升高10 K, 反应速度增加2-4倍
实例 H2O(水、水合物) R—OH(醇、酚) R—COOH(羧酸) MH(RCOO)2(酸盐)
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氢键在蛋白折叠过程中的作用 杜克大学（Duke University）的化学家们通过改变蛋白质关键部位的单个原子，发现了相对作用力 较弱的氢键在使线形蛋白折叠成能发挥生物活性的最稳定结构中有重要作用
第四章 蛋白质的折叠的热力学与动力学
在孤立体系或绝热体系中系统一切可以发生
的过程要么是熵变为0（可逆，平衡态），
要么熵变大于0（不可逆）。熵不可能减小，
即熵总是增大的。
2.2热力学第二定律 之自由能判据
热力学将系统中总的热量称为焓，以H表示
在恒定温度和压力条件下总能量中可以做
功的那一部分能量为自由能，以G表示
DG = DH-TDS
帕金森氏症（Parkinson disease）
某些肿瘤
Model）
该模型认为蛋白质的折叠起始于伸展肽链上的几个位点，在这 些位点上生成不稳定的二级结构单元或者疏水簇，主要依靠局部 序列的近程或中程（3-4个残基）相互作用来维系。它们以非特异 性布朗运动的方式扩散、碰撞、相互黏附，导致大的结构生成并 因此而增加了稳定性。进一步的碰撞形成具有疏水核心和二级结 构的类熔球态中间体的球状结构。球形中间体调整为致密的、无 活性的类似天然结构的高度有序熔球态结构。最后无活性的高度 有序熔球态转变为完整的有活力的天然态。
折叠态蛋白质与伸展态相比,是一种高度有序化 的结构, 因此ΔS链是负数, 则-TΔS链为正值。 ΔH链对疏水侧链为正值,从而有利于伸展态。
蛋白质折叠过程中的动力学和热力学研究
蛋白质折叠过程中的动力学和热力学研究蛋白质是生命体中最重要的分子之一。
它们是生化反应的催化剂和信使，构成生命机体的各种功能元件。
蛋白质的功能与结构息息相关。
而蛋白质的结构又直接由其折叠状态决定。
越来越多的研究表明，蛋白质折叠过程中的动力学和热力学是影响蛋白质结构及功能的重要因素。
对于一个蛋白质分子来说，其折叠状态决定了它的生物学功能。
尽管所有蛋白质都是由氨基酸组成的，但它们之间的相互作用可以形成多样化的结构和功能。
研究表明，引起蛋白质折叠的力包括范德华力、氢键、静电相互作用和水化作用等。
折叠过程中，蛋白质分子会自发地寻求最佳构象，使其自由能降至最小，从而加强其稳定性和生物学功能。
折叠过程中的热力学是影响蛋白质结构的重要因素。
蛋白质的熵趋向于增加，而它的内能则趋向于减小。
因此，折叠蛋白质的自由能需要在熵减与内能减的平衡中达到最小值。
不同的氨基酸序列和环境条件会导致蛋白质折叠过程中自由能曲线的变化。
这也就意味着，不同的蛋白质可能需要不同的营养物质来保持其稳定结构和正常功能。
此外，环境因素如酸碱度和温度，也会对蛋白质的稳定性产生影响。
动力学在折叠过程中也扮演了重要角色。
蛋白质的折叠速率、稳定性和膜蛋白的结构都与动力学有关。
针对动力学问题，科学家们使用了各种技术与方法。
例如，利用分子动力学模拟（molecular dynamics）和核磁共振技术（NMR），分析蛋白质分子的结构和动力学行为。
分子动力学模拟是预测蛋白质结构的重要工具，可以模拟蛋白质在任何条件下的构象，从而了解折叠过程中的动力学细节。
另外，NMR不仅可以提供关于蛋白质结构的信息，也可解析蛋白质的动力学。
在蛋白质折叠研究领域，最近几年出现了许多新的技术和方法。
其中一些新技术，如单分子荧光技术，可以观测单个蛋白质的折叠过程。
此外，某些实验室开发的新分析方法，如质谱法和生物信息学，能够增加对蛋白质折叠的认识。
这些研究成果不仅提高了折叠的可控性，也为制备未知结构蛋白质提供了路线。
蛋白质的折叠在热力学上
蛋白质的折叠在热力学上蛋白质的折叠是指其在生物体内或体外从线性氨基酸序列转变为稳定的三维结构的过程。
这个过程对细胞的正常功能至关重要，因为蛋白质在细胞内担任着许多关键的生物学功能，包括催化反应、信号转导、细胞结构维持等。
因此，了解蛋白质的折叠机制对于理解生命的基本过程和开发新的药物治疗方法都具有重要意义。
热力学是研究物质的热力变化和能量转化的学科，与物质中分子之间的相互作用有关。
在蛋白质折叠过程中，热力学起着重要的作用。
蛋白质的折叠是一个复杂的动力学过程，涉及到许多势能的构象空间。
热力学原理主要描述了蛋白质折叠的能量变化和熵变化。
在蛋白质折叠过程中，涉及到不同的相互作用力，包括氢键、范德华力、电荷相互作用和疏水效应等。
这些相互作用力在蛋白质的生物活性物质中起着关键作用。
氢键是蛋白质折叠中最常见的相互作用力，通过氢键的形成可以促进分子的稳定性和折叠。
范德华力是分子之间的短程引力作用力，也对蛋白质的折叠起到重要作用。
电荷相互作用是蛋白质折叠过程中最重要的相互作用之一，可以通过离子相互作用或静电相互作用来实现。
疏水效应是蛋白质折叠中的重要因素之一，即蛋白质的疏水侧链会互相靠近，从而使得蛋白质的水溶部分尽量小。
热力学描述了蛋白质折叠过程中的自由能变化。
自由能是一个系统在恒温恒压条件下的热力学性质，它可以用于描述系统的稳定性和平衡态。
在蛋白质折叠过程中，自由能变化由两个部分组成：熵变和焓变。
熵变是指系统的混乱度改变，而焓变是指系统内部的分子结合和解离所带来的能量变化。
蛋白质的折叠过程通常经历两个不同的阶段：快速折叠和缓慢折叠。
在快速折叠阶段，蛋白质会通过形成局部的二级结构例如α-螺旋和β-折叠片段来迅速达到较为稳定的结构。
在这个过程中，蛋白质的氨基酸序列将会发生局部的空间有序化。
缓慢折叠阶段是指蛋白质进行更全局的结构调整，并形成最终稳定的三维结构。
这个过程通常需要更长的时间，并且涉及到更多的分子间相互作用。
分子生物学中的蛋白质折叠问题
分子生物学中的蛋白质折叠问题蛋白质是细胞中非常重要的生物大分子，它负责细胞内各种化学反应的催化和调节作用。
蛋白质的功能和性质取决于它的三维构象，而蛋白质的三维构象又取决于它分子折叠状态的精确性。
因此，分子生物学中的蛋白质折叠问题成为了很多科学家和研究人员关注的焦点和难点。
蛋白质的折叠过程可以简单地分为三个阶段：第一阶段是线性的多肽链开始迅速达到给定的三维结构，这个阶段通常称为“快速折叠”；第二阶段是在三维结构的稳定状态-结构上小幅度的变化，这个阶段通常称为“慢速折叠”；第三阶段是非常缓慢的沿着一条具有多个马克罗方向的路线来达到稳态，这个阶段通常称为“贯穿折叠”。
然而，实际上一个完整的蛋白质自由体系的折叠时间通常很长，通常需要几微秒或毫秒。
即使计算机模拟也需要很长时间才能还原一个精确的蛋白质折叠过程。
因此，为什么蛋白质折叠需要这么长的时间，一直是分子生物学中的难点。
蛋白质折叠问题的解决需要多学科和多领域的共同努力。
基础生物学、物理学、计算机科学等多学科的融合，以及实验和理论的结合，都是解决蛋白质折叠问题的重点。
首先，基础生物学可以提供蛋白质折叠的基础理论和知识。
通过研究蛋白质的线性结构和氨基酸序列，推测蛋白质的三维结构，这是解决蛋白质折叠问题的重要方法。
同时，基础生物学也可以通过多种实验技术获得蛋白质的折叠状态，并通过这些实验数据验证和完善蛋白质的折叠理论。
但是，基础生物学还无法研究复杂的蛋白质折叠场景。
其次，物理学可以利用分子动力学模拟等方法研究蛋白质折叠问题。
分子动力学模拟是利用计算机模拟大分子的物理行为和运动的方法，可以锁定蛋白质的折叠状态以及折叠过程中的各个步骤。
然而，由于折叠过程过于复杂，很难通过分子动力学模拟得到准确的折叠状态和速度。
因此，物理学关注蛋白质的折叠动力学和热力学性质，以及研究蛋白质的折叠速度和能量。
其中，利用能量“景观”来模拟蛋白质的折叠状态是物理学中常见的方法。
最后，计算机科学可以通过利用人工智能和深度学习等技术来解决蛋白质折叠问题。
蛋白质折叠
细胞内的蛋白质折叠
体内折叠过程往往与翻译共启始，因此，N-末 端蛋白开始折叠，而C-末端部分仍在合成。 氨基酸序列与折叠密切相关 化学修饰往往与肽链的折叠密切相关 折叠是有序的、由疏水力推动的协同过程。 最近的理论提出了蛋白质折叠氢键的贡献 伴侣分子在折叠中起着辅助性的作用 折叠在越膜转运过程中：解开折叠后才能越膜。
在疏水塌缩模型 中，疏水作用力被认为是 在蛋白质折叠过程中起决定性作用的力的 因素。
在形成任何二级结构和三级结构之前首先 发生很快的非特异性的疏水塌缩。
扩散-碰撞-粘合机制
Diffusion-Collision-Adhesion Model）
蛋白质的折叠起始于伸展肽链上的几个位点，在这些位 点上生成不稳定的二级结构单元或疏水簇，主要依靠局 部序列（3-4个残基）相互作用来维系。
在生物体内生物信息流动可分为两个部分第一部分是存储于dna序列中的遗传信息通过转录和翻译传入蛋白质的一级序列中这是一维信息之间的传递三联子密码介导了这一传递过程第二部分是肽链经过疏水塌缩空间盘曲侧链聚集等折叠过程形成蛋白质的天然构象同时获得生物活性从而将生命信息表达出来蛋白质折叠是一维信息向三维信息的转化过程体内折叠过程往往与翻译共启始因此n末端蛋白开始折叠而c末端部分仍在合成
肽链中的某一区域可以形成“折叠晶核”， 以它们为核心，整个肽链继续折叠进而获得 天然构象。
所谓“晶核”实际上是由一些特殊的氨基酸 残基形成的类似于天然态相互作用的网络结 构，这些残基间不是以非特异的疏水作用维 系的，而是由特异的相互作用使这些残基形 成了紧密堆积。晶核的形成是折叠起始阶段 限速步骤。
热休克蛋白
热休克蛋白 Heat Shock Proteins (HSPs),是 细胞在应激原特别是高温诱导下生成的一 组蛋白质。广泛存在各生物中。
蛋白质的折叠的热力学与动力学
热力学与动力学在蛋白质折叠的研究中相互补充，提供了不同角度和层面的认 识。通过研究热力学和动力学参数的变化，可以深入了解蛋白质折叠过程的机 制和调控机制，为蛋白质设计和药物研发提供理论支持。
04
CATALOGUE
蛋白质折叠的研究方法
X射线晶体学
总结词
X射线晶体学是一种通过X射线分析蛋白质晶体结构的方法， 可以提供蛋白质折叠的空间结构和原子间的相互作用信息。
蛋白质的折叠的热 力学与动力学
目 录
• 蛋白质折叠的热力学 • 蛋白质折叠的动力学 • 蛋白质折叠的热力学与动力学的关系 • 蛋白质折叠的研究方法
01
CATALOGUE
蛋白质折叠的热力学
热力学基本概念
01
02
03
熵
表示系统的混乱度或无序 程度，熵越大，系统越混 乱。
焓
表示系统的能量，包括内 能和外能。
02
CAHale Waihona Puke ALOGUE蛋白质折叠的动力学
动力学基本概念
反应速率
01
描述蛋白质折叠过程的快慢，通常用毫秒或秒为单位。
反应机制
02
蛋白质折叠过程中涉及的中间状态和步骤，包括快反应和慢反
应阶段。
活化能
03
蛋白质折叠过程中需要克服的能量障碍，影响折叠速率和折叠
方式。
蛋白质折叠的动力学模型
分子构象变化
蛋白质折叠过程中分子构象如何变化，包括不同状态之间的转换 。
详细描述
X射线晶体学的基本原理是利用X射线照射蛋白质晶体，当X 射线通过晶体时，会与蛋白质分子发生散射，通过测量散射 强度和角度，可以推导出蛋白质分子的空间结构和原子间的 距离等信息。
核磁共振技术
蛋白质折叠和构象动力学
蛋白质折叠和构象动力学在生物体内，蛋白质是一种重要的生物大分子，它们在生命过程中起着关键的作用。
蛋白质的折叠和构象动力学是研究蛋白质三维结构形成和变化的过程，对于了解蛋白质的结构与功能之间的关系至关重要。
蛋白质的折叠是指在合适的环境条件下，蛋白质线性序列中的氨基酸通过静电作用、氢键、疏水相互作用等力的作用，从无规则的状态逐渐形成具有稳定空间结构的过程。
蛋白质的三维结构是由其线性序列所决定的，具有广泛的结构多样性。
然而，蛋白质的三维结构和所扮演的功能密切相关。
因此，理解蛋白质折叠和构象动力学对于揭示蛋白质的生物学功能具有重要意义。
蛋白质折叠过程中，构象动力学是描述蛋白质结构转变的一种方法。
它主要包括了构象空间、构象转变和构象概率等概念。
蛋白质的构象空间是指它能够采取的所有可能的结构。
构象转变是指蛋白质从一个构象状态转变为另一个构象状态的过程。
构象概率是指在给定条件下，蛋白质处于某一特定构象状态的概率。
通过对蛋白质折叠和构象动力学的研究，可以揭示蛋白质结构的动态变化和调控机制。
蛋白质折叠和构象动力学的研究方法主要包括实验技术和计算模拟两种。
实验技术可以通过核磁共振、X射线晶体学、质谱法等手段对蛋白质的结构和动态变化进行直接观测。
计算模拟则是通过数值计算和模拟的方法，模拟和预测蛋白质的折叠和构象动力学行为。
这些方法相互结合，可以提供全面的蛋白质折叠与构象动力学研究的信息。
过去的研究表明，蛋白质的折叠和构象动力学受多种因素影响。
其中，温度、溶剂、离子强度等环境条件对蛋白质的折叠和构象状态具有重要的影响。
此外，蛋白质本身的线性序列、氨基酸组成、物理化学性质等也对蛋白质的折叠和构象动力学起着关键作用。
而蛋白质的折叠错误或构象变化异常与多种疾病的发生和发展密切相关，如神经退行性疾病、癌症等。
因此，深入研究蛋白质的折叠和构象动力学对于疾病的预防和治疗具有重要意义。
未来的研究方向包括进一步发展实验技术和计算模拟方法，以更全面、准确地研究蛋白质的折叠和构象动力学。
生物物理学中的蛋白质折叠问题
生物物理学中的蛋白质折叠问题蛋白质是生命体中不可或缺的组成部分，因其多变的结构和复杂的功能而备受研究者的关注。
然而，研究人员在揭开蛋白质世界的奥秘时遇到了一个令人费解的难题——蛋白质折叠问题。
蛋白质分子是由多个氨基酸残基通过肽键连接而成的链状结构，折叠过程是指这条链在特定条件下形成其稳定的三维结构的过程。
蛋白质的折叠状态决定了其功能和活性，因此对于理解蛋白质的结构与功能关系具有重要意义。
然而蛋白质的折叠过程并非简单直接。
一条蛋白质链上的氨基酸数目可以达到几百个，而氨基酸有20种不同的种类，每种氨基酸又有多种不同的构象。
因此，不同的氨基酸序列会使蛋白质在折叠过程中面临大量的可能性和选择性，这就是蛋白质折叠问题的复杂性所在。
蛋白质的折叠过程受到多种因素的影响，包括温度、pH值、离子浓度、化学性质等。
在生物体内，蛋白质的折叠过程主要由分子伴侣——分子伴侣能够帮助蛋白质完成正确的折叠，并防止其错误地聚集或失去功能。
这些分子伴侣的存在是为了保证细胞内正常的蛋白质折叠过程，从而维持细胞的正常功能。
虽然有很多已知的分子伴侣参与到蛋白质折叠中，但是，仍然有许多问题有待探索。
首先，我们还不能准确地预测一条蛋白质链的折叠结构，并且目前的理论和计算方法在预测蛋白质的折叠结构方面还存在较大的误差。
这种误差可能来自于我们对蛋白质折叠过程中各种相互作用力的理解不足，也可能是由于计算方法限制造成的。
其次，蛋白质的折叠还受到许多非线性因素的影响，包括离子效应、水作用力和热力学效应等。
这些非线性因素使得蛋白质的折叠过程更加复杂和困难，也为我们提出了更多的谜题和挑战。
最后，研究人员还发现，蛋白质的折叠与其在疾病中的角色有着密切的关系。
例如，许多与神经系统相关的疾病，如阿兹海默症和帕金森病，与蛋白质的异常折叠和聚集有关。
因此，深入研究蛋白质折叠问题不仅可以揭示蛋白质功能和结构的基本原理，还可以为疾病的预防和治疗提供重要的理论依据和方法。
蛋白质折叠及结构的决定因素
蛋白质折叠及结构的决定因素蛋白质是生物体中最为关键的分子之一，它们不仅参与到几乎所有细胞的生命活动中，还具有多样的功能，如催化反应、传递信号、提供力学支持等。
蛋白质的功能多样性来自于其特定的三维结构，而这种结构是由蛋白质的氨基酸序列决定的。
蛋白质的折叠和结构是由各种因素共同作用的结果。
本文将探讨蛋白质折叠及结构的决定因素，并深入了解它们的重要性。
首先，氨基酸序列是决定蛋白质折叠及结构的关键因素之一。
蛋白质的折叠是指其线性氨基酸序列在特定的条件下形成稳定的三维结构的过程。
蛋白质的氨基酸序列中，氨基酸的种类、序列和数量都对蛋白质的结构起到了重要的影响。
例如，氨基酸的大小、电性、疏水性以及特殊结构（如芳香性环）等性质都会影响蛋白质的结构。
此外，氨基酸序列中的不同残基之间的相互作用也会影响蛋白质的折叠。
通过对氨基酸序列及其相互作用的理解，科学家们可以预测蛋白质的折叠和结构，并设计新的蛋白质。
除了氨基酸序列，环境因素也对蛋白质折叠及结构的形成起到了重要作用。
蛋白质的折叠过程通常发生在细胞内，在细胞外环境下很难得到和维持其正确的结构。
这是因为细胞内环境提供了一系列能使蛋白质折叠和定位的条件，如正确的温度、pH值、离子浓度等。
此外，蛋白质在翻译的同时可能会与辅助蛋白质或伴侣分子进行交互，以帮助其正确折叠。
这些环境因素通过与氨基酸序列相互作用，协同起来促进蛋白质的正确折叠。
同时，蛋白质折叠和结构的决定因素还包括热力学和动力学因素。
蛋白质的折叠是一个高度复杂的物理过程，涉及到各种化学反应和相互作用。
在折叠过程中，蛋白质需要克服各种能量障碍，包括溶剂化能，电静势能和构象熵等。
热力学的支配使得蛋白质在一个结构自由能最低的状态下折叠成最稳定的构象。
动力学因素包括时间尺度、反应路径和能垒等，决定了蛋白质折叠的速度和路径。
理解这些热力学和动力学因素对于揭示蛋白质折叠过程中的关键步骤和亚稳态非常重要。
此外，分子伴侣和其它细胞内机制也对蛋白质折叠及结构的决定起到了重要作用。
第4章 蛋白质折叠
细菌中含有二硫键蛋白 质的氧化和异构化过程
。
DsbA蛋白负责氧化， DsbB是参 与重新氧化DsbA的一个膜蛋白。 还原形式的DsbC催化异构化过程 。DsbC的还原态由DsbD维持。
在真核生物中，只有 PDI1个蛋白在内质网中 既负责氧化也负责异构 化过程。
PDI的重新氧化由FAD依赖型内 质网氧化还原蛋白完成。
蛋白质折叠研究的背景
遗传信息的传 递
DNA
RNA Proteins
实质上是多肽链
肽链 ？ 有活性的蛋白 质天然构象
遗传信息的传递应该是从核苷酸序列到有完 整结构的功能蛋白质的全过程。
第二遗传密码
▪ 多肽链的一级结构决定它的空间结构，既然前 者决定后者，一级结构和空间结构之间一定存 在某种确定的关系，这是否也像核苷酸通过 “三联密码”决定氨基酸顺序那样有一套密码 呢？
肽基脯氨酰顺反异构酶 (PPI)
PPI广泛分布于各种生物体及各种组织中， 多数定位于胞浆，但也存在于大肠杆菌的外周质、 红色面包霉的线粒体基质、酵母、果蝇和哺乳动 物的内质网。
肽基脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形 成的限速酶，在细胞中通过非共价键方式，稳定 扭曲的酰胺过度态，而催化肽基脯氨酰顺反式的 相互转变。在肽链合成后需形成顺式构型时，可 使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。
顺式 环 反式 环
在未结合和结合GroES时GroEL结构域的重排
未结合配体 的GroEL
结合了ATP和GroES 的GroEL
球棍模型：疏水侧链
分子伴侣的主要作用——
为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天
然空间构象的微环境。
GroEL/GroES系统促进蛋白质折叠过程
折叠酶
▪ 蛋白质多肤链的折叠过程中，还需要酶的催化， 称之为折叠酶。它们催化与蛋白质折叠直接有 关的、对形成功能构象所必需的共价键变化， 帮助蛋白质正确折叠。
蛋白质折叠的热力学和动力学
蛋白质折叠的热力学和动力学药学院 10489629 苟宝迪蛋白质是一种生物大分子，基本上是由20种氨基酸以肽键连接成肽链。
肽链在空间卷曲折叠成为特定的三维空间结构。
有的蛋白质由多条肽链组成，每条肽链称为亚基，亚基之间又有特定的空间关系，称为蛋白质的四级结构。
所以蛋白质分子有非常特定的复杂的空间结构。
诺贝尔奖得主Anfinsen认为每一种蛋白质分子都有自己特有的氨基酸的组成和排列顺序，由这种氨基酸排列顺序决定它的特定的空间结构。
具有完整一级结构的多肽或蛋白质, 只有当其折叠形成正确的三维空间结构才可能具有正常的生物学功能. 如果这些生物大分子的折叠在体内发生了故障, 形成错误的空间结构, 不但将丧失其生物学功能, 甚至会引起疾病.蛋白质异常的三维空间结构可以引发疾病，疯牛病、老年性痴呆症、囊性纤维病变、家族性高胆固醇症、家族性淀粉样蛋白症、某些肿瘤、白内障等等都是“折叠病”。
蛋白质折叠的研究（图1[1]），是生命科学领域的前沿课题之一。
不仅具有重大的科学意义，而且在医学和在生物工程领域具有极大的应用价值。
图1蛋白质折叠的热力学研究蛋白质折叠的研究，比较狭义的定义就是研究蛋白质特定三维空间结构形成的规律、稳定性和与其生物活性的关系。
这里最根本的科学问题就是多肽链的一级结构到底如何决定它的空间结构？X-射线晶体衍射是至今为止研究蛋白质结构最有效的方法, 所能达到的精度是其它任何方法所不能比拟的. 但是, 蛋白质分离纯化技术要求高, 蛋白质晶体难以培养,晶体结构测定的周期较长, 从而制约了蛋白质工程的进展. 随着近代物理学、数学和分子生物学的发展, 特别是计算机技术的进步, 人们开始用理论计算的方法, 利用计算机来预测蛋白质的结构. 同源模建方法是最常用、最有效的蛋白质结构预测方法. 但是, 利用同源模建方法预测蛋白质结构时, 需用同源蛋白质的已知结构作为模板. 当缺乏这种模板结构时, 预测则很难奏效. 这是该方法的天生缺陷. 是否能从蛋白质序列出发, 直接预测蛋白质的结构?从理论上最直接地去解决蛋白质的折叠问题，就是根据测得的蛋白质的一级序列预测由Anfinsen原理决定的特定的空间结构。
蛋白质聚集的热力学和动力学特征分析
蛋白质聚集的热力学和动力学特征分析蛋白质是生物体内重要的功能性分子，其正确的折叠状态对于维持生命活动至关重要。
然而，一些特定条件下，蛋白质会发生异常聚集，形成聚集体，导致细胞代谢紊乱甚至引发疾病。
因此，深入了解蛋白质聚集的热力学和动力学特征对于阐明其相关疾病的发生机制以及寻找相应的治疗策略至关重要。
一、蛋白质聚集的热力学特征分析在研究蛋白质聚集的热力学特征时，我们通常关注以下几个方面：1.1 热稳定性蛋白质的折叠状态受到温度的影响，高温或者低温会导致蛋白质的变性和聚集。
通过测定蛋白质的熔点（Tm）可以了解其热稳定性。
常用的方法包括差示扫描量热仪（DSC）和荧光蛋白熔解曲线分析。
1.2 pH和离子强度敏感性蛋白质的pH和离子强度对其折叠状态和聚集性质有显著影响。
通过调控环境条件，如溶液pH值和离子强度，可以研究蛋白质聚集的热力学特征。
例如，使用光散射和动态光散射等技术可以分析蛋白质在不同pH值和离子强度下的聚集状态。
1.3 热力学模型利用热力学模型可以描述蛋白质聚集的热力学特征。
如，利用Langmuir模型可以描述蛋白质在溶液中的聚集平衡。
此外，还可以利用扩散限制聚集模型和核化聚集模型等来分析蛋白质聚集的热力学特征。
二、蛋白质聚集的动力学特征分析除了热力学特征，蛋白质聚集的动力学特征也是关键所在。
以下是常用的分析方法：2.1 速率常数研究蛋白质聚集的动力学特征时，我们通常利用速率常数来描述聚集反应的速率。
通过测定聚集反应的速率常数，可以了解蛋白质聚集的动力学特征和反应机理。
2.2 聚集动力学模型利用聚集动力学模型可以揭示蛋白质聚集的动力学特征。
常见的动力学模型包括核化成长模型、聚合物动力学模型等。
这些模型可以用来分析蛋白质聚集的速率常数和聚集机制。
2.3 聚集过程可视化通过荧光共振能量转移（FRET）等技术，可以直接观察蛋白质聚集过程。
这种可视化的分析方法对于揭示蛋白质聚集的动力学特征和聚集机理至关重要。
蛋白质折叠原理
蛋白质折叠蛋白质折叠（Protein folding）是蛋白质获得其功能性结构和构象的过程。
通过这一物理过程，蛋白质从无规则卷曲折叠成特定的功能性三维结构。
在从mRNA序列翻译成线性的肽链时，蛋白质都是以去折叠多肽或无规则卷曲的形式存在。
结构决定功能，仅仅知道基因组序列并不能使我们充分了解蛋白质的功能，更无法知道它是如何工作的。
蛋白质可凭借相互作用在细胞环境（特定的酸碱度、温度等）下自己组装自己，这种自我组装的过程被称为蛋白质折叠。
蛋白质折叠问题被列为“21世纪的生物物理学”的重要课题，它是分子生物学中心法则尚未解决的一个重大生物学问题。
从一级序列预测蛋白质分子的三级结构并进一步预测其功能，是极富挑战性的工作。
研究蛋白质折叠，尤其是折叠早期过程，即新生肽段的折叠过程是全面的最终阐明中心法则的一个根本问题，在这一领域中，近年来的新发现对新生肽段能够自发进行折叠的传统概念做了根本的修正。
这其中，X射线晶体衍射和各种波谱技术以及电子显微镜技术等发挥了极其重要的作用。
第十三届国际生物物理大会上，Nobel奖获得者Ernst在报告中强调指出，NMR用于研究蛋白质的一个主要优点在于它能极为详细的研究蛋白质分子的动力学，即动态的结构或结构的运动与蛋白质分子功能的关系。
目前的NMR技术已经能够在秒到皮秒的时间域上观察蛋白质结构的运动过程，其中包括主链和侧链的运动，以及在各种不同的温度和压力下蛋白质的折叠和去折叠过程。
蛋白质大分子的结构分析也不仅仅只是解出某个具体的结构，而是更加关注结构的涨落和运动。
例如，运输小分子的酶和蛋白质通常存在着两种构象，结合配体的和未结合配体的。
一种构象内的结构涨落是构象转变所必需的前奏，因此需要把光谱学，波谱学和X 射线结构分析结合起来研究结构涨落的平衡，构象改变和改变过程中形成的多种中间态，又如，为了了解蛋白质是如何折叠的，就必须知道折叠时几个基本过程的时间尺度和机制，包括二级结构（螺旋和折叠）的形成，卷曲，长程相互作用以及未折叠肽段的全面崩溃。
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折叠机制的理论模型
5.拼版模型（Jig-Saw Puzzle Model） 此模型的中心思想就是多肽链可以沿多条不同的途径进行折叠, 在沿每条途 径折叠的过程中都是天然结构越来越多, 最终都能形成天然构象, 而且沿每条 途径的折叠速度都较快, 与单一途径折叠方式相比, 多肽链速度较快, 另一方面, 外界生理生化环境的微小变化或突变等因素可能会给单一折叠途径造成较大的 影响，而对具有多条途径的折叠方式而言, 这些变化可能给某条折叠途径带来
未折叠的状态包含很多具有 不同构象的分子。
疏水作用是熵驱动的自发过程
当疏水化合物或基团进入水中，它周围的水分子 将排列成刚性的有序结构，即形成所谓笼形结构， 最常见的就是五角形十二面体笼形结构，这种结 构比冰更为有序。 但当疏水作用发生时，笼型结构被破坏，这部分 水分子被排入自由水中，使得体系的混乱度增加， 即熵值增加。 同时，疏水基团的聚集是有序化的过程，熵值减 少，但其变化值不大，一般对蛋白质折叠不起主 要作用。
疏水作用是熵驱动的自发过程
疏水作用是多肽链折叠的主要驱动力，疏水 作用的主要动力来自于蛋白质溶液体系的 熵值的增加。
2.吉布斯自由能判据和蛋白质折叠
ΔG= ΔH- TΔS
吉布斯自由能变化应同时考虑多肽链和溶剂两 者对体系焓值变化和熵值变化的贡献
ΔG总=ΔH链+ΔH溶剂- TΔS链- TΔS溶剂
(T为绝对温度)
因此，当熵增加时，系统的自由能便会下
降
在一个反应中，如果产物比反应物含 有更少的自由能，这个反应便趋向于自发地 进行
物理和化学过程达到平衡时， 即达到系统的自由
能最小而熵最大
二、蛋白质折叠的热力学定律
熵判据和蛋白质折叠
自由能判据和蛋白质折叠
蛋白质折叠的热力学假说
1.熵判据和蛋白质折叠
影响, 但不会影响另外的折叠途径, 因而不会从总体上干扰多肽链的折叠, 除非
这些因素造成的变化太大以致于从根本上影响多肽链的折叠。
五、蛋白质折叠研究意义
生物工程应用
认识与折叠有关的疾病
蛋白质分子设计
。。。。。。
六、蛋白质折叠研究意义
解决异源表达不能正确折叠形成包涵体这一生物工程中的瓶颈问 题。
折叠机制的理论模型
2.疏水塌缩模型（Hydrophobic Collapse Model）
在疏水塌缩模型中，疏水作用力被 认为是在蛋白质折叠过程中起决定性 作用的力的因素。在形成任何二级结 构和三级结构之前首先发生很快的非 特异性的疏水塌缩。——疏水内核包 埋
折叠机制的理论模型
3.扩散-碰撞-粘合机制 （Diffusion-Collision-Adhesion
沧海桑田 生老病死 花开花落 风雨雷电
万事万物变化的规律是什么？
一切自然界的过程是有方向性的 如： 热的传递：总是从高温物体自动传向低 温物体，直至平衡（即温度均一）。
气体的流动：从高压处自动流向低压处， 直至各处压强相等。
电流：总是从高电势自发的流向低电势处， 直至各处的电势相等，等等。
1.热力学第一定律
分子伴侣和折叠酶帮助越过能障
折叠能量“地貌”原理图
未折叠的蛋白具有高的构
象熵和高的能量。
折叠过程中漏斗变窄表示 构象的种类下降。
两边的低洼处表示半稳定
的中间体，这些中间体可
以减慢折叠过程。
底部表示所有的中间体都 到达了天然结构。
有人提出
若某一多肽链具有2种低能量状态：一种 是天然构象，一种是非天然构象，而且 处于这2种能量状态的多肽链的相互转变 由于要克服较高的能垒而难以实现，那 么在蛋白折叠过程中会有2种途径相互竞 争，一种是正确折叠成天然构象的途径， 另一种是错误折叠成稳定的非天然构象 途径。
对蛋白质错误折叠引起的折叠病—在医学上不仅开辟了与分子伴
侣和应激蛋白有关的新的研究领域，也开创了广阔的应用前景。
开辟蛋白设计的新领域—自然界不存在的全新的、具有某些特定
性质的蛋白质。
目前生物制药大多采用大肠杆菌作为宿主细胞
效率高、产量大 周期短、成本低 工艺稳定、质量可控
缺点是易形成包含体
1.The Levinthal Paradox
当蛋白折叠是构象搜索时，将会有太多的构象需 要尝试。 仅仅考虑蛋白的主链，每个残基在未折叠时假设 只有3个构象，对一个有100AA的多肽来说将有 3100 构象。 如果构象搜索的速度是 1012 构象/s，需要5 x 1035 s (1.6 x 1028 y) 蛋白质折叠不是随机的，而是有捷径的。
在孤立体系或绝热体系中系统一切可以发生
的过程要么是熵变为0（可逆，平衡态），
要么熵变大于0（不可逆）。熵不可能减小，
即熵总是增大的。
2.2热力学第二定律 之自由能判据
H表示
在恒定温度和压力条件下总能量中可以做
功的那一部分能量为自由能，以G表示
DG = DH-TDS
对于典型的蛋白质来说,对折叠结构的稳定性做出单项最大贡献的 是疏水残基引起的ΔS溶剂。
在不同类型的蛋白质中,总熵变化和总焓变化所做的贡献是不同的, 但结果一样,蛋白质折叠结构是生理条件下自由能最低的构象。因 此,从吉布斯自由能的变化值来考虑,多肽链的折叠是热力学中的 自发过程
3.“热力学假说”
大肠杆菌表达的重组蛋白易形成包含体
• 高效表达的目的蛋白
在大肠杆菌内形成大
• 因无法有效的解决复
性问题，在美国每年 造成的经济损失就达 几十亿美元
包含体电镜图
量无活性包含体。
1、生物工程应用
“瓶颈”问题：在简单的微生物细胞内引入异体
DNA后所合成的多肽链往往不能正确折叠成为
有生物活性的蛋白质而形成不溶解的包含体或
折叠态蛋白质与伸展态相比,是一种高度有序化 的结构, 因此ΔS链是负数, 则-TΔS链为正值。 ΔH链对疏水侧链为正值,从而有利于伸展态。
ΔH溶剂对疏水侧链是负值,有利于折叠态。这是因为蛋白质处于 折叠态时,许多水分子之间的相互作用将代替水分子和疏水侧链的 相互作用。 ΔH链与ΔH溶剂值都不大,一般对折叠不起主要作用。 蛋白质折叠过程中会打破水的有序化,则ΔS溶剂为较大的正值,因 而有利于折叠态。
2.热力学第二定律的经典表述
1.克劳修斯：不可能将热从低温物体转到 高温物体，而不引起其它的变化。
2．开尔文：不可能从单一的热源取出热使 之完全转化为功，而不发生其它的变化。
2.1热力学第二定律 之熵判据
热力学将不能做功的随机和无
序状态的能定义为熵，以S表 示
宇宙或系统的各种过程总向着 熵增大的方向进行
天然蛋白质多肽采取的构象是在一定环 境条件下热力学上最稳定的构象，采取 天然构象的多肽链和它所处的一定环境 条件（如溶液组分、pH、温度、离子强 度等）整个系统的自由能最低，所以处 于变性状态的多肽链在一定的环境条件 下能够自发折叠成天然构象。
三、蛋白质折叠的动力学
The Levinthal Paradox 中间体 动力学假说
折叠机制的理论模型
4.成核-凝聚-生长模型（Nuclear-Condensation-Growth Model） 根据这种模型，肽链中的某一区域可以形成“折叠晶核”，以 它们为核心，整个肽链继续折叠进而获得天然构象。所谓“晶核” 实际上是由一些特殊的氨基酸残基形成的类似于天然态相互作用的 网络结构，这些残基间不是以非特异的疏水作用维系的，而是由特 异的相互作用使这些残基形成了紧密堆积。晶核的形成是折叠起始 阶段限速步骤。
第四章 蛋白质的折叠的热力学与 动力学
杨学习
一、热力学和动力学基础
热力学
研究热现象中物质系统在平衡时的性质和建 立能量的平衡关系，以及状态发生变化时系 统与外界相互作用的学科。
动力学基础
研究作用于物体的力与物体运动的关系
世界处于永恒的运动变化之中：
地壳： 人生： 植物： 气象：
2.中间体
在蛋白质从变性态折叠成天然态的过程 中，通常要经历若干个中间的分子构象 状态，即蛋白折叠中间体，也叫做部分 折叠态。它们通常具有部分天然蛋白的 结构，相对分子量相同，是分子构象不 同的同一种蛋白质。
熔球态 (melton globule)
熔球态是折叠的中间体，快速步骤，在折 叠途径中第一个可观测的、柔性无序的未 折叠多肽链卷折成局部有组织的球状态， 称为熔球体。 熔球体的形成的驱动力：疏水侧链的包埋
Model）
该模型认为蛋白质的折叠起始于伸展肽链上的几个位点，在这 些位点上生成不稳定的二级结构单元或者疏水簇，主要依靠局部 序列的近程或中程（3-4个残基）相互作用来维系。它们以非特异 性布朗运动的方式扩散、碰撞、相互黏附，导致大的结构生成并 因此而增加了稳定性。进一步的碰撞形成具有疏水核心和二级结 构的类熔球态中间体的球状结构。球形中间体调整为致密的、无 活性的类似天然结构的高度有序熔球态结构。最后无活性的高度 有序熔球态转变为完整的有活力的天然态。
帕金森氏症（Parkinson disease）
某些肿瘤
不仅仅受“热力学”控制，也受到“动力学” 的控制。
The rules governing protein folding are complex
热力学 动力学
特殊蛋白
？？？
被列为“21世纪的生物物理学”的重要课题
四、折叠机制的理论模型