第四章 蛋白质的折叠的热力学与动力学

热力学第一定律即能量
守恒定律

宇宙的能量是一个常数，
能量可以不断被转化和
转移，但不可能被创造， 也不可能被消灭
热力学第二定律

人们曾试图用热力学第一定律所建立的状态 函数判断：在一定的条件下，一化学变化或物 理变化能否自发的进行？进行到何种程度？


其中比较著名的是汤姆逊—塞罗规则：
在没有外来能量的干预下，一切化学变化都是朝着放出能量最多的方向 进行。即，凡放热反应能自动进行，而吸热反应均不能自动进行。
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

(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
1型人胰岛素生长因子实验


存在2种稳定构象
天然构象 错配二硫键的非天然构象

多肽链具相似自由能 但二级结构成分不同
3.“动力学假说”

90年代辅助蛋白(Accessory protein ) 的发 现——细胞内新生肽段的折叠一般意义上说是 需要帮助的，而不是自发进行的。

帮助蛋白质折叠的生物大分子主要是分子伴侣 和折叠酶。
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。
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
然而，更多的研究发现：有不少吸热反应 也能自动进行。
C（s）+ H2O（g）==CO（g）+ H2（g） 是一个吸热反应，但仍能自动的进行。
热力学第一定律只能告诉人们一化学反应
中的能量效应，却无法解释，一定条件下，
一个化学反应能否自动进行及进行到何种程 度。也即无法解决化学变化的方向和限度问 题。

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

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பைடு நூலகம்的理论模型
1框架模型（Framework Model）
框架模型假设蛋白质的局部构象依赖于局部的氨 基酸序列。在多肽链折叠过程的起始阶段, 先迅速形 成不稳定的二级结构单元； 随后这些二级结构靠近 接触, 从而形成稳定的二级结构框架；最后，二级结 构框架相互拼接，肽链逐渐紧缩，形成了蛋白质的 三级结构。这个模型认为即使是一个小分子的蛋白 也可以一部分一部分的进行折叠, 其间形成的亚结构 域是折叠中间体的重要结构。
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
被降解。

这一“瓶颈”问题的彻底解决有待于对新生肽 链折叠更多的认识。
体外分子伴侣的实际应用
★分子伴侣GroEL相当于无活性蛋白的亲
合配基；
★利用固定化小分子伴侣对体外无活性蛋
白进行复性；
★利用人工合成分子伴侣。
2.与折叠有关的疾病(“构象 病”)

“分子病”:由于基因突变造成蛋白质分子中仅仅
一个氨基酸残基的变化就引起疾病的情况，如地 中海镰刀状红血球贫血症 “折叠病”:蛋白质分子的氨基酸序列没有改变， 只是其结构或者说构象有所改变引起的疾病。
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
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

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。
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。
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：

帕金森氏症（Parkinson disease）


某些肿瘤

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。



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”

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
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。
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
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
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
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。


由于蛋白质折叠异常而造成分子聚集甚至沉淀或
不能正常转运到位
常见“折叠病”

老年性痴呆症(Alzheimer syndrome)

病人脑中充满了由错误折叠蛋白形成的杂乱的蛋白质 簇。主要分为两类：含有沉淀样β 蛋白（A β ）的沉淀 样斑，tau蛋白引起的神经细胞内自损伤。 主要是由于蛋白质的错误折叠，病人随意运动的控制 能力逐渐丧失，因为能产生多巴胺的神经细胞逐步被 破坏，其原因和发生机制尚不清楚。 抑癌基因突变造成抑癌基因编码的蛋白质稳定性改变 引起的一些癌症的发生。p53稳定性的降低导致癌症的 发生。

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。