蛋白质折叠机理的研究进展

蛋白质折叠机理的研究进展

凌发忠

（专业:生物化学与分子生物学学号：D201002034)

摘要：研究蛋白质的折叠，是生命科学领域的前沿课题之一。蛋白质是一种生物大分子，多是由20种氨基酸以肽键连接成肽链。肽链在进一步空间卷曲折叠成为特定的空间结构，包括二级结构和三级结构。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。因此蛋白质分子往往具有特定的复杂的空间结构。但这并没有停止人类的探索，反而激励人们尝试寻找类似遗传密码子的蛋白质密码。本文将对蛋白质折叠的研究概况以及意义进行综述，并在此基础之上对今后蛋白质折叠的研究提出了一些自己的看法。

关键词：蛋白质折叠机理分子伴侣

1．引言

蛋白质折叠是生物学中心法则中至今尚未解决的一个重大生物学问题。[1]蛋白质像是一个微小而精密的机器。在蛋白质实现它的生物功能之前，它们会把自己装配起来。虽然蛋白质折叠是对所有的生物体系来说最重要的和最基本的过程，但这个过程对人类而言仍然是个未解之谜。此外，如果蛋白质没有正确的折叠会导致严重的后果，包括许多知名的疾病，比方阿兹海默症(Alzheimer's)，疯牛病(Mad Cow, BSE)，可传播性海绵状脑病(CJD)，肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS)和其他多种癌症及其相关的综合病症。这也成为近年来刺激人们探索蛋白质结构机理的一个重要原因之一。

2．蛋白质折叠研究概括

2.1分子生物学的中心法则

根据分子生物学中心法则，生物遗传信息的传递是由 DNA 到 RNA、RNA 到蛋白质多肽链、再由多肽链形成具有生物活性的蛋白质进行的。目前对前两者的过程已有相当深入和清晰的了解，但对后者尚不十分清楚。因此可以说蛋白质折叠是生物学中心法则中至今尚未解决的一个重大生物学问题。

通过蛋白质折叠的研究发现一级结构和空间结构之间存在某种确定的关系，那么是否像核苷酸通过“三联密码”决定氨基酸顺序那样有一套密码呢？有人把这设想的一级结构决定空间结构的密码叫作“第二遗传密码”。如果存在的话，那就可以直接从理论上去解决蛋白质的折叠问题，这是蛋白质研究最后几个尚未揭示的奥秘之一。现已经观察出 mRNA 的二级结构单元数与其编码的蛋白质二级结构（α－螺旋与β－折叠）单元数之间存在明显的相关性,二者的总符合率为 97.3%，相关系数达 0.99；其次，mRNA二级结构中5ˊ端至3ˊ端的每一发夹或复合发夹与PDB数据库所提供的蛋白质N端至C端的每一个α－螺旋或β－折叠之间存在几乎是一一对应的现象。通过上述数据可以看出，mRNA的三维结构和蛋白质的三维结构中确实存在某种相关。[2]

2.2蛋白质折叠的热力学和动力学

蛋白质折叠根本的科学问题是具有完整一级结构的多肽链又是如何折叠成为它特定的高级结构？这是一个折叠的动力学的问题，长期以来，主要用体外的实验方法研究，虽然已有四五十年，但至今尚未解决。

由 Anfinsen等[3]根据对 RNase 复性研究的经典实验提出的“热力学假说”认为一级结构决定高级结构。他们认为天然蛋白质多肽链所采取的构象是在一定环境条件下热力学上最

稳定的结果，采取天然构象的多肽链和它所处的一定溶液组分、PH、温度、离子强度等环境条件下整个系统的总自由能最低，所以处于变性状态的多肽链在一定的环境条件下能自发折叠成天然构象。“热力学假说”提出后，得到了许多实验证据的证明，因此得到广泛支持。

Bakei，D.等[4]认为，对某些蛋白质而言，天然构象也许并非是多肽链自由能最低状态或唯一的低能量状态，多肽链采取的某些非天然构象也很稳定。若某一多肽链具有两种低能量状态：一种是天然构象，一种是非天然构象，而且处于这两种低能量状态的多肽链相互转变由于要克服较高的能垒而难以实现。那么在蛋白质折叠过程中就会有两种途径相互竞争。一种是正确折叠形成天然构象的途径，另一种是错误折叠成稳定的非天然构象的途径。蛋白质多肽链之所以能正确折叠是由于一些因素在蛋白质折叠的动力学过程中起着控制作用，促进多肽链走入正确折叠途径。

蛋白质的折叠是遵循“热力学假说”的，从高能态向低能态转变，但在这个过程中会受到动力学上的控制，热力学控制与动力学控制在蛋白质多肽链的折叠反应中是统一的，不同的蛋白质的折叠过程中所体现出来的二者所起作用大小可能有所不同。

2.3 蛋白质折叠的研究概况

我们知道，多数蛋白质在体外是不稳定的，外界环境的变化，如温度、酸度等，都可以导致空间结构的破坏和生物活性的丧失，但却并不破坏它的一级结构，这称为蛋白质的变性。变性的蛋白质往往成为一条伸展的肽链，由于一级结构仍然完整，根据 Anfinsen [3]原理它应该可以在一定的条件下重新折叠成原有的空间结构并恢复原有的活性。这就是长时间来在体外研究蛋白质折叠的基本模型。目前的实验和理论研究多以小分子量、单链蛋白质为模拟体系，这类蛋白质通常采用稀释法折叠、复性，其中研究最多的模型蛋白是溶菌酶。[5]对蛋白质折叠的研究，最早从Anfinsen的RNase重折叠实验开始，证明蛋白质的三级结构信息完全地包含在多肽链氨基酸排列顺序的一级结构之中，打开了体外研究的大门。

1970年Tan ford的文章详细讨论了各种变性条件下的蛋白质变性过程，之后开始用物理化学的方法讨论蛋白质去折叠和折叠过程中各种热力学参数的变化，熵、焓、热容以及疏水面的暴露程度等，80年代末之前，着重于蛋白质的整体热力学描述。

八十年代中期，随着分子克隆技术的应用，开始通过对逐个氨基酸残基的突变，探讨各个位点和不同氨基酸残基种类对于蛋白质分子热力学稳定性和折叠动力学的影响。以AR Fersht为代表，[6]通过双跳停流、稳态变性、NMR追踪等实验手段，构建热力学循环和能级图等理论方法，比较野生型和突变体之间的热力学参数变化。

九十年代以后，随着科技的进步，人们开始利用荧光、Stopped-flow、圆二色等先进的监测手段为蛋白质折叠的研究不仅提供了折叠过程的大量信息，能够较容易地对蛋白质折叠进行监控。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。Ugo Mayor 等[7]利用溶液 X-射线散射检测到 En-HD蛋白折叠过程中的过渡态。同时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. 近年来, 蛋白质结构预测, 特别是蛋白质折叠预测方面的研究不断取得新的进展.从头预测法用于蛋白质折叠预测获得了很好的结果,Jose等[8]对若干测试蛋白质所作的预测与 X-射线衍射测定的折叠结构已相当接近。也有人用快速测定方法去追踪蛋白质重折叠的全过程，尽可能捕捉折叠过程中的每一个中间状态。蛋白质不同阶段的折叠速度不同，有的比较慢，比较容易发现和捕捉；但有的非常快，必须要有特殊的设备配合各种测试技术去进行研究。大幅度降低温度可以使蛋白质折叠速度减慢而得以追踪，从而最终定量地描述整个折叠的动态过程。Valerie D等[9]利用一种经过标记的RNA酶变性过程结合计算机模拟蛋白质折叠轨迹。

2.4蛋白质折叠与分子伴侣

分子伴侣是一组从细菌到人广泛存在的蛋白质，非共价地与新生肽链和蛋白质肽链结合，