蛋白质折叠.
蛋白质的折叠与疾病
蛋白质的折叠与疾病蛋白质是生命体内组成最基本的宏分子之一，对维持细胞结构和功能发挥着重要作用。
然而，蛋白质的功能不仅仅取决于其氨基酸序列，还与其三维结构密切相关。
蛋白质正常的折叠状态对于其正确功能的发挥至关重要。
本文将探讨蛋白质的折叠及其与疾病之间的关系。
一、蛋白质折叠的基础知识蛋白质折叠是指蛋白质将线性的氨基酸序列折叠成特定的三维结构。
在细胞内，蛋白质折叠主要由两类作用驱动：氢键和疏水效应。
氢键是分子间相互作用中的一种常见形式，它可以稳定分子的结构。
疏水效应是指通过氢键形成相互排斥的水分子，从而使蛋白质呈现出比较稳定的结构。
二、蛋白质折叠与疾病的关联尽管细胞内存在一系列机制来帮助蛋白质正确地折叠，但有时蛋白质折叠会出现错误。
这可能是由突变或环境因素引起的。
当蛋白质折叠错误时，可能导致其失去功能或形成聚集体。
这些异常的蛋白质聚集体被认为是引发多种疾病的根本原因之一。
1. 蛋白质聚集病蛋白质聚集病是由蛋白质折叠错误导致的一类疾病。
这些疾病包括阿尔茨海默病、帕金森病、肌萎缩侧索硬化症等。
在这些疾病中，蛋白质聚集体的形成会导致细胞功能丧失，从而引发疾病的发病和进展。
2. 传染性蛋白质病传染性蛋白质病是一类在蛋白质折叠错误的基础上，蛋白质聚集体具有传染性的疾病。
典型的例子是传染性海绵状脑病，该疾病通过正常蛋白质与异常蛋白质相互作用，导致正常蛋白质也出现错误折叠，从而形成新的传染性蛋白质聚集体。
三、研究蛋白质折叠与疾病的重要意义研究蛋白质折叠与疾病之间的关系对于预防和治疗相关疾病具有重要意义。
1. 了解疾病发生的机制通过研究蛋白质折叠与疾病之间的关联，可以深入了解疾病发生的机制和过程。
这有助于寻找针对性的治疗策略，从而防止疾病的发生和发展。
2. 发展新药物治疗方案针对蛋白质折叠错误引发的疾病，研究人员可以挖掘针对蛋白质折叠过程的干预药物。
这些药物可以促进正常的蛋白质折叠，阻止异常蛋白质聚集体的形成，从而提供治疗这类疾病的新方案。
蛋白质折叠及其功能
蛋白质折叠及其功能蛋白质是生命中非常重要的一类分子，它们在细胞代谢、信号传递和结构支撑等方面发挥着重要的作用。
然而，蛋白质并不是在细胞内直接形成的，而是需要通过折叠过程得到它们在三维空间中的具体结构。
蛋白质折叠不仅仅是一种生物化学现象，它还涉及到许多生理学和病理学问题。
因此，研究蛋白质折叠机制及其功能，对人类健康和生命科学研究有着重要的意义。
本篇文章将对蛋白质折叠及其功能进行探讨。
一、蛋白质折叠的基本过程蛋白质折叠是指线性氨基酸序列在水溶液中自发地形成特定的三维结构的过程。
这个过程需要消耗能量，一般可以分为三个阶段：初级结构的形成、次级结构的形成和终级结构的形成。
初级结构是指氨基酸在两个相邻碳原子之间的共价键，也就是肽键。
这些肽键组成了蛋白质的线性氨基酸序列。
次级结构是指当氨基酸链沿特定方向排列时，所形成的局部空间结构，例如α-螺旋和β-折叠片。
这些次级结构形成的基础是氢键，由蛋白质内部的纽带所组成。
终级结构则是指整个蛋白质的三维空间结构。
终级结构可以分为两类：定向的和无定向的。
定向的结构是指结构中各个部分的空间方向是有规律的，例如酶的活性部位。
无定向的结构则是指结构中各个部分的空间方向是随机的，例如抗体的抗原结合部位。
蛋白质折叠的机制非常复杂，涉及到各种作用力的协同作用。
这些作用力包括范德华力、氢键、离子键、疏水作用和金属配位键等。
二、蛋白质折叠与生命活动的关系蛋白质具有多种功能，例如酶、激素和抗体等生物活性物质。
这些功能往往依赖于蛋白质的特定三维结构，而它们的三维结构又取决于蛋白质折叠的质量和效率。
生物体中的蛋白质折叠和功能异常与一些疾病的发生有着密切的关系。
例如，阿尔茨海默病和帕金森病等神经系统疾病与蛋白质的异常折叠有关。
此外，癌症、糖尿病和肝病等疾病也与蛋白质的异常折叠有关。
因此，研究蛋白质折叠、蛋白质异常折叠和有关机制，对于预防和治疗这些疾病具有重要的理论和实践价值。
三、蛋白质折叠的研究方法蛋白质折叠的研究方法主要有三种：生化学方法、结构生物学方法和计算生物学方法。
第4章 蛋白质折叠
的密码叫作“第二遗传密码”。
完整的提法应该是遗传密码的第二部分， 即蛋白质中氨基酸序列与其空间结构的对应 关系，国际上称之为第二遗传密码或折叠密 码。
第二遗传密码的特点
简并性
在第一遗传密码中有所谓“简并性”，即同一
AA可以由不同密码子所编码，如CGA 和AGC 都编码为Arg，UCC 和AGU都编码为Ser等。
到底非天然构象的什么特征能被分子伴侣识别呢？
确切的原因还未知，目前只知道在天然构象
中，疏水残基多半位于分子的内部而形成疏水核，
去折叠后就可能暴露出来，或者在新生肽段的折叠
过程中，会暂时形成在天然构象中本应该存在于分 子内部的疏水表面，因此认为分子伴侣最有可能是 与疏水表面相结合。
分子伴侣的类型
=GropES+GropEL
凋亡，从而改善氧合功能，降低病死率。
增加心脏组织中Hsp70基因的表达，可使心脏具有
抵抗缺血或内毒素损伤的作用
近几年 ，有关Hsp70的研究已成为分子生物
学的一大热点，并逐渐成为临床多种疾病 治疗的新途径。由于Hsp能够对各种形式的
组织细胞损伤提供保护作用，随着研究的
深人，应用药物或基因工程等技术诱导Hsp 作为肺损伤的治疗方法颇具前景。
DNA 遗传信息的传递
肽链
RNA
Proteins
实质上是多肽链
？
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肯定存
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？
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
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。
蛋白质结构折叠方式及调控机制
蛋白质结构折叠方式及调控机制蛋白质是生物体内功能最为多样且最为重要的分子之一。
其功能多样性源于其特定的三维空间结构，而这种结构的形成则是通过蛋白质折叠过程实现的。
蛋白质的折叠方式及其调控机制对于维持细胞的正常功能以及预防疾病的发生都至关重要。
蛋白质折叠的方式主要包括原核细胞和真核细胞两种情况。
研究表明，在真核细胞中，蛋白质的折叠过程是在核糖体上进行的。
新合成的多肽链通过信号序列进入内质网（ER），并在ER中经历一系列复杂的折叠、剪接和修饰过程。
最终，蛋白质会被包装进囊泡中，然后经过高尔基体的运输途径，从而达到其目的细胞器或细胞膜上。
而在原核细胞中，蛋白质折叠则是在合成过程中实现的。
蛋白质折叠的过程中存在许多调控机制，其中最重要的是聚集素和分子伴侣的参与。
聚集素是一类调节蛋白质折叠和组装的分子，它们通过识别和结合部分折叠的蛋白质，帮助其正确地折叠为功能性蛋白质。
聚集素在调节折叠过程中起到了正确和高效的作用，对细胞内蛋白质的稳定性和功能发挥至关重要。
分子伴侣是一类能够与蛋白质一起工作的分子，它们可以通过与蛋白质结合来促进其正确折叠，并防止其进一步聚集或降解。
分子伴侣在细胞内发挥重要作用，帮助蛋白质正确折叠，从而保证其功能的正常发挥。
此外，在蛋白质折叠过程中，还涉及到许多辅助因子的参与。
这些辅助因子包括微管和分子伴侣等，它们通过调控折叠速率、防止聚集与降解等方式，对蛋白质的折叠起到了积极的影响。
微管是一种细胞骨架的重要组成部分，它在细胞内形成了一个复杂的网络结构，并与许多蛋白质相互作用，从而参与了蛋白质折叠的过程。
分子伴侣作为一种辅助因子，可以帮助蛋白质正确折叠，并协助其在适当的环境中发挥功能。
此外，蛋白质折叠的过程还受到细胞内环境的影响。
细胞内环境的变化，包括温度、pH等因素的变化，都会对蛋白质的折叠产生影响。
例如，高温、低温等极端环境条件会导致蛋白质的折叠失调，从而影响其功能的正常发挥。
另外，细胞内存在一些可以调控蛋白质折叠的辅助分子，这些分子会影响蛋白质的结构和稳定性，进而影响蛋白质的折叠。
蛋白质折叠
Anfinsen's dogma
按照自组装学说, 一级结构决定空间结构的密码叫作“第二遗传密码”。 每个蛋白多肽翻译从基因序列开始生成线性的氨基酸 链，这种多肽没有三维结构。然而链中氨基酸具有总 的化学特征：疏水的，亲水性，或带电，可被认为蛋 白质折叠机制 每一步折叠都是正确的，充分的，必要的。实际上折 叠过程是一个正确和错误途径相互竞争过程。边合成 边折叠同时进行的协调的动态过程。
分子伴侣（chaperon）
概念：伴随蛋白质构象正确形成的一类蛋白质。 类别： 分子伴侣蛋白 折叠酶 DNA分子伴侣 功能：① 结合疏水基团 ② 校正 ③ 指导二硫键正确配对等
分子伴侣提出
1987，Lasky首先将细胞核内能与组蛋白结合 并能介导核小体有序组装的核质素 （nucleoplasmin）称为分子伴侣。 1987 Ellis 的定义，一类在序列上没有相关性 但有共同功能的蛋白质，在细胞内帮助其他多 肽完成正确组装，而在组装完后与之分离 1987年，Ikemura发现枯草杆菌素的折叠需要 前肽（propeptide）的帮助。Shinde和Inouye 将这类前肽称为分子内伴侣（intramolecular chaperones）。
框架模型（Framework Model）
假设蛋白质局部构象依赖于局部的氨基酸序列 在多折叠的起始阶段, 先迅速形成不稳定的二 级结构单元，称为“flickering cluster” 随后二级结构靠近, 形成稳定的二级结构框架 最后二级结构框架相互拼接，渐紧缩，形成三 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。
讲稿3-蛋白质的折叠
第三章蛋白质的折叠进行正确的折叠和组装未折叠、错误折叠和部分折叠或组装从内质网运输到高尔基体选择性地留在内质网最终运输到细胞表面或其他部位。
或者从高尔基体运回内质网。
运回细胞质在蛋白体（ptoteasome）中降解。
第一节概论Anfinsen的实验：变性使蛋白质丧失其活力，这是它的三维结构受到破坏的结果。
原有的4个二硫键还原成8个疏基酶的活力由于复性而恢复结论：aa排列顺序决定特定的空间结构；天然三维结构得到重新建立，它是多肽链自发折叠的结果。
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。
如果折叠在体内发生故障, 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。
异常的三维空间结构引发折叠病：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。
那么，【问题】aa顺序能否代表着功能 ? ? ?多肽链的aa顺序并不能直接表现出功能，功能只是多肽链折叠成特定的三维结构后才出现的,但多肽链的aa包含了它折叠全部信息。
蛋白质折叠的研究（图）的应用价值未折叠状态 U中间状态I天然构象N狭义的定义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。
“aa顺序决定蛋白空间结构”原则核糖体上释放的多肽链，按照一级结构中aa侧链的性质，自主卷曲，形成一定的空间结构。
过去观点蛋白质空间结构的形成靠其一级结构决定，不需要另外的信息。
近来发现细胞内蛋白质正确装配都需“分了伴娘”蛋白帮助才能完成。
贡献：对新生肽段能够自发进行折叠的新发现从根本上修正了传统的概念。
归功于X射线、晶体衍射和各种波谱技术以及电子显微镜技术等。
尤其是NMR(核磁共振)用于研究蛋白质，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。
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：包括：主链和侧链的运动；在各种不同的温度和压力下蛋白质的折叠和去折叠过程。
蛋白质解折叠
蛋白质解折叠折叠（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。
中文名蛋白质折叠基本单位氨基酸特点亲水性、疏水性、带正电理论模型框架模型、疏水塌缩模型等结构决定功能，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。
蛋白质分子折叠机理
分子伴侣的影响
帮助蛋白质正确折叠
分子伴侣可以与新生蛋白质结合，帮助其正确折叠，防止不正确的折叠和聚集。
维持蛋白质稳定性
分子伴侣还可以与已经折叠的蛋白质结合，帮助维持其稳定性，防止其发生错 误折叠或聚集。
环境因素的影响
温度
温度可以影响蛋白质的折叠和稳定性，高温可以促进蛋白质的错误折叠和聚集， 而低温则可以促进蛋白质的正确折叠。
蛋白质折叠在生物医学领域的应用前景
药物设计和发现
疾病诊断和治疗
生物工程和生物制造
理解蛋白质折叠机制有助于设计和发 现针对特定靶点的药物，提高药物的 疗效和特异性。
蛋白质折叠异常与许多疾病有关，通 过检测蛋白质折叠状态可以诊断疾病， 同时也可以开发基于蛋白质折叠的药 物来治疗这些疾病。
在生物工程和生物制造领域，理解蛋 白质折叠有助于优化蛋白质的表达和 生产，提高生物工程产品的质量和产 量。
变化会影响蛋白质的折叠过程和稳定性。
03
热力学平衡
蛋白质折叠的热力学平衡是指蛋白质在一定条件下达到稳定构象的状态。
热力学平衡的达成取决于蛋白质的自由能变化，自由能变化越小，热力
学平衡越容易达成。
蛋白质折叠的动力学
折叠速率
蛋白质折叠的速率是指蛋白质从无规卷曲状态快速形成稳定构象的过程。折叠速率的快慢 与蛋白质的序列和结构有关，也受到环境因素的影响。
蛋白质折叠的能量最小化原理
能量最小化
蛋白质折叠的能量最小化原理是指蛋白质在折叠过程中会 自发地趋向于能量最低的状态。能量最低的状态通常对应 于最稳定的构象。
势能面
势能面是指在一定条件下，蛋白质构象在不同状态下的势 能值所构成的曲面。势能面上的最低点对应于能量最低的 状态，即最稳定的构象。
什么是蛋白质折叠
什么是蛋白质折叠蛋白质折叠是指蛋白质分子在合成过程中，通过内部相互作用力及外界环境影响，使其线性多肽链在三维空间中形成特定的立体结构的过程。
蛋白质是生物体内最基本的结构和功能分子之一，在维持生命活动中起着关键作用。
理解蛋白质折叠的原理和机制对于揭示生命活动的本质以及与蛋白质相关疾病的治疗具有重要意义。
1. 蛋白质的结构蛋白质是由氨基酸序列组成的，氨基酸通过脱水缩合反应形成肽键连接成多肽链。
蛋白质的一级结构即为氨基酸的线性排列顺序。
氨基酸分为20种，它们的侧链可以具有不同的物化性质，如亲水性、疏水性、酸性或碱性等。
这使得蛋白质的立体结构多样化和复杂化成为可能。
2. 蛋白质折叠结构的层次性蛋白质折叠具有层次性结构，包括一级、二级、三级和四级结构。
二级结构是指蛋白质中氨基酸残基间的氢键形成的局部空间结构，主要有α-螺旋和β-折叠。
三级结构是指整个多肽链的空间构象，由各个二级结构元素的相对排列方式决定。
四级结构是多肽链与其他多肽链或其他分子之间的相互作用方式。
3. 蛋白质折叠的驱动力和规则蛋白质折叠的驱动力主要来自两方面，一方面是蛋白质内部的相互作用力，如氢键、疏水效应、范德华力等；另一方面是外界环境的影响，如温度、盐浓度、pH值等。
蛋白质折叠是按照一定规则进行的，例如疏水效应原则、侧链间距离最小化、二级结构稳定等。
这些规则保证了蛋白质在折叠过程中的立体构象稳定和结构的正常形成。
4. 蛋白质折叠异常与疾病蛋白质折叠异常可能导致蛋白质失去正常的结构和功能，进而引发一系列与蛋白质相关的疾病，如肿瘤、神经退行性疾病和遗传性蛋白质异常病等。
例如，阿尔茨海默病和帕金森病的发病机制与蛋白质异常折叠密切相关。
研究蛋白质折叠异常对于这些疾病的治疗具有重要意义。
5. 探索蛋白质折叠的方法研究蛋白质折叠是生物化学和生物物理学领域的重要课题。
随着科技的不断进步，大量技术手段被用于研究蛋白质折叠，如X射线晶体学、核磁共振、质谱等。
蛋白质的折叠及其影响因素
蛋白质的折叠及其影响因素作为生命体中重要的分子，蛋白质对于生命的各个方面都扮演着至关重要的角色。
在身体内的各种代谢过程中，蛋白质的作用是不可替代的。
而蛋白质的结构则是蛋白质功效的决定性因素。
这种结构的形成则依赖于蛋白质的折叠。
在本文中，我们将详细探讨蛋白质的折叠及其影响因素。
蛋白质的折叠是怎么样的？蛋白质的折叠是在蛋白质合成的过程中发生的。
在这个过程中，肽链中的氨基酸序列按照一定的指令，以一种唯一的方式进行可逆的折叠，形成了蛋白质的三级结构，进而形成了蛋白质的最终构象。
蛋白质折叠的三级结构可能包括以下的特点：1. 一级结构：指的是蛋白质分子的氨基酸序列，其序列是一种唯一的，由基因编码而来的指令，因此，每一条蛋白链都是由特定的氨基酸序列构成的。
2. 二级结构：指的是蛋白质分子中骨架的局部结构组织。
一个常见的二级结构为α-螺旋结构，其特点是由一条肽链上的氢键形成的螺旋形状。
另一种常见的二级结构为β-折叠结构，其特点是由多条肽链上的氢键组成的β-片层结构。
3. 三级结构：指的是蛋白质分子整体的立体结构。
这种结构由各种二级结构组成，可以形成各种其他的构造，例如环状，球状或纤维状。
蛋白质折叠的影响因素有哪些？尽管蛋白质折叠的机制已经相对成熟，但是其影响因素仍然是研究的重点。
影响蛋白质折叠的因素包括了以下五个方面：1. 热力学的因素：热力学因素是蛋白质折叠的最重要的因素之一。
热力学性质主要由自由能（enthalpy）和熵（entropy）组成。
当自由能的值降低，则说明蛋白质折叠更为稳定。
2. 水的影响：水分子在蛋白质折叠过程中的作用十分重要。
即使是非极性氨基酸，也会在配体的氢键中使水分子参与其中。
3. 氢键：与蛋白质构象稳定性有关的氢键，可以参与相邻氢键的相互作用或氢键网络之中。
4. 疏水性：疏水性是蛋白质折叠的关键耦合参数。
在蛋白质折叠过程中，非极性氨基酸会相互堆积，形成一个氢键或疏水芯。
5. 外部作用：外部环境的变化，例如pH值或温度，可以影响蛋白质的折叠。
蛋白质折叠的意义
蛋白质折叠的意义
蛋白质折叠呀，这可真是个神奇又重要的事儿呢！你想想看，蛋白质就像是一个小小的建筑大师，它们通过折叠来构建出各种奇妙的形状，从而发挥出不同的功能。
这就好比我们盖房子，一堆建筑材料如果随意堆放，那能有啥用呀？但是一旦按照特定的设计和结构搭建起来，那就是能遮风挡雨的温馨家园啦！蛋白质也是这样，它们得经过精心的折叠，才能成为身体里执行各种任务的得力干将。
蛋白质折叠的意义那可太大啦！它决定了蛋白质能不能正常工作呀。
如果折叠出了差错，那不就像房子盖歪了或者有漏洞一样，会出大问题的哟！比如说，一些疾病可能就是因为蛋白质折叠错误导致的呢。
咱就说免疫系统吧，里面有那么多蛋白质在守护着我们的健康。
它们得折叠得恰到好处，才能准确地识别敌人，奋勇杀敌呀！要是折叠错了，那还怎么保护我们呢？这就好比战士拿错了武器，怎么能打胜仗呢？
再看看我们身体里的各种酶吧，它们就像是一个个小巧而高效的机器。
这些酶也得通过正确的折叠，才能在化学反应中精准地发挥作用。
要是折叠不对，那反应还能顺利进行吗？那不就像机器零件装错了，运转不起来了嘛！
而且哦，蛋白质折叠还和我们的生长发育息息相关呢！小孩子在长身体的时候，需要各种蛋白质来帮忙呀。
它们得好好折叠，才能让身体的各个部分都健康发育，长成一个强壮的大人哟！
你说这蛋白质折叠是不是特别重要呀？它就像是身体里的一场无声的魔法表演，虽然我们看不见，但却时时刻刻都在影响着我们的生活和健康呢！所以呀，我们可得好好保护身体，让蛋白质们能顺利地进行折叠，为我们的健康保驾护航呢！反正我觉得呀，蛋白质折叠真的是太神奇、太重要啦！我们可不能小瞧了它哟！。
蛋白质折叠的机制与调节
蛋白质折叠的机制与调节从生物学角度来说，蛋白质是重要的生物分子，因为它们不仅在生物体中起着重要的结构和功能作用，而且还参与许多生命活动。
蛋白质的功能和性能与其结构密切相关，而蛋白质的功能和性能与其折叠状态有关。
因此，蛋白质的结构和折叠成为了现代生物学研究中的一个重要话题。
一、蛋白质折叠的定义和类型蛋白质折叠是指蛋白质的原始氨基酸线性序列在特定情况下从无序状态到它们的三维构造的转变过程。
从宏观角度上来说，蛋白质的折叠状态经常是高度精密的，其中包含了由x线、核磁共振和电子显微镜等技术手段得到的大量结构信息。
从微观角度来看，蛋白质折叠是一种跨越结构层次的自组织过程，亦即一个特定的氨基酸序列可以以自然的方式折叠形成它的3维结构。
那么蛋白质折叠有哪些类型呢？基本上，它只有两种状态：未折叠状态（也称为原始或未知的构象）和折叠状态。
蛋白质的未折叠状态由一些非常混乱的立体结构组成，但它们具有确定的物理和化学性质，因此在理论和实践的研究中都有重要价值。
相比之下，折叠状态的蛋白质具有更多的结构据点和更井然有序的立体结构。
这些折叠状态的蛋白质可以分为两类：行毫无头绪（未被翻译为肽链或未被亚细胞器处理的）和已翻译的蛋白质。
一旦蛋白质达到了折叠状态，它们难以重新回到它们的原始构象。
换句话说，蛋白质折叠在很大程度上是不可逆的。
二、蛋白质折叠的机制从简单的角度来说，蛋白质的折叠过程是一个热力学问题。
折叠状态的蛋白质具有更低的自由能和更高的熵，这是由于在折叠状态下，氨基酸的局部管线构造自然地组合在一起，从而形成一些掘进和凸起的结构，它们可以组合在一起以形成更大的结构单元。
这些结构单元越大，蛋白质的结构稳定性就越高，从而使蛋白质在特定的条件下折叠。
因此，蛋白质的折叠过程是自旋松弛的自组织过程。
自旋松弛是指化学反应中非常普遍的过程。
从这种过程来看，化学反应涉及到一系列的激发态和基态，成为一个能量平面。
这个能量平面对于化学反应具有非常重要的作用，因为它是描述化学反应中能量和反应的相互关系的完美工具——在能量低，基态能达到最佳状态时反应发生，同时这个反应能够释放出更多的热量，从而有助于改进反应过程，使它更加直观和可控。
蛋白质折叠在生物化学中如何研究
蛋白质折叠在生物化学中如何研究蛋白质，这个生命活动的关键执行者，其功能的实现很大程度上依赖于正确的折叠。
蛋白质折叠是一个极其复杂而又精密的过程，对于生物化学领域来说，研究蛋白质折叠具有至关重要的意义。
要研究蛋白质折叠，首先得搞清楚什么是蛋白质折叠。
简单来说，蛋白质折叠就是一条线性的多肽链在特定条件下卷曲、折叠形成具有特定三维空间结构的过程。
这个三维结构决定了蛋白质的功能，如果折叠出现错误，就可能导致蛋白质功能失常，引发各种疾病。
那么，在生物化学中，科学家们是如何来研究蛋白质折叠的呢？一种常见的方法是利用物理化学手段。
通过测量蛋白质的热力学参数，如自由能、焓和熵的变化，来了解蛋白质折叠过程中的能量变化。
比如，差示扫描量热法（DSC）可以测量蛋白质在折叠和去折叠过程中的热焓变化，从而推断出蛋白质折叠的热力学稳定性。
此外，光谱技术也是常用的手段之一。
圆二色谱（CD）可以检测蛋白质二级结构的变化，荧光光谱则能反映蛋白质中芳香族氨基酸残基所处环境的极性变化，这些都能为我们揭示蛋白质折叠的过程和机制。
除了物理化学手段，生物化学方法也不可或缺。
定点突变技术就是其中的重要代表。
通过对蛋白质特定氨基酸残基进行突变，观察突变后蛋白质折叠和功能的变化，我们可以推断出这些氨基酸在蛋白质折叠过程中的作用。
例如，如果某个氨基酸突变后导致蛋白质无法正确折叠，那么就说明这个氨基酸对于维持蛋白质的正确结构非常关键。
生物信息学在蛋白质折叠研究中也发挥着重要作用。
随着基因组测序技术的飞速发展，大量的蛋白质序列信息被获取。
通过对这些序列的分析和比对，可以发现一些保守的结构域和模体，从而推测蛋白质的可能折叠方式。
此外，利用分子动力学模拟软件，可以在计算机上模拟蛋白质折叠的过程，从原子水平上观察蛋白质的动态变化，为实验研究提供理论指导。
在研究蛋白质折叠的过程中，细胞环境也是一个不能忽视的因素。
细胞内存在着各种各样的分子伴侣和折叠酶，它们能够帮助新生的多肽链正确折叠。
蛋白质折叠场所
蛋白质折叠场所
蛋白质折叠的场所主要取决于蛋白质的类型和生物体的细胞结构。
1.胞质溶胶中的折叠：
对于在胞浆中合成并作用于胞浆内的蛋白质，其多肽链首先在核糖体上合成出来后，紧接着就在胞质溶胶（ 细胞质基质）中开始初步的折叠过程。
2.内质网 ER）中的折叠：
分泌蛋白或膜蛋白在核糖体合成之后，新生肽链会直接转移至内质网腔中进行折叠和进一步的修饰加工。
内质网提供了一个适宜的环境，包括分子伴侣和其他辅助因子的存在，帮助蛋白质正确折叠。
3.高尔基体 Golgi（apparatus）的折叠与成熟：
在某些情况下，蛋白质会在经过内质网初加工后转运至高尔基体，在那里完成更复杂的折叠和装配，尤其是对于需要分泌到细胞外或者成为细胞膜成分的蛋白质。
4.线粒体与叶绿体中的折叠：
线粒体和叶绿体内也存在特定的蛋白质折叠系统，负责这些细胞器内部所需蛋白质的合成和折叠。
5.原核生物中的折叠：
在原核生物如细菌中，尽管没有内质网这样的复杂细胞器，但蛋白质在其细胞质内完成翻译后也能自发折叠，并可能得到分子伴侣的帮助。
总的来说，蛋白质折叠是一个动态且受严格调控的过程，涉及到多个细胞区室的不同机制，确保蛋白质能够获得正确的三维结构以执行其生物学功能。
蛋白质折叠机制
蛋白质折叠机制蛋白质是细胞中最重要的生物分子之一，承担着多种生物学功能。
蛋白质的功能与其结构密切相关，而蛋白质的结构是由其氨基酸序列所决定的。
在细胞内，蛋白质的正确折叠是其能够正常发挥功能的前提。
本文将就蛋白质折叠的机制展开详细论述。
一、蛋白质折叠概述蛋白质折叠是指线性的氨基酸序列在生物环境中通过各种非共价相互作用，形成具有稳定三维结构的过程。
这个过程是高速、高效且高度准确的，以确保蛋白质在折叠完成后能够正确地执行其生物学功能。
二、折叠机制的主要类型蛋白质的折叠机制可以分为两种主要类型：正常折叠和异常折叠。
正常折叠是指蛋白质在适宜的条件下按照其天然状态折叠得到正确的三维结构；而异常折叠则是指蛋白质在非正常条件下或遭受到外界影响时，无法正确地折叠成功能性形态。
在正常折叠的过程中，蛋白质从无序的线性氨基酸链逐渐形成二级结构（α-螺旋和β-折叠片段）然后进一步组装成三级结构（折叠到终异常折叠结构）。
这个过程是由多种非共价相互作用如氢键、静电相互作用和疏水效应等所驱动的。
然而，在异常折叠的情况下，蛋白质可能形成错误的结构，如聚集体、非功能性多聚体、富含β-折叠或嵌套的螺旋。
这些错误的结构可能导致蛋白质失去原有的功能，并产生一系列的疾病，如神经退行性疾病、癌症等。
三、蛋白质折叠过程中的辅助因子在细胞内，蛋白质折叠过程并不是孤立进行的，需要依赖一些特定的辅因子来保证折叠的正确进行。
这些辅助因子包括分子伴侣和辅酶等。
分子伴侣是一类专门与正在折叠的多肽链相互作用的蛋白质。
它们能够识别处于无序或错误构象的多肽链，并通过与其结合、保护或促使其重新折叠的方式来协助折叠过程。
常见的分子伴侣有Hsp70和Hsp90等。
辅酶是一类能够辅助蛋白质正确折叠的小分子。
辅酶可以提供某些特定的环境条件，如适宜的离子浓度或氧化还原状态，以促进或辅助蛋白质折叠过程。
著名的辅酶有维生素B和辅酶A等。
四、蛋白质折叠异常与疾病正常的蛋白质折叠是细胞内正常功能的基础，然而当蛋白质折叠异常时，将会导致一系列疾病的发生。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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）
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。
目前为止，对蛋白质折叠机制的认识仍是不完整的，甚 至有些方面还存在着错误的观点。
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
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。
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
分子伴侣的作用过程
分子伴侣作用的第一步是识别。一般的分子伴侣识别特异性不 高，识别非天然构象，而不是天然的构象。
（三）金属离子的配位效应
金属离子通过与内源配体（氨基酸侧链基团）和外源配体 （如水分子、卟啉环、有机小分子等）的配位，结合到蛋 白质分子中形成金属活性部位，从而影响蛋白质的折叠过 程以及蛋白质天然结构。
（四）a-螺旋的形成 （五）脯氨酸残基酰胺键的顺反异构化作用
三、参与蛋白质折叠的特殊分子
级结构单元，称为“flickering cluster” 随后二级结构靠近, 形成稳定的二级结构框架 最后二级结构框架相互拼接，渐紧缩，形成三
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。
疏水塌缩模型
（Hydrophobic Collapse Model）
进化保守性
分子伴侣的作用机制
分子伴侣的功能是识别新生肽段折叠过程 中暂时暴露的错误结构并与之结合生成复 和物，从而防止这些表面间过早的相互作 用，阻止不正确的非功能折叠途径，抑制 不可逆聚合物产生，促进折叠向正确方向 进行。
分子伴侣的作用机制实际上就是它如何与 靶蛋白识别，结合，又解离的机制。。
➢在折叠时，在环境条件（温度，溶剂和组成等） 一定 ，天然结构是一个独特的、稳定的和动力学 自由能最低的。
➢Anfinsen原理：Anfinsen's dogma，自组装 （self-assembly）学说，“自组装热力学假说”， 是分子生物学的一个假设:顺序决定构象。 Anfinsen因此而获得1972年诺贝尔化学奖。
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。
蛋白质折叠的途径
蛋白质折叠的途径
独立折叠 热休克蛋白70辅助蛋白质折叠 HSP70和伴侣协助配合下折叠
（四）蛋白质折叠的理论模型
框架模型（Framework Model） 疏水塌缩模型（Hydrophobic Collapse
Model） 扩散-碰撞-粘合机制 （Diffusion-
研究蛋白质折叠的意义
蛋白质折叠机制的阐明将揭示生命体内的第二套遗 传密码，这是它的理论意义。
蛋白质高级结构的预测
蛋白质折叠研究的潜在应用前景
折叠机制的阐明对包涵体的复性会有重要帮 助。
按照自己意愿设计我们需要的、具有特定功 能的蛋白质。
蛋白质折叠研究的潜在应用前景
深入了解蛋白质折叠与错误折叠的关系对于某些 疾病的致病机制的阐明以及治疗方法的寻找将大 有帮助。
N
26
C
95 40
84 110
72 65
58
天然构象，具 有生物活性
除去8 M 尿素和β-巯基乙醇
加入8 M 尿素和β-巯基乙醇
95
58
SH
HS
40 二硫键被还原成巯基，蛋
HS
1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0
HS SH
84 HS 65
HS
HS
白质变性，无生物活性
72
26
C N
蛋白质折叠的发现
1961年Anfinsen 发现：
链，这种多肽没有三维结构。然而链中氨基酸具有总 的化学特征：疏水的，亲水性，或带电，可被认为蛋 白质折叠机制 ➢ 每一步折叠都是正确的，充分的，必要的。实际上折 叠过程是一个正确和错误途径相互竞争过程。边合成 边折叠同时进行的协调的动态过程。
Anfinsen's dogma
按照自组装学说, ➢ 一级结构决定空间结构的密码叫作“第二遗传密码”。 ➢ 每个蛋白多肽翻译从基因序列开始生成线性的氨基酸
Collision-Adhesion Model） 成核-凝聚-生长模型（Nuclear-
Condensation-Growth Model） 拼版模型（Jig-Saw Puzzle Model）
框架模型（Framework Model）
假设蛋白质局部构象依赖于局部的氨基酸序列 在多折叠的起始阶段, 先迅速形成不稳定的二
能级形貌（energy landscape）理论
完全变性的多 肽链 (U)
中间折叠体的 多肽链 (I)
天然构象的多 肽链 (N)
结构离散度或熵
A B
自由能
N
蛋白质折叠的原理
Anfinsen学说：自组装（self-assembly）
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。
Ii
Ij
U
I1
I2
N
Ai
Aj
（三）蛋白质折叠的能级形貌理论 为了解决了热力学假说和动力学悖论之间的矛盾，人们 又提出了能级形貌（energy landscape）理论。该理论认 为，蛋白质分子是一组具有不同结构状态的分子群，在折 叠过程中各个分子沿着各自途径进行折叠，不存在单一的 、特异的折叠途径。在折叠初期，分子结构松散，自由能 大，可选择的构象熵（conformational entropy）也大。 蛋白质多肽链（随机结构）通过构象塌陷或表面张力或疏 水作用形成紧凑结构。这些结构在拓扑学上同蛋白质活性 结构显示类似性，表现出结果的局部趋稳性。随着折叠的 进行，这些结构经过局部的重构造，折叠中间体数目不断 减少，形成的折叠中间体的构象越来越稳定，即自由能越 来越小，构象熵越来越小，最终形成热力学最稳定的、自 由能最小的、唯一的天然构象，这一系列逐步收敛的变化 呈漏斗状。
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
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。
链，这种多肽没有三维结构。然而链中氨基酸具有总 的化学特征：疏水的，亲水性，或带电，可被认为蛋 白质折叠机制 ➢ 每一步折叠都是正确的，充分的，必要的。实际上折 叠过程是一个正确和错误途径相互竞争过程。边合成 边折叠同时进行的协调的动态过程。
（二） 蛋白质折叠的问题—— 蛋白质折叠的动力学悖论
蛋白质折叠：热力学和动力学问题
蛋白质折叠
Protein folding
21世纪的生物学的重要课题
蛋白质合成的基本步骤
蛋白质折叠前后
蛋白质折叠定义
➢蛋白质折叠:从一条结构松散的多肽链折叠成具 有天然空间结构（三级和四级）的蛋白质分子的 过程称为蛋白质折叠（protein folding）。 ➢狭义是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。 ➢蛋白质折叠是物理过程。多肽折叠成特定功能 的三维结构， ➢“分子伴侣”的发现和鉴定改变了蛋白质折叠 研究的经典概念
二、决定蛋白质折叠的外部条件 和内在因素
（一）生物大分子的拥挤效应
细胞内蛋白质的总浓度可达到200～300g／L，RNA的浓 度可达到75～150g／L
（二）温度和pH的影响
哺乳动物细胞的温度大约在37℃附近，pH值一般在中性 范围内。蛋白质复性如果在体外这样的条件下进行，通常 会形成大量的聚集物，具有生物活性的蛋白质的回收率也 极低。为了得到高产率的复性，往往降低温度到4℃，复 性蛋白的浓度也很低，通常大约在1mg/ml。针对不同的 蛋白，体外折叠所选用的pH值范围也很不同。