蛋白质折叠理论
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。
分子生物学中的蛋白质折叠理论
分子生物学中的蛋白质折叠理论蛋白质折叠是一种重要现象，它是指蛋白质在体内通过各种作用力从原始的线性结构迅速折叠成多种三维结构的过程。
蛋白质折叠是所有生物研究的核心问题之一，因为蛋白质的折叠形式是决定其生物学功能的重要因素。
蛋白质的折叠理论是现代生物学的一个重要分支，主要研究蛋白质折叠的物理、化学、生物学机制以及相关的应用领域。
1. 蛋白质折叠的重要性蛋白质折叠的过程决定了蛋白质的结构和性能，以及在细胞内发挥的生理功能。
正常蛋白质的折叠确保了其正确的空间构型和功能，而异常的蛋白质折叠则会导致相关疾病的出现和发展。
例如，Alzheimer和Parkinson等疾病与蛋白质的折叠异常有关，而良性肿瘤的治疗、药物研发、生物技术等领域则需要大量的蛋白质折叠技术支持。
2. 蛋白质折叠的原理蛋白质折叠的过程是由蛋白质分子内部构成的氢键、离子键、范德华作用力、疏水作用等力量作用于氨基酸残基，使其卷曲、折叠为复杂的三维结构。
蛋白质折叠的机理和动力学过程是非常复杂和多样的，而折叠过程的研究也具有很大的挑战性和难度。
3. 蛋白质折叠的研究方法随着分子生物学技术的发展，蛋白质折叠的研究手段也不断丰富。
传统的研究手段包括X射线晶体学、核磁共振、光谱学等，同时，新兴的细胞学、化学生物学、计算机模拟等技术也为蛋白质折叠的研究提供了更多的手段。
目前对蛋白质折叠的研究涉及的学科较为广泛，包括物理学、化学、生物学、计算机科学等领域，这些多学科的交叉和融合也为蛋白质折叠的研究和应用提供了广阔的发展空间。
4. 蛋白质折叠与蛋白质结构预测蛋白质结构预测是近年来蛋白质折叠研究领域中的一个核心问题，其目的是基于蛋白质序列获得蛋白质的三维结构。
蛋白质结构预测是一项复杂的任务，因为不同的蛋白质有相似性和复杂性的结构，导致预测过程的难度非常大。
目前，已经发展出了许多方法和软件用于蛋白质结构预测。
5. 蛋白质折叠与药物研发蛋白质折叠在药物研发中也有着非常重要的应用，例如结构生物学和机制研究可以为药物研发提供重要的信息，同时蛋白质结构模拟和模拟药物设计也是十分重要的技术手段。
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？
蛋白质动力学和折叠机制的理论研究
蛋白质动力学和折叠机制的理论研究蛋白质是构成生命体系的基本分子，其功能多种多样，包括信号转导、代谢调节、分子驱动和结构维持等。
蛋白质的功能与其折叠状态密切相关，而蛋白质折叠过程则受到众多因素的影响。
蛋白质动力学和折叠机制的理论研究，为我们深入认识蛋白质的结构与功能，探索生命体系的底层机理提供了有力支撑。
一、蛋白质动力学及其理论蛋白质动力学研究蛋白质的结构、折叠、交互作用及运动等动力学过程。
该领域的理论基础主要包括统计力学、分子动力学和蒙特卡罗模拟等。
其中，统计力学是研究大量微观粒子系统的宏观物理现象的一种方法，其在研究蛋白质动力学中得到了广泛应用。
分子动力学则是通过数值模拟的方法模拟碰撞和相互作用等事件，从而系统研究分子的动力学行为。
蒙特卡罗模拟则通过随机抽样的方法模拟分子动力学行为。
统计力学在研究蛋白质折叠和动力学过程中得到了广泛应用。
其核心思想是将蛋白质分子看作一个复杂多体体系，并通过数学理论建模研究蛋白质的热力学行为和动力学行为。
其中，熵是一个重要的物理量，它描述了分子的无序程度，即分子随机运动的程度。
熵的变化影响着蛋白质的结构、稳定性和折叠速率等性质。
分子动力学和蒙特卡罗模拟则是通过模拟蛋白质的运动和相互作用等事件，研究其折叠机制和动力学行为。
其中，分子动力学可以直接模拟蛋白质的动态过程和折叠机制，但需要处理大量的数据和运算，时间和计算量等限制也较高。
而蒙特卡罗模拟则可以通过随机抽样的方法获得蛋白质的“折叠图谱”，并研究蛋白质在各种结构状态下的稳定性和能量变化等性质。
二、蛋白质折叠机制的研究蛋白质折叠机制是指蛋白质分子从无序状态到有序状态的自组装过程。
它是蛋白质功能和结构的基础，并对疾病的发生和治疗有着重要影响。
蛋白质折叠机制研究的关键问题是探究蛋白质从无序状态到有序状态的转化过程，包括中间态、能量壁、折叠速率和“糊状态”等重要概念。
蛋白质折叠状态的热力学稳定性与自由能有关。
实验测定自由能较困难，因此理论计算自由能的方法成为研究蛋白质折叠机制的重要手段之一。
蛋白质的折叠与变性
蛋白质的折叠与变性蛋白质是生物体内最重要的分子之一，扮演着许多生命活动中不可或缺的角色。
蛋白质的功能与其结构密切相关，而蛋白质的折叠与变性则是决定其结构的关键过程。
本文将探讨蛋白质折叠与变性的原理及其对生物体内生命活动的影响。
一、蛋白质的折叠过程蛋白质的折叠是指其原始线性多肽链在特定的条件下，通过各种非共价作用力的相互作用将其形成各种不同的三维空间结构的过程。
这个过程是高度有序的，并且常常是自动进行的。
1.氨基酸序列的决定性作用作为折叠的基础，蛋白质的氨基酸序列对其折叠结构具有决定性作用。
不同的氨基酸序列会导致蛋白质折叠成不同的结构。
2.疏水效应的驱动蛋白质折叠的过程中，疏水效应是主要的驱动力之一。
由于水分子与暴露在溶液中的疏水氨基酸作用不稳定，蛋白质会通过最小化暴露在水中的疏水氨基酸，从而使蛋白质折叠成稳定的结构。
3.氢键、离子键、范德华力的作用除了疏水效应，蛋白质折叠过程中还涉及到其他各种类型的非共价相互作用力，如氢键、离子键和范德华力等。
这些相互作用力会在蛋白质折叠过程中稳定和保持特定的结构。
二、蛋白质的变性过程蛋白质的变性是指其原本的三维结构受到外界因素的影响而发生改变的过程。
变性过程可以导致蛋白质失去原有的功能，甚至失去溶解度，成为聚集体。
1.热变性高温是常见的蛋白质变性因素之一。
当蛋白质受热后，其脆弱的非共价键会断裂，使蛋白质失去原有的稳定结构并变得无法还原。
2.化学变性蛋白质还容易受到化学剂（如酸、碱、有机溶剂等）的影响而发生变性。
这些化学物质能够破坏或改变蛋白质内部的相互作用力，导致蛋白质的结构发生不可逆转的改变。
3.生物变性一些生物因素，如病毒、细菌毒素等，也可以引起蛋白质的变性。
这些生物因素能够与蛋白质特定的结构域相互作用，使蛋白质失去功能。
三、蛋白质折叠与变性对生物体的影响蛋白质的折叠与变性对生物体内的生命活动有着重要的影响，以下是几个例子：1.功能性失调蛋白质折叠的错误导致功能受损或完全失去，将对生物体的正常功能产生不可逆转的影响。
蛋白质折叠的原理和蛋白质结构预测技术
蛋白质折叠的原理和蛋白质结构预测技术蛋白质是生命体中不可缺少的组成部分，它的重要性不言而喻。
蛋白质结构的研究是现代生物学的重要组成部分，而蛋白质折叠是蛋白质结构研究的核心问题。
本文将详细介绍蛋白质折叠的原理和蛋白质结构预测技术。
一、蛋白质折叠的原理蛋白质折叠是指蛋白质分子在自然条件下，经过一系列的非常规作用，使其原始的链状结构逐渐转变为稳定的立体结构过程。
在这个过程中，蛋白质分子在三维空间内呈现出复杂的空间构象，并形成一个独特的结构。
这个结构对蛋白质的生物学特性和功能具有至关重要的影响。
蛋白质折叠的过程有两个主要的结构：原生态结构和终态结构。
原生态结构指的是未折叠的蛋白质分子，它是一条线性的多肽链。
终态结构指的是折叠成为立体结构的蛋白质分子。
蛋白质折叠的过程涉及到三种主要的相互作用力：静电相互作用、氢键和疏水作用。
在蛋白质折叠的过程中，静电相互作用是指分子间带电的相互作用，这种作用力非常强；氢键是指气体和液体中最为普遍的化学反应之一，它在蛋白质分子中也有重要的作用；疏水作用是指由于氢键和其他相互作用力的存在，水和生物分子之间存在一定程度的亲疏性，这种亲水性和疏水性对生物分子折叠过程有至关重要的影响。
二、蛋白质结构预测技术蛋白质结构预测是一种利用计算机技术对蛋白质的结构进行模拟和预测的技术。
它是生物结构和机能研究中的重要分支之一。
目前，蛋白质结构预测技术已经成为生物结构和机能研究的重要手段之一。
蛋白质结构预测技术可以通过建立蛋白质结构模型来实现。
建立模型的过程中，需要考虑到蛋白质分子内部的各种相互作用力，以及其化学结构和特性等重要因素。
这些因素的考虑和计算需要大量的计算资源，因此，要建立一个完整的模型需要大量的计算资源和时间。
当前，蛋白质结构预测技术已经发展到了虚拟现实的水平。
研究人员可以通过计算机模拟来模拟出各种不同的蛋白质结构，从而实现对其物理和化学性质的深入研究。
这些模型可以用于生物结构和机能研究，以及开发针对蛋白质结构的新药物等领域。
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。
蛋白质折叠的研究方法和理论
蛋白质折叠的研究方法和理论蛋白质折叠是生物体内发生的重要现象，它决定着蛋白质的结构和功能。
因此，对于蛋白质折叠的研究一直是生物化学领域的热点之一，也是药物研发以及生物技术等领域理解和开发蛋白质的关键所在。
本文将介绍蛋白质折叠的研究方法和理论。
一、动力学方法动力学方法是研究蛋白质折叠动力学的重要手段之一。
这种方法主要是通过观察折叠时序，了解蛋白质折叠过程中的动力学特性，从而研究蛋白质的三维结构以及构成因素。
这种方法的研究对象常常是小分子蛋白质，如个别肽链，部分结构域或特定的功能模块等。
利用动力学方法，可以通过监测蛋白质的浓度和温度，以及其他试验条件的变化，来分析蛋白质的折叠动力学特性和过程。
此外，还可以通过带有荧光标记的蛋白质实时跟踪单个分子的折叠和解折叠过程，这为深入研究蛋白质折叠的动力学行为提供了非常有效的手段。
二、计算机模拟方法计算机模拟方法是一种基于计算机仿真的手段。
这种方法主要借助高性能的计算机来进行分子动力学模拟，从而模拟出具有生物学意义的蛋白质折叠过程。
通过这种计算机模拟方法，可以得到大量准确的数据，这些数据可以轻松地分析和验证蛋白质折叠的动力学特性和过程。
这种模拟方法有经典分子动力学模拟和量子化学模拟两种类型。
经典分子动力学模拟基于蛋白质原子水平的运动法则，模拟蛋白质的折叠过程。
而量子化学模拟可以进行针对特定分子的分子进行模拟，具有更高的预测准确性。
不过，计算机模拟方法的不同之处在于，它需要大量的计算能力，有时需要的计算能力相当高，这是它的一个缺点。
三、实验类方法实验类方法是一种非常有效的研究蛋白质折叠的方法。
这种方法操作步骤相对于计算机模拟和动力学方法更为繁琐，但是它可能对蛋白质折叠过程的理解提供更加深入的洞察。
目前市场上已经存在了大量常用的生化实验技术，包括结构分析技术、核磁共振技术、荧光光谱技术、质谱技术、X射线晶体学,以及红外光谱技术等。
结构分析技术通常包括X射线晶体学、核磁共振技术和电子显微镜等。
生物学中的蛋白质折叠机理
生物学中的蛋白质折叠机理蛋白质是生命体中最重要的分子，也是生命体功能的基础。
它们是由不同的氨基酸组成，折叠成复杂的三维结构，从而产生特定的生理功能。
蛋白质折叠是一个自发的过程，但这个过程并不是简单的或无序的，而是高度有序的。
蛋白质折叠机理研究了蛋白质在自然条件下如何从一条无序的链转变为其稳定的三维结构。
这是一个极为重要的领域，在药物设计、分子治疗、蛋白质工程等方面有着重要的应用价值。
蛋白质折叠的机理可以从两个方面来理解：物理和化学。
物理角度下，折叠机理研究如何通过形成疏水核心和水解外围来优化蛋白质的能量。
具体来说，折叠机理是由水能、熵以及化学键能量共同驱动的复杂过程。
在化学方面，折叠机理研究的重点是化学反应的曲线，即能量和环境之间的关系。
这种反应在质子化、氧化和结构重排等过程中会发生。
蛋白质折叠的过程可以分为三个阶段：初级折叠、中级折叠和终级折叠。
在初级折叠阶段，氢键和疏水力等相互作用形成局部的结构域。
在中级折叠阶段，局部结构域继续通过疏水力、亲水力和离子键等作用在一起，形成更大的结构域，如α-螺旋和β-折叠片。
在终级折叠阶段，这些结构域再次相互作用，形成整个蛋白质的三维结构。
蛋白质的折叠过程还受到许多外部因素的影响，包括温度、pH 值、离子强度、共价化学修饰和交联等。
高温、高酸度或高碱度等条件下会破坏氢键等相互作用，促进蛋白质的变性。
共价化学修饰和交联也可以干扰蛋白质的折叠过程。
蛋白质折叠机理的研究不仅有理论意义，而且有实践价值。
蛋白质工程的基础是对蛋白质折叠机理的深入理解。
有了这种理解，我们可以设计出具有特殊功能或优异性能的蛋白质，如更高的催化活性、更高的特异性和更高的稳定性。
药物的设计也需要对蛋白质折叠机理的研究和了解。
许多疾病是由于蛋白质折叠异常引起的，例如Alzheimer's disease和Creutzfeldt-Jakob病等。
通过对这些疾病的研究，我们可以更好地理解和治疗这些疾病。
第4章 蛋白质折叠
透析去掉尿素及β-巯基乙 醇，让变性酶的巯基在空气 中缓慢氧化，恢复其原有的 二硫键(4个) 和次级键，酶 的活性又逐渐恢复（95～ 100%）。
SH
SH
牛胰核 糖核酸 酶
SH
SH
SH
SH
SH
SH
110
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随机重组:8个SH形成4个二硫键的概率是: 1/7×1/5×1/3=1/105 核糖核酸酶不仅重新折叠了,而且(ér qiě)选择 了105种可能方式中正确的一种。
I型HSP40
II型HSP40
精品PPT
HSP40（DnaJ）
2个锌指， I型独有 底物 结合 位置
HSP70 （DnaK）
底物结合位置 C端
I型HSP40
II型HSP40
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核苷酸结合位置（N端）
底 物
HSP40与HSP70相互作用示意图
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Hsp70的其他(qítā)功 能
▪ Hsp70作为一种重要的内源性保护因子，可提高肺组 织对各种损伤的耐受性。肺组织中Hsp70表达的增加 可减轻肺水肿及炎性反应，减少(jiǎnshǎo)肺组织细胞 凋亡，从而改善氧合功能，降低病死率。
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60年代，Anfinsen提出氨基酸序列(xùliè)决定了 蛋白质特定三维空间结构的著名假说。
self-assembly的主导学说： 蛋白质的氨基酸序列已经(yǐ jing)包含了它 的三维结构的全部信息（一级结构决定高 级结构）
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体外实验结论(jiélùn)扩展到 体内：
细胞内新合成的多肽链，在其合成终了之后 (zhīhòu)，不需要别的分子的帮助，也不需要额 外能量的补充，就应该能够自发地折叠而形成它 的三维结构。
第四章 蛋白质的折叠(Folding) 生物物理学课件
5
研究背景
加德赛克在新几内亚岛发 现了一种奇怪的疾病 ，当地 的土著人称之为“kuru”。由 于找不到病因，被当地人称 为“终极巫术”。
Kuru在当地的含义是颤 抖，因某种未知的寒冷或恐 惧而颤抖。一旦Kuru的颤抖 开始，就不可逆转，诅咒会 越来越烈，直至死亡为止。 Kuru的诅咒非常残酷：先是 不可抑制的颤抖，然后丧失 行走能力及无法言语，接着 瘫痪。但中了巫术的人至死 心智都很清醒，不会陷入昏 睡状态，因此格外痛苦。
6
卡里顿·加德赛克
美国国立卫生研究 院病毒和神经研究 室主任，因发现神 经性传染性疾病的 新病因和传播新机 制而获得1976年诺 贝尔医学/生理学奖。
7
牛胰核糖核酸酶的一级结构
二 硫 键
8
牛胰核糖核酸酶的变性和复性
变性剂
复性
巯基 乙醇
9
蛋白质的变性作用(Denaturation)
蛋白质分子受到某些物理因素如热、紫 外照射、高压和表面张力等或化学因素如有 机溶剂、脲、盐酸胍、酸、碱等的影响，会 发生一些性质上的变化，如生物活性的丧失， 一些内埋的侧链基团的暴露，溶解度、粘度、 扩散系数以及其他的一些物理化学性质的改 变，分子结构松散，易于被蛋白酶水解，这 一现象称为蛋白质的变性作用。
13
熔球中间态的最普遍特征
（１）多肽链的尺寸比无规卷曲小得多，略大于完 全折叠态；
（２）由远紫外CD测得的二级结构的平均组成同折 叠态相似；
（３）由近紫外CD与NMR可测得其侧链处于均一的 环境中，与之相反的是，完全折叠态内部各侧链处 于不同的、非对称的环境中；
14
熔球中间态的最普遍特征
（４）许多酰胺基与溶剂交换氢原子的速度比折叠态要 快，比去折叠态要慢；
生物物理学中的蛋白质折叠：探索蛋白质折叠的动力学过程与折叠机理
生物物理学中的蛋白质折叠：探索蛋白质折叠的动力学过程与折叠机理摘要蛋白质折叠是生物物理学中的核心问题之一，对于理解蛋白质的功能和生命活动的本质至关重要。
本文深入探讨蛋白质折叠的动力学过程和折叠机理，回顾了经典理论和实验技术，介绍了最新的研究进展，并展望了未来的研究方向。
蛋白质折叠是一个复杂的多尺度过程，涉及到氨基酸序列、分子间相互作用、溶剂效应等多个因素。
通过综合运用实验和计算模拟手段，我们逐步揭示了蛋白质折叠的奥秘，为蛋白质工程、药物设计和生物技术的发展提供了理论基础。
引言蛋白质是生命活动的主要执行者，其功能与其独特的三维结构密切相关。
蛋白质折叠是指多肽链从无序状态自发地折叠成具有生物活性的特定三维结构的过程。
蛋白质折叠问题是生物物理学中的一个重要挑战，其研究不仅有助于我们理解蛋白质的结构与功能关系，还对蛋白质工程、药物设计和生物技术的发展具有重要意义。
蛋白质折叠的经典理论1. 安芬森法则（Anfinsen's dogma）：安芬森法则认为蛋白质的氨基酸序列完全决定其天然结构。
这一法则为蛋白质折叠研究奠定了基础，但对于复杂的蛋白质体系，折叠过程并不总是简单的自发过程。
2. 能量景观理论（Energy landscape theory）：能量景观理论将蛋白质折叠过程描述为在高维能量景观上的搜索过程。
蛋白质从高能量的非折叠态逐渐向低能量的折叠态转变，最终达到能量最低的天然态。
3. 漏斗模型（Funnel model）：漏斗模型是能量景观理论的一种简化形式，认为蛋白质折叠是一个从宽到窄的漏斗状过程。
蛋白质在折叠过程中会遇到多个中间态，但最终都会收敛到天然态。
蛋白质折叠的实验技术1. X射线晶体学（X-ray crystallography）：通过分析蛋白质晶体的X射线衍射图谱，可以获得蛋白质的高分辨率三维结构信息。
2. 核磁共振（NMR）：核磁共振可以提供蛋白质在溶液中的结构信息，有助于研究蛋白质的动态过程。
2第二章 蛋白质分子折叠机理
Anfinsen 1961年：核糖核酸酶变性与复性的情 况－4对二硫键被还原后再氧化重组，可以折 叠到天然状态，恢复生物功能。 一级结构与高级结构的关系： 形成高级结构的信息全部蕴藏于一级结构之中, 一级结构含有全部高级结构的折叠密码。
1979年：Privalov 提出蛋白质折叠的 “二态模型”
U(伸展态) N(天然态) 1989年Kuwajima 认为蛋白质折叠是逐步发生 的过程，但未捕捉到中间态。 1992年Dobson 首次报道蛋白质折叠的中间态， 提出 “三态”模型
第二章 蛋白质分子折叠机理
第一节、概述： 蛋白质折叠：protein folding 结构上：伸展unfolding → 三维结构 功能上：无活性分子→有活性的分子 一、问题的提出： 1.伸展的蛋白质肽链如何折叠成特定的三维结构？ 2.无活性蛋白分子如何折叠成有生物功能蛋白质？ 体外实验：30年前如何？设备条件、技术路线、研 究人员不多。 现在情况？已成为生物化学与分子生物学研究的活 跃的领域。
第六节、生物工程中的蛋白质折叠： 一、包含体(inclusion bodies)
生物工程成就就是要使外源基因在大肠杆菌 中成功克隆和表达。那么表达产物－蛋白 质是否具有生物活性是生物工程中一个必 要解决的问题。 包含体：在大肠杆菌细胞内表达的外源基因 蛋白质是以“变性”的无活性的蛋白质形 式存在、沉积于细胞内,这种无定形的蛋白 质聚体,它们不被任何膜所包围,称为包含体. 包含体的形成实际上是蛋白质折叠中中间 态的“非专一性聚集”。
1) Stress-70家族： 结构特点：分子量约70 kd，由两个结构域组成， N-末端结构域高度保守，具有腺苷三磷酸酶 ATPase 活性。C-末端结构域保守性差。 Stress-70家族的热休克蛋白Hsp70 在热休克中的 作用，目前研究较广泛。 功能：Stress-70家族蛋白能识别和结合新合成的 蛋白质肽链，使之稳定，以防止错误折叠和聚 集。在蛋白质合成结束，就被从Stress-70蛋白 上释放出来，并折叠成天然态。从Stress-70蛋 白上释放结合的肽链需要能量，是来自于 Stress-70蛋白结合的ATP的水解。
蛋白质折叠问题的解析和解决方案
蛋白质折叠问题的解析和解决方案蛋白质是生物体内最基本的分子构建单位，它们在细胞内发挥着各种重要的功能。
然而，在细胞内合成之后，蛋白质并不处于最终稳定的三维结构状态，而是需要通过折叠过程才能达到其功能活性。
蛋白质折叠问题一直以来都是生物化学和生物物理学研究的重要课题之一。
本文将介绍蛋白质折叠问题的背景和意义，并针对该问题提出一些解析和解决方案。
蛋白质折叠是指线性上的氨基酸序列如何在水相溶液中自发地折叠成稳定的三维结构。
这一过程涉及到各种非共价相互作用，包括氢键、疏水相互作用、电荷相互作用等。
蛋白质折叠的过程极其复杂，涉及到庞大的构象空间搜索和多维能量面的优化，因此其机理一直以来都备受研究者关注。
了解蛋白质折叠问题的机理对于理解蛋白质的生物功能和疾病的发生机制具有重要意义。
蛋白质的结构决定其功能，而许多生物过程、代谢反应以及信号传导等都依赖于特定蛋白质的正确折叠。
一旦蛋白质折叠发生错误，就可能导致功能失调和疾病的发生，如变性性疾病、癌症、神经退行性疾病等。
那么如何解析和解决蛋白质折叠问题呢？首先，在解析蛋白质折叠问题方面，科学家们通过实验和计算手段，努力尝试揭示蛋白质折叠的机制和规律。
实验手段主要包括X射线晶体学、核磁共振、质谱等，通过解析蛋白质的三维结构来推断其折叠过程。
计算手段则是利用数学模型和分子模拟等方法，模拟蛋白质折叠的具体过程，探究折叠中的能量变化和稳定构象。
这些研究工作为深入理解蛋白质折叠问题提供了重要的实验和理论基础。
其次，解决蛋白质折叠问题的方法包括实验和计算两大方面。
在实验方面，科学家们通过引入特定物质或者改变环境条件，如温度、压力、pH值等，来研究蛋白质折叠和变性的行为。
同时，利用蛋白质工程技术，设计和合成蛋白质模型，探索其折叠过程和结构-功能关系。
在计算方面，利用计算模型和算法，对蛋白质折叠中的能量变化和构象进行模拟和优化，以预测蛋白质的稳定结构和折叠动力学。
除了实验和计算方法，还有一些新兴的解决方案正在被科学家们尝试和研究。
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。
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。
蛋白质的折叠
蛋白质的折叠既然蛋白质的高级结构直接决定其功能，那么，如果能够深入了解蛋白质的折叠机制，将会大大促进对蛋白质的功能研究，在此基础上还可以对一些未知蛋白质的结构和功能进行合理的预测。
如今科学家对蛋白质折叠的一些基本规律已有所了解，但对蛋白质折叠的详细机制的认识还很不完善。
到目前为止，已经被确认的蛋白质折叠的基本规律包括：（1）一级结构决定高级结构，即一级结构包含了一种蛋白质折叠成最终构象所需要的全部信息，这是美国科学家Anfinsen早在1954年就已得出的结论（2）蛋白质的折叠伴随着自由能的降低，ΔG折叠（GN﹣GU）约为-20~-80kJ·mol-1（N表示蛋白质最后的天然构象状态——native state，U表示非折叠状态——unfolded state），这属于热力学有利的反应，但是，两种状态在自由能上的差距并不很大。
小的自由能差异是必要的，因为如果差别太大，就意味着折叠后的蛋白质非常稳定，即刚性太强，柔性不足，这反而不利于蛋白质的功能发挥。
（3）蛋白质的折叠是协同和有序的过程。
（4）驱动蛋白质（特别是球状蛋白质）折叠的主要作用力是疏水键，其他次级键也有作用。
就氢键而言，要尽可能让主链肽基之间形成最大数目的分子内氢键（如α螺旋、β折叠），同时保持大部分能参与形成氢键的R基团处于蛋白质分子表面，与水相互作用。
（5）在细胞内，不同的蛋白质可能具有不同的折叠路径。
（6）某些蛋白质的折叠还需要蛋白质二硫化物异构酶（protein disulfide isomerase，PDI）和肽酰脯氨酰顺反异构酶（peptidylprolyl cis-trans isomerase，PPI）的帮助。
（7）最终得到的蛋白质构象不是僵硬的，而是具有一定的柔性。
指导蛋白质折叠的基本原理(General Principles for Guiding the Protein folding)Anfinsen实验证明，一级结构决定三维结构(Anfinsen’sexperiment showed that primary structure determines 3D structure)疏水键是驱动蛋白质折叠的主要动力(Hydrophobic interaction is a major Driving force for protein folding)蛋白质折叠在热力学上是一个有利的过程，伴随着自由能降低(Folding is a thermodynamically favorable process with decreasing free energy)不同的蛋白质折叠的途径可能不同(Various folding pathways for different proteins)在大多数情况下，需要分子伴侣(In most cases, molecular chaperones are required)还有的蛋白质需要蛋白质二硫化物异构酶和肽酰脯氨酰异构酶(For some proteins, PDI or PPI is also required)天然无折叠蛋白(Natively Unfolded Proteins)它们在细胞内合成好以后，并没有折叠，而是暂时处于天然的无折叠状态(They are not folded immediately after being synthesized within cells, but temporarily kept in a natively unfolded state)约30%的蛋白质被确定处在完全无折叠或部分无折叠状态(About 30% of proteins have been determined to be completely or partially unfolded)导致它们没有折叠的主要原因是疏水氨基酸含量，特别是侧链较大的疏水氨基酸含量偏少，以致于折叠的主动力不足(The major reason for not being folded is that they contain relatively little hydrophobic amino acids, especially bulky hydrophobic amino acids, thus leading to not enough driving force).然而，它们在行使功能之前，受到其他物质如DNA和蛋白质的诱导可瞬间发生折叠。
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Protein F olding P roblem 蛋白质折叠问题
肖奕
华中科技大学物理学院
蛋白质如何工作？
蛋白质有什么用?
蛋白质的功能
蛋白质合成过程
信号转导
• Prion （朊蛋白）diseases
– MAD c ow
– KURU
– Creutzfeld-‐Jacob
• Fibril o r a myloid （ ）
forma@on – Alzheimers
– Parkinsons 如果蛋白质结构错误---蛋白质折叠病
蛋白质结构是如何形成的？
蛋白质折叠
Protein F olding
蛋白质结构表示
蛋白质构象变化主要是多肽链主链旋转的结果
蛋白质折叠是多肽链从无规卷曲（去折叠态）折叠到三维功能结构（天然态）
的物理过程。
蛋白质在细胞内折叠
• 环境
• 水溶液
• 其它分子
• pH
• 温度
每条多肽链有确定氨基酸排列顺序
– 带电和极性氨基酸（亲水氨基酸）
– 不带电氨基酸（疏水氨基酸）
– Van d er W aals 相互作用（氨基酸大小）
蛋白质结构由其内部原子之间以及与溶剂之间
相互作用稳定
疏水相互作用是蛋白质折叠的主要驱动力
为什么蛋白质折叠问题是（物理）问题？
Anfinsen’s E xperiment (1957) Anfinsen, C. B., H aber, E., S ela, M. a nd W hite, F. H. (1961) P roc. N atl. A cad. S ci. U SA 47, 1309-‐1314. • 氨基酸序列含有确定天然结构的所有信息。
• 天然结构是热力学最稳定状态 (最低自由能态)。
C. A nfinsen, 1972
Nobel L aureate 105种配对
Anfinsen假设
折叠过程由热力学控制.
在特定pH、离子强度和温度溶液条件下，天然结构是多肽链的Gibbs自由能最低状态。
分子内非共价相互作用:
疏水，氢键，静电, van der Waals
等.
阻止折叠的力
熵(去折叠态构象熵).
ΔG f or f olding i s o nly a bout –5 t o –10 k cal/
mole.
蛋白质变性
• Hsien W u (吳憲, 1893 – 1959)
– 蛋白质变性只是构象变化，不涉及化学变化，也就是
对应蛋白质去折叠。
– Wu, H (1931). "Studies on Denatura@on of Proteins. XIII. A Theory of Denatura@on". Chinese Journal of Physiology 5: 321–344.
Levinthal’s P aradox (1968)
C. L evinthal, J. d e C him. P hys. 65, 44 (1968)
大海捞针：蛋白质折叠时搜索其所有可能的构象。
– 长度为100的蛋白质可能的构象数为: 2100=1030
– 搜索所有这些构象需要的时间: 1030*10-‐12=1018.
– 宇宙年龄 (1017 秒)
蛋白质折叠不可能是全构象空间随机搜索。
蛋白质折叠问题
天然结构的信息在氨基酸序列中是如何表现的？（结构预测）
在生理环境下天然蛋白质的氨基酸序列为什么能使其快速折叠到唯一的天然结构？（折叠机制）
Levinthal假设(1968)
C. L evinthal, J. d e C him. P hys. 65, 44 (1968)
蛋白质折叠是由动力学控制的。
蛋白质折叠应该是沿着特定的路径（pathway）进行的，只搜索有限的构象空间。
天然态的定义
• 空间坐标? 不明确.
– 生物学定义：具有功能的结构
– 热力学定义：自由能最低结构
– 动力学定义：折叠路径的终态（局域或全局最低态） • 统一定义？
生物学的＝热力学的＝动力学的
自由能面（Free-‐energy L andscape)蛋白质构象空间整体图像
折叠过程：自由能面上路径
N Compact, d isordered
P@tsyn &
熔球态 The M olten G lobule(MG) S tate Ohgushi M, W ada A (1983). "'Molten-‐globule s tate': a c ompact f orm o f g lobular p roteins w ith m obile s ide-‐chains.".
F EBS L eS. 164 (1): 21–24.
1. 缺少三级相互作用
2. 部分二级结构形成
3. 紧密程度与天然结构相似
Example: α-‐lactalbumin
Molten g lobule o bserved i n l ow p H
Cytochrome c (细胞色素c)
• α helix f orma@on i s m ore r apid t han t er@ary s tructure r earrangements o f a roma@c s idechains i n t he f olding o f c ytochrome c. • The k ine@cs o f t hese c hanges w ere d etermined b y C D a t 222 a nd 289 n m
如何知道蛋白质折叠初期（过渡态前）部分天然结构（折叠核）已经形成？
Chymotrypsin i nhibitor(CI2)
In t he t ransi@on s tate o f C I2 t hree
residues w ith Ф-‐v alues >0.5 c ome
together :A16,L49,I57.
A h ydrophobic c ore s uppor@ng t he
nuclea@on-‐condensa@on
mechanism
the S H3 d omain
The n ucleaTon-‐condensaTon m odel
(Fersht, 1991)
• 二级结构和三级结构同时
形成
• 过渡态形成“A diffuse
folding n ucleus”
• 没有中间态（二态模型）
• 统一模型
• 适合小蛋白（<100aa)
复杂折叠路径
大多数蛋白质 (>100 aa)折叠有可观测的中间
体，不能用二态模型描述。
Dill & C han e t a l.1997
Lysozyme（溶菌酶）
Bovine P ancreaTc T rypsin I nhibitor
(BPTI，胰蛋白酶抑制剂 )
• BPTI i s c omposed o f 58 a mino a cid r esidues.
– The f olded c onforma@on i s s tabilized b y t hree d isulfide b onds.
Folding F unnel M odel
Bryngelson a nd W olynes i n t he l ate 1980s a nd e arly 1990s
• The p rinciple o f m inimal f rustra@on
– 天然蛋白质的氨基酸序列是通过进
化选取的，这些序列中氨基酸之间
的相互作用使蛋白质极大地倾向处
于天然态。
– 形成漏斗形状全局自由能面 。
(Leopold a nd O nuchic)
Folding F unnel M odel
• 漏斗局部不平滑表示动力学陷阱，
全局倾斜代表系统向天然态的热
力学驱动.
– 快折叠与慢折叠
– 多折叠路径
– 过渡态有一系列结构组成
序列如何编码蛋白质折叠？ – 序列决定能量面.
– 每种氨基酸的特性当蛋白
质接近天然态时变得越来
越重要
– 局部相互作用决定二级结
构形成. 。