第4章 蛋白质折叠
生物化学 第4章 蛋白质蛋白质三维结构
第四章蛋白质的三维结构稳定蛋白质三维结构的作用力一、多肽主链折叠的空间限制从理论上讲，一个多肽主链能有无限多种构象。
从理论上讲个多肽主链能有无限多种构象但是，只有一种或很少几种天然构象，且相当稳定。
但是只有种或很少几种天然构象且相当稳定因为：天然蛋白质主链上的单键并不能自由旋转1、肽链的二面角★只有α碳原子连接的两个键（C α—N 和C α-C ）是单键，能自由旋转。
★扭角:环绕C α—N 键旋转的角度为Φ,环绕C α—C 键旋转的角度称Ψ。
可旋转±180度，一般呈顺时针旋转。
旋转受H.O 基的限制多肽主链的构象可以用每个C 的对原子以及R 基的限制。
多肽主链的构象可以用每个a-C 的一对扭角来描述。
★当Φ(Ψ)旋转键两侧的主链呈顺式时，规定Φ(Ψ)=0°★从Cα沿键轴方向看，顺时针旋转的Φ(Ψ)角为正值，反之为负值。
2、拉氏构象图：可允许的Φ和Ψ值Φ和Ψ同时为0的构象实际不存在二面角（Φ、Ψ）所决定的构象能否存在，主要取决于两个相邻肽单位中非键合原子间的接近有无阻碍。
个相邻肽单位中非键合原间的接有Cα上的R基的大小与带电性影响Φ和Ψ◆拉氏构象图：Ramachandran根据蛋白质中非键合原子间的最小接触距离（范德华距离），确定了哪些成对二面角（Φ、Ψ）所规定的两个相邻肽单位的构象是允许的，哪些是不允许的，并且以Φ为横坐标，以Ψ为纵坐标，在坐标图上标出，该坐坐标以为纵坐标在坐标图上标出该坐标图称拉氏构象图。
⑴实线封闭区域一般允许区，非键合原子间的距离大于一般允许距离，此区域内任何二面角确定的构象都是允许的，且构象稳定。
的且构象稳定⑵虚线封闭区域是最大允许区，非键合原子间的距离介于最小允许距离和般允许距离之间，立体化学允许，但许距离和一般允许距离之间，立体化学允许，但构象不够稳定。
⑶虚线外区域是不允许区，该区域内任何二面角确定的肽链构象，都是不允许的，此构象中非键合原子间距离象都是不允许的此构象中非键合原子间距离小于最小允许距离，斥力大，构象极不稳定。
蛋白质合成后的折叠与加工
某些蛋白质的结构变化与疾病的发生和发展密切相关，通过蛋白质合成后的折叠与加工，可以设计和制备用于检测这 些蛋白质的结构和功能的诊断试剂。
靶向治疗
一些蛋白质的结构和功能与疾病的治疗密切相关，通过蛋白质合成后的折叠与加工，可以设计和制备用于靶向治疗这 些蛋白质的药物。
免疫治疗
免疫治疗是利用免疫系统来攻击癌症和其他疾病的方法，通过蛋白质合成后的折叠与加工，可以设计和 制备用于免疫治疗的抗体和细胞因子等蛋白质药物。
蛋白质折叠是一个自发的、动态的过 程，需要依靠自身的氨基酸序列和细 胞内的分子伴侣来完成。
蛋白质折叠的过程
初级折叠
新合成的多肽链通过形成若干二 硫键，初步获得稳定的三维结构
。
二级折叠
初级折叠的多肽链进一步通过形成 更多的二硫键和其他相互作用，如 氢键、离子键和疏水相互作用，进 一步稳定其三维结构。
高级折叠
在二级折叠的基础上，蛋白质通过 与其他蛋白质或细胞器的相互作用 ，完成其最终的三维构象。
影响蛋白质折叠的因素
氨基酸序列
温度和pH值
氨基酸序列决定了蛋白质的化学和物 理性质，从而影响其折叠过程。例如 ，某些氨基酸的突变可以导致蛋白质 折叠异常，进而引发疾病。
温度和pH值可以影响蛋白质的稳定性 ，从而影响其折叠过程。例如，高温 或酸碱度不适宜的环境可能导致蛋白 质变性，影响其正常折叠。
蛋白酶体的识别和降解
细胞内存在一种名为蛋白酶体的质量控制机制，能够识别并降解错误折 叠或聚集的蛋白质，以维持细胞内环境的稳定。
03
分子伴侣的协助
分子伴侣如热休克蛋白、伴侣素等能够识别并协助折叠过程中遇到问题
的蛋白质，帮助其正确折叠和转运。
质量控制的方法
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。
蛋白质工程专题蛋白质折叠病
旦出现症状六个月到一年100%死亡;
15
正常与变异旳Prion蛋白
正常和变异旳Prion成份相同，都由253个氨基酸构成。
正常普里昂：
氨基酸链扭波折叠成为“阿尔法螺旋构造”旳 特殊构造，这种构造比较脆弱，轻易发生变异。
变异普里昂：
具有非常稳定旳“贝塔板状构造”，能够促使 正常普里昂发生变异，形成粉状纤维，杀死神经细 胞。
9
➢ 人类对于TSE存在易感性。一种在家族中
遗传旳基因变异造成了5%至10%旳人类疯 牛病。致命旳克雅氏病还可能经过移植组织 或输血传染。
➢ 人类还会因为食用被感染旳牛肉产品感染
疯牛病。经过这种途径感染旳疯牛病称为 vCJD。
➢与老式旳CJD不同，vCJD旳受害者愈加年
轻，平均年龄为29岁，而遗传性CJD发病年 龄一般为65岁。vCJD旳潜伏期也较长，平 均为14个月，而CJD是4.5个月。
10
病理：蛋白“折叠”错误
属于传染型海绵状脑病(TSE)，是因为叫 普里昂(Prion)旳病变蛋白造成旳。无肉眼可 见旳病理变化，也无生物学和血液学异常变 化。经典旳组织病理学和分子学变化都集中 在中枢神经系统。
11
细胞按照基因旳指令排列形成不同形状和功 能旳蛋白质。
假如蛋白被“折叠”成错误形状时，就无法 正常工作。一般情况下，细胞会发觉错误 “折叠”蛋白，令其自动分解。但这一监督 机制并非100%保险。
1 2345 67 8
4
先天性缺陷型糖尿病
机 理：
胰岛素分子中B链第24或25位旳氨基酸都为 Phe(苯丙氨酸)，被Ile(异亮氨酸)所取代，致使胰脏 分泌出来旳胰岛素一级构造发生变化，不具有生物 活性，失去了胰岛素在人体内旳调整功能。
蛋白质折叠及其在细胞功能中的作用
蛋白质折叠及其在细胞功能中的作用引言：蛋白质是细胞中最重要的大分子有机物之一，其在细胞中扮演着关键的功能角色。
蛋白质的结构与功能密切相关，而蛋白质的正确折叠对于其功能的实现至关重要。
本文将深入探讨蛋白质折叠的机制以及其在细胞功能中的重要作用。
蛋白质折叠的机制：蛋白质折叠是指在特定的细胞环境中，外源性线性多肽链自发地转变为其特定的三维结构。
这一过程通常包括了一系列的中间态和过渡态。
主要的折叠步骤包括原发性结构的形成、次级结构的形成以及最后的三级结构的配置。
这一复杂的折叠过程受到多种因素的影响，如氨基酸序列、环境条件以及辅助蛋白质等。
蛋白质折叠的驱动力之一是疏水作用。
疏水作用是指亲水性氨基酸在水性溶液中倾向于聚集在一起，而疏水性氨基酸则趋向于排斥水分子。
疏水作用推动了氨基酸的靠拢和多肽链的拉伸，促进了蛋白质的折叠过程。
此外，蛋白质折叠还受到氢键、范德华力、离子键等多种相互作用力的影响。
氢键在蛋白质折叠中起到了关键作用，它们参与了多肽链的稳定和结构的形成。
而范德华力则负责维持蛋白质内部各部分的相对位置和方向。
离子键则通过氨基酸的电荷来稳定蛋白质的结构。
蛋白质折叠的结构及其功能：蛋白质折叠后形成了其特定的三维结构，这种结构是其功能的基础。
蛋白质的结构可以分为四个层次：原发性结构、次级结构、三级结构和四级结构。
其中，原发性结构指的是蛋白质的氨基酸序列，次级结构是通过氢键的形成而形成的局部二级结构，三级结构是蛋白质整体的三维结构，而四级结构则是多个蛋白质链的组合。
蛋白质的结构决定了其功能。
不同的结构赋予了蛋白质不同的功能。
例如，蛋白质可以通过结构折叠形成具有特定吸附性质的活性位点，从而参与到酶的催化过程中。
另外，蛋白质的结构还可以使其与其他分子进行特定的相互作用，如蛋白质与DNA结合以调控基因表达。
此外，蛋白质的正确折叠对于其功能的实现至关重要。
如果蛋白质的折叠过程中出现错误，可能导致蛋白质无法正常发挥功能，甚至引发一系列疾病。
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。
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。
蛋白质折叠及其在生物功能中的作用机理
蛋白质折叠及其在生物功能中的作用机理概述：蛋白质是生物体内最基本的组成部分之一，对于维持生物体的正常功能起着重要的作用。
蛋白质的结构是其功能的基础，而蛋白质折叠是指蛋白质从无序的线性肽链转变为具有稳定三维结构的过程。
蛋白质折叠的过程在细胞内发生，并受到多种因素的调控。
蛋白质折叠不仅决定了蛋白质的功能，还与多种疾病的发生和发展密切相关。
本文将重点讨论蛋白质折叠的机理及其在生物功能中的作用。
一、蛋白质折叠的机理蛋白质折叠的过程可以分为三个阶段：聚集态、中间态和结构态。
1.1 聚集态蛋白质的折叠过程始于其合成的肽链，肽链的折叠开始时呈现一种高度聚集的态势，形成所谓的聚集态。
在聚集态中，蛋白质的结构非常无序，没有明显的二级和三级结构。
1.2 中间态随着时间的推移，蛋白质逐渐从聚集态过渡到中间态。
在中间态中，蛋白质开始出现一些局部的二级结构，如α螺旋和β折叠片段。
同时，蛋白质开始形成氢键、离子键和疏水相互作用等非共价键。
1.3 结构态最终，蛋白质折叠成为稳定的结构态，即具有确定的二级和三级结构。
在结构态中，蛋白质的各个部分被稳定地摆放在特定的空间位置上，并形成具有生物功能的三维结构。
蛋白质折叠的机理主要受到两类因素的影响：蛋白质本身的序列信息和细胞内的环境条件。
2.1 序列信息蛋白质的折叠过程受到其氨基酸组成和序列的影响。
不同氨基酸的性质决定了它们参与的非共价键的类型和强度，从而直接影响蛋白质的折叠过程。
2.2 环境条件细胞内环境对蛋白质的折叠过程也有重要影响。
细胞内存在大量的分子伴侣蛋白，它们可以与未正确折叠的蛋白质发生相互作用，帮助其正确折叠或者转向降解途径。
此外，温度、pH值、离子浓度等环境条件的变化也会影响蛋白质的折叠。
二、蛋白质折叠的生物功能蛋白质的折叠状态直接决定了其生物功能。
蛋白质的生物功能可以分为结构功能和功能性功能两个方面。
2.1 结构功能蛋白质的折叠状态决定了其在细胞内具有特定的结构功能。
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。
蛋白质的折叠与三级结构形成
蛋白质的折叠与三级结构形成蛋白质是生物体内功能最为重要的类别之一，广泛参与到生物体的生理活动中。
而蛋白质能够发挥如此重要的生物功能，与其复杂的结构密不可分。
蛋白质的结构可以进一步分为四个级别：一级结构、二级结构、三级结构以及四级结构。
其中，蛋白质的折叠和三级结构的形成是关键的过程。
本文将详细阐述蛋白质的折叠过程及三级结构的形成。
1. 蛋白质折叠的概述蛋白质折叠指的是蛋白质线性序列在特定条件下，通过相互作用的力所引导，将其自身折叠成特殊的三维空间结构的过程。
蛋白质在细胞内功能活性的正确发挥需要具备特定的三维结构。
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、胺基酸序列及其他环境因素等等。
2. 蛋白质折叠的驱动力蛋白质折叠的驱动力主要来自于两个方面：熵效应和热力学稳定性。
在蛋白质折叠的过程中，熵效应是指蛋白质分子从无序状态转变为相对有序的三维结构，其有助于增加系统的熵，从而推动蛋白质折叠。
而热力学稳定性则是指蛋白质在特定条件下取得最低的自由能状态，这是蛋白质折叠过程中的另一个重要因素。
3. 蛋白质的三级结构形成蛋白质的三级结构是指蛋白质折叠后形成的最终三维空间结构。
蛋白质的三级结构起到了决定其功能的重要作用。
蛋白质的三级结构主要由非共价键的相互作用所决定，包括氢键、离子键、疏水相互作用以及范德华力等。
其中，氢键是蛋白质三级结构形成的主要驱动力。
通过氢键的形成，蛋白质的多肽链能够在特定的空间位置上相互连接，从而形成特定的螺旋、折叠或统一的结构。
4. 蛋白质的折叠方式蛋白质的折叠方式可以分为两类：自发折叠和伴侣辅助折叠。
自发折叠是指蛋白质能够在特定条件下自发地折叠成稳定的三维结构。
而伴侣辅助折叠则是指在细胞内，蛋白质折叠的过程通常需要与伴侣蛋白质相互作用，以保证其正确折叠和避免形成错误的构象。
5. 蛋白质折叠与疾病蛋白质折叠的错误与多种人类疾病的发生密切相关。
当蛋白质在折叠过程中出现结构错误或无法正确折叠时，可能导致蛋白质聚集和沉积，进而对细胞功能产生负面影响。
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；
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。
蛋白质折叠
蛋白质折叠蛋白质折叠是生物化学和分子生物学的前沿课题之一，近年来蛋白质折叠的研究日益引起人们注意的原因是多方面的。
其一，遗传信息由DNA 到RNA再到蛋白质的过程是分子生物学的核心，通常称作分子生物学的中心法则，经过多年的研究人们对由DNA到RNA再到多肽链的过程已基本清楚，但是蛋白质的功能不仅依赖于其一级结构而且与空间结构紧密相关；其二，虽然蛋白质中一定的氨基酸顺序决定了其特定的空间结构的假说已被人们广泛接受，但是怎样由一定的氨基酸排列的多肽链生成具有一定的空间结构的蛋白质的问题仍未解决。
只有透彻地了解了多肽链是如何通过自身内在的信息及与周围环境（包括与各种蛋白质因子）的相互作用才能最终了解蛋白质的空间结构与功能的关系。
基因工程和蛋白质工程是近年来生物技术发展的产物和先导，但人们发现通过基因工程和蛋白质工程所获得的多肽链有时并不能自身卷曲成有一定空间结构和完整生物学功能的蛋白质，其原因在于在多肽链的折叠上出了问题。
因此从基因工程和蛋白质工程产物的翻译后加工的角度也要求人们了解蛋白质折叠的机理。
一、蛋白质复杂的三级结构信息贮存于氨基酸序列中关于氨基酸序列与蛋白质空间结构的关系研究最早的工作是由C.Anfinsen (1960)关于核糖核酸酶的研究工作。
他研究了核糖核酸酶的去折叠和重折叠过程。
该酶是由124 个氨基酸组成的蛋白质，有四对二硫键，其组合有105{[(2×4)!/24×4!]=105}种的可能方式。
当用还原剂如b-巯基乙醇(HOCH2-CH2-SH)作用时，二硫键被部分还原。
继续加大b-巯基乙醇的量，二硫键可全部被还原。
用8 M 的脲加b-巯基乙醇处理多肽链，分子内四对二硫键可全部被还原，肽链伸展为无规卷曲，酶活性完全丧失。
但如果将脲和b-巯基乙醇透析掉并在空气中进行氧化，多肽链可又重新折叠为一个具有特定的三维结构和催化活性的酶，它与未经处理的酶具有相同的溶解度并可结晶并获得相同的X-射线衍射图，其吸收光谱也相同。
第四章 蛋白质的折叠的热力学与动力学
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
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。
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
- 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)。
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？
第四章 蛋白质的折叠
4.1、概述 4.2、蛋白质的自发折叠 4.3、受助的蛋白质折叠 4.4、蛋白质的折叠病 4.5、研究蛋白质折叠的意义
4.1、概述
蛋白质折叠的定义
蛋白质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 。
蛋白质折叠问题是生命科学领域的前沿课题
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。
蛋白质折叠研究的概况
20世纪60年代，安芬森（Anfinsen）基于还原变
性的牛胰RNase的研究提出“自组装学说”
Ellis 于1987年提出了蛋白质折叠的“辅助性组装
学说”。
4.2、蛋白质的自发折叠
经典的蛋白质折叠自组装学说 实验基础: Fraekel-Conral和Williams重组实验（20世纪50年 代）烟草斑纹病毒
密码的多意性。
例如，天然型朊病毒主要为α-螺旋结构， 而感染
型的朊病毒却主要为β -折叠结构，但二者一级结
构相同。
全局性
第二密码必须把蛋白分子作为一个全局来考虑，这就
从根本上决定了第二密码的复杂性，它不可能像第一
密码那样有简单的一对一的关系。
某些蛋白C-末端少数氨基酸的去除, 或侧链基团的翻译
体外实验结论扩展到体内：
细胞内新合成的多肽链，在其合成终了之后， 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。 ——所谓翻译后的自发折叠过程。
蛋白质折叠机制的理论模型
框架模型（Framework Model）
疏水塌缩模型（Hydrophobic Collapse
辅 分 子 伴 侣
“HSP”后面的数字表示以kDa为单位的分子伴侣的分子量。
HSP40（DnaJ）
尚缺乏N端J结构域，该结构域 能激活HSP70的 ATP酶活性并调节 Hsp70与底物的结
2个锌指， I型独有 底物 结合 位置
合。
I型HSP40 II型HSP40
HSP40（DnaJ）
HSP70 （DnaK）
蛋白二硫键异构酶 (protein disulfide isomerases，PDI)
真核生物的PDI在内质网腔活性很高，细菌 中的类似物是Dsb家族，位于细菌外周质 (periplasm)，在肽链中催化错配二硫键断裂并形 成正确二硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最 稳定的天然构象。 通过催化巯基与二硫键的交换反应，从而催 化蛋白质二硫键的形成、还原（断裂）或重排 （异构化）。 在蛋白质折叠过程中，主要催化含有二硫键 的膜蛋白或分泌蛋白的正确折叠。
外壳蛋白 核糖核酸
在体外生理条件下重组得到 有感染活力的病毒粒子
Anfinsen实验
8mol/L尿素或6mol/L盐 酸胍及β-巯基乙醇
SH
牛胰核 糖核酸 酶
SH
SH
SH SH SH SH 110
SH
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%）。
折叠中间物的非天然构象，而不能识别天然的构 象。
几点说明：
1）分子伴侣是从功能上定义的，凡具有这种功
能的蛋白都是分子伴侣，它们的结构可以完全不
同，可以是完全不同的蛋白.
2）分子伴侣的作用
通过催化的或非催化的方式，加速或减缓组装过程；
传递组装所需要的空间信息；
也可能只是抑制组装过程中不正确的副反应；
GroEL （HSP60）型伴侣素
存在于真细菌、线粒体和叶绿体中，由双层 7 个亚
基组成的圆环组成，每个亚基分子量约为 60Ku 。
它们在体内与一种辅助因子，如 E. coli 中的 GroES ，
协同作用以帮助蛋白折叠。除了叶绿体中的类似物 外，这些蛋白是应急反应诱导的。
两个七亚基圆环
一个亚基
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，
后修饰，有时都可以对整体构象和功能产生重大影响。
在新生肽链合成过程中，后形成的肽段可以影响已经
形成的肽段的构象从而造成对分子整体的影响。
第二密码的全局性还体现在环境对分子结构的影响上，
水分子对于维系蛋白质一定的空间结构有重要作用。
破译“第二遗传密码”正是“蛋白质 结构预测”从理论上最直接地去解决蛋白
3）分子伴侣一定不是最终组装完成的结构
的组成部分
一些蛋白酶的前导序列及核糖体蛋白的
泛尾肽——分子内分子伴侣
4）分子伴侣帮助正确的“非共价组装”,排除共价修饰酶. 5）不仅帮助新生肽链的折叠，还帮助新生肽成熟为活性蛋 白，包括转运、越膜定位、亚基组装等。
最大一类蛋白为热激蛋白（Hsp60，Hsp70， Hsp90 ）
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。
折叠酶类型
(1) 蛋白质二硫键异构酶 PDI (Protein
disulfide isomerase)
(2) 肽基脯氨酰顺反异构酶PPI (Peptidyl
prolyl cis/trans isomerase)
普通肽单元
第二个残基为Pro的肽单元
反式
顺式
反式
顺式
对于大多数肽键而言，反式比顺式稳定1000倍。 对于第二个残基为Pro的肽键而言，反式仅比顺 式稳定4倍。
变性蛋白复性是一个较慢过程（几十分钟），新生 肽链的折叠是一个快过程（几分钟）。
4.3、受助的蛋白质折叠
新生肽链的折叠的新观点:
1、新生肽链的折叠是随着肽链的延伸同时进行 折叠、又不断进行调整（协调动态过程）
先形成的结构会作用于后合成的肽链的折叠； 后形成的结构会影响已形成的结构的调整； 新生肽链的合成、延伸、折叠、调整→三维结构
之一，并且被列为“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。
蛋白质折叠研究的背景
第二密码也同样有简并性。现在已经知道有很
多氨基酸序列不同的肽链可以有极为相似甚至 相同的空间结构，这就是第二密码的简并性。
简并性的证据
不同生物体中执行相同功能的蛋白质有AA序列上的 差异, 但却有相同的整体空间结构。
例如：线粒体Cytc的AA序列已经测定，AA残基数均在104 左 右, 但在不同生物体的Cytc中仅有21个AA是完全相同的，但是所 有Cytc 的整体空间结构却是非常相似的。
底物结合位置 C端
2个锌指， I型独有 底物 结合 位置
I型HSP40
II型HSP40
核苷酸结合位置（N端）来自底 物HSP40与HSP70相互作用示意图
Hsp70的其他功能
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，减少肺组织细胞
也可译为侣伴蛋白)，是细胞内的一类保守蛋白