蛋白质折叠的热力学和动力学
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。
蛋白质折叠动力学及其与功能关联机制
蛋白质折叠动力学及其与功能关联机制蛋白质是生命体内构成细胞和调控生物体内许多生物化学过程的关键分子。
为了正常发挥功能，蛋白质必须正确地折叠成特定的三维结构。
蛋白质的折叠过程涉及到多个动力学步骤，并与其功能紧密相关。
本文将探讨蛋白质折叠动力学及其与功能关联的机制。
蛋白质折叠动力学是指蛋白质在形成功能三维结构的过程中所经历的一系列构象变化。
这一过程涉及到蛋白质的二级、三级和四级结构以及非共价相互作用。
在最初的线性序列形成之后，蛋白质通常先形成局部的次结构，例如α螺旋和β折叠片段。
这些次结构之间的排列和折叠会进一步形成更复杂的二级结构，如α/β结构和β结构连接。
蛋白质折叠的动力学过程通常被描述为遵循能量坑的“失突变与得突变”模型。
失突变是指蛋白质的初始线性序列在折叠过程中破坏某种稳定结构，而得突变是指形成新的稳定结构。
这一模型强调了蛋白质折叠过程中的结构动态变化。
在失突变阶段，蛋白质会经历局部不稳定的中间态，这些中间态容易出现结构异常和聚集，进而导致蛋白质的异常聚集和蛋白质相关的疾病。
而在得突变阶段，蛋白质会进一步形成特定的终态结构，从而实现其生物学功能。
蛋白质的功能与其折叠状态密切相关。
正常折叠的蛋白质可以发挥其特定的生物学功能，例如酶催化、信号传导和结构支持。
而蛋白质的异常折叠可能导致其失去或改变功能。
例如，当蛋白质无法正确折叠时，可能会发生异常聚集，导致神经系统退行性疾病，如阿尔茨海默病和帕金森病。
蛋白质折叠异常还与一些与感染、肿瘤和代谢紊乱等相关的疾病有关。
蛋白质折叠与功能之间的关联机制主要体现在两个方面。
首先，蛋白质的结构决定了其功能。
蛋白质的结构包括其二级、三级和四级结构。
这些结构决定了蛋白质的活性位点、互作结构和信号传递路径。
因此，蛋白质的正确折叠是实现其特定功能的前提。
其次，蛋白质的折叠过程受到其他未折叠的蛋白质或辅助蛋白质的调控。
分子伴侣蛋白是一类与蛋白质折叠过程密切相关的蛋白质。
它们可以辅助蛋白质正确地折叠，并防止非特异性聚集。
蛋白质折叠和结构构象动力学的理论和计算模拟方法
蛋白质折叠和结构构象动力学的理论和计算模拟方法蛋白质是生命中最基本的单位之一，它们的功能与结构密切相关。
在蛋白质的自然折叠中，其构象动力学变化是一个至关重要的过程。
研究蛋白质的折叠和结构构象动力学对于理解蛋白质的功能及其相关疾病的发生机制有着重要的意义。
本文将介绍蛋白质折叠和结构构象动力学的理论和计算模拟方法。
一、蛋白质的折叠和结构蛋白质是由氨基酸构成的大分子，通常由线性多肽链经过复杂的自然折叠后得到其功能性结构。
在蛋白质的自然折叠过程中，较短的局部结构如α-螺旋、β-片层、β-转角等构象单元在不同的组合方式下形成复杂的三维结构。
这些结构对于蛋白质的功能和稳定性有着至关重要的作用。
二、蛋白质折叠的理论蛋白质的折叠是一个自发的过程，通常被认为是一种物理化学过程。
目前学术界对于蛋白质折叠的理论有如下几种观点:1、上下文依赖模型（context-dependent model）该模型认为蛋白质折叠是在生物系统中完成的，其结构和环境息息相关，折叠的精细程度会随着环境的变化而不同。
2、分级分子论（hierarchical view）分子分层级别的理论认为，在蛋白质折叠的过程中存在多个层次的微观相互作用。
而折叠的过程也是分级完成的。
3、能量地形图理论（energy landscape theory）该理论下，蛋白质折叠的能量状态形成一个地形图，折叠会在该地形图上自由决策。
折叠过程中的中间状态形成折叠轨迹，能够揭示各种折叠路线和马尔可夫过程等。
此外，还有许多其它有关蛋白质折叠的理论和模型，如组合锁定、拓扑矩阵、无限度游走等。
三、蛋白质构象动力学的理论蛋白质在其折叠过程中存在诸多不确定性，动态过程的迹象也不断地在结构中表现出来。
因此，结构构象动力学被认为是一种可以很好地研究蛋白质结构特征的理论，能够深入探究其构成和功能。
结构动力学视角下，蛋白质的构象动力学可以解释其结构、机制、动态和能量解析度这四个方面的特征。
动力学模拟揭示蛋白质折叠和相互作用机制
动力学模拟揭示蛋白质折叠和相互作用机制蛋白质是生物体内重要的功能分子，它们的折叠和相互作用机制对于理解生物学和药物研究具有重要意义。
动力学模拟方法是研究蛋白质折叠和相互作用机制的有力工具。
本文将介绍动力学模拟在揭示蛋白质折叠和相互作用机制方面的应用与进展。
首先，动力学模拟是通过计算机模拟分子的运动轨迹来研究蛋白质的折叠过程。
蛋白质的折叠是一个复杂且动态的过程，涉及到众多自由度的变化。
传统的实验方法往往难以全面揭示蛋白质折叠的动态过程，而动力学模拟可以提供蛋白质在原子级别上的详细信息。
通过分子动力学模拟，可以模拟蛋白质在不同条件下的折叠速度、结构特征和稳定性等多个方面的信息。
其次，动力学模拟还可以用于研究蛋白质的相互作用机制。
蛋白质在生物体内经常通过与其他分子相互作用来完成其功能。
动力学模拟可以模拟蛋白质与其他生物分子（如DNA、RNA和小分子药物等）之间的相互作用过程，并且可以揭示这些相互作用的结构和动态变化。
通过动力学模拟，可以从分子水平上理解蛋白质与其他分子之间的相互作用机制，为药物设计和生物工程等领域的研究提供理论基础。
近年来，随着计算机技术和分子力学力场的不断发展，动力学模拟方法在揭示蛋白质折叠和相互作用机制方面取得了许多重要进展。
一方面，科研人员不断改进模拟算法和力场参数，使得模拟结果更加准确和可靠。
另一方面，大规模并行计算技术的应用使得能够模拟更大规模和更复杂的蛋白质系统。
这些方法的发展极大地推动了蛋白质折叠和相互作用机制的研究。
在蛋白质折叠方面，动力学模拟已经成功地模拟了多个小型蛋白质分子的折叠过程，并且与实验结果吻合良好。
通过这些模拟研究，科学家们揭示出了蛋白质折叠的动力学过程，包括形成的中间态、折叠速度和折叠途径等方面的信息。
此外，动力学模拟还有助于揭示蛋白质折叠与稳定性之间的关系，对于研究蛋白质的疾病相关突变以及蛋白质工程具有重要意义。
蛋白质的相互作用机制也是动力学模拟的重要应用领域之一。
蛋白质折叠.
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
蛋白质折叠和构象动力学
蛋白质折叠和构象动力学在生物体内，蛋白质是一种重要的生物大分子，它们在生命过程中起着关键的作用。
蛋白质的折叠和构象动力学是研究蛋白质三维结构形成和变化的过程，对于了解蛋白质的结构与功能之间的关系至关重要。
蛋白质的折叠是指在合适的环境条件下，蛋白质线性序列中的氨基酸通过静电作用、氢键、疏水相互作用等力的作用，从无规则的状态逐渐形成具有稳定空间结构的过程。
蛋白质的三维结构是由其线性序列所决定的，具有广泛的结构多样性。
然而，蛋白质的三维结构和所扮演的功能密切相关。
因此，理解蛋白质折叠和构象动力学对于揭示蛋白质的生物学功能具有重要意义。
蛋白质折叠过程中，构象动力学是描述蛋白质结构转变的一种方法。
它主要包括了构象空间、构象转变和构象概率等概念。
蛋白质的构象空间是指它能够采取的所有可能的结构。
构象转变是指蛋白质从一个构象状态转变为另一个构象状态的过程。
构象概率是指在给定条件下，蛋白质处于某一特定构象状态的概率。
通过对蛋白质折叠和构象动力学的研究，可以揭示蛋白质结构的动态变化和调控机制。
蛋白质折叠和构象动力学的研究方法主要包括实验技术和计算模拟两种。
实验技术可以通过核磁共振、X射线晶体学、质谱法等手段对蛋白质的结构和动态变化进行直接观测。
计算模拟则是通过数值计算和模拟的方法，模拟和预测蛋白质的折叠和构象动力学行为。
这些方法相互结合，可以提供全面的蛋白质折叠与构象动力学研究的信息。
过去的研究表明，蛋白质的折叠和构象动力学受多种因素影响。
其中，温度、溶剂、离子强度等环境条件对蛋白质的折叠和构象状态具有重要的影响。
此外，蛋白质本身的线性序列、氨基酸组成、物理化学性质等也对蛋白质的折叠和构象动力学起着关键作用。
而蛋白质的折叠错误或构象变化异常与多种疾病的发生和发展密切相关，如神经退行性疾病、癌症等。
因此，深入研究蛋白质的折叠和构象动力学对于疾病的预防和治疗具有重要意义。
未来的研究方向包括进一步发展实验技术和计算模拟方法，以更全面、准确地研究蛋白质的折叠和构象动力学。
蛋白质折叠——精选推荐
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。
蛋白质的折叠的热力学与动力学
热力学与动力学在蛋白质折叠的研究中相互补充，提供了不同角度和层面的认 识。通过研究热力学和动力学参数的变化，可以深入了解蛋白质折叠过程的机 制和调控机制，为蛋白质设计和药物研发提供理论支持。
04
CATALOGUE
蛋白质折叠的研究方法
X射线晶体学
总结词
X射线晶体学是一种通过X射线分析蛋白质晶体结构的方法， 可以提供蛋白质折叠的空间结构和原子间的相互作用信息。
蛋白质的折叠的热 力学与动力学
目 录
• 蛋白质折叠的热力学 • 蛋白质折叠的动力学 • 蛋白质折叠的热力学与动力学的关系 • 蛋白质折叠的研究方法
01
CATALOGUE
蛋白质折叠的热力学
热力学基本概念
01
02
03
熵
表示系统的混乱度或无序 程度，熵越大，系统越混 乱。
焓
表示系统的能量，包括内 能和外能。
02
CAHale Waihona Puke ALOGUE蛋白质折叠的动力学
动力学基本概念
反应速率
01
描述蛋白质折叠过程的快慢，通常用毫秒或秒为单位。
反应机制
02
蛋白质折叠过程中涉及的中间状态和步骤，包括快反应和慢反
应阶段。
活化能
03
蛋白质折叠过程中需要克服的能量障碍，影响折叠速率和折叠
方式。
蛋白质折叠的动力学模型
分子构象变化
蛋白质折叠过程中分子构象如何变化，包括不同状态之间的转换 。
详细描述
X射线晶体学的基本原理是利用X射线照射蛋白质晶体，当X 射线通过晶体时，会与蛋白质分子发生散射，通过测量散射 强度和角度，可以推导出蛋白质分子的空间结构和原子间的 距离等信息。
核磁共振技术
二,蛋白质折叠
Chapter 3 Protein Folding and Localization
Protein Folding
Protein Assembly
Protein Localization
Protein Degradation
叠后进入的
• 信号肽：
（1）C-末端SKL序列（Ser-Lys-Leu）
（2）N-末端 PTS1R，PTS2R
二、 protein trafficking (蛋白质迁移/转位)
• A sorting signal (targeting signal) is the part of a protein
（一）线粒体蛋白的定位
• 以放射性同位素(125I, 3H, 35S)标记示踪技术表明，线粒体
中多数蛋白是在胞浆中合成后转运到线粒体中的。
• 蛋白以“前体蛋白”形式合成，N-端一般带有一段不完
全相同但含有共同模体的基质导入序列
• 特征：富含带正电的氨基酸（Arg, Lys)，不含酸性氨基酸
(Glu, Asp)，常含有Ser, Thr (-OH)
（4）在多酶催化的代谢途径中更快结合底物，即多酶复合体 中“底物隧道”现象。
丙酮酸脱氢酶复合体包括丙酮酸脱羧酶、二氢硫辛酸乙酰转移酶 和二氢硫辛酸脱氢酶，整个丙酮酸氧化脱羧反应过程中，中间产 物并不离开酶复合体
NAD+
（5）对于部分蛋白质来说，寡聚化可以看作是折叠的延续。
转录因子展现活性时发生二聚化（c-Jun+fos --- AP-1)，部分 膜受体二聚化(JAK-STAT)
• SRP是一11S的核蛋白复合体，
蛋白质折叠的热力学和动力学
蛋白质折叠的热力学和动力学药学院 10489629 苟宝迪蛋白质是一种生物大分子，基本上是由20种氨基酸以肽键连接成肽链。
肽链在空间卷曲折叠成为特定的三维空间结构。
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。
所以蛋白质分子有非常特定的复杂的空间结构。
诺贝尔奖得主Anfinsen认为每一种蛋白质分子都有自己特有的氨基酸的组成和排列顺序，由这种氨基酸排列顺序决定它的特定的空间结构。
具有完整一级结构的多肽或蛋白质, 只有当其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. 如果这些生物大分子的折叠在体内发生了故障, 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.蛋白质异常的三维空间结构可以引发疾病，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、白内障等等都是“折叠病”。
蛋白质折叠的研究（图1[1]），是生命科学领域的前沿课题之一。
不仅具有重大的科学意义，而且在医学和在生物工程领域具有极大的应用价值。
图1蛋白质折叠的热力学研究蛋白质折叠的研究，比较狭义的定义就是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。
这里最根本的科学问题就是多肽链的一级结构到底如何决定它的空间结构？X-射线晶体衍射是至今为止研究蛋白质结构最有效的方法, 所能达到的精度是其它任何方法所不能比拟的. 但是, 蛋白质分离纯化技术要求高, 蛋白质晶体难以培养,晶体结构测定的周期较长, 从而制约了蛋白质工程的进展. 随着近代物理学、数学和分子生物学的发展, 特别是计算机技术的进步, 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. 同源模建方法是最常用、最有效的蛋白质结构预测方法. 但是, 利用同源模建方法预测蛋白质结构时, 需用同源蛋白质的已知结构作为模板. 当缺乏这种模板结构时, 预测则很难奏效. 这是该方法的天生缺陷. 是否能从蛋白质序列出发, 直接预测蛋白质的结构?从理论上最直接地去解决蛋白质的折叠问题，就是根据测得的蛋白质的一级序列预测由Anfinsen原理决定的特定的空间结构。
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。
蛋白质折叠及其动力学研究
蛋白质折叠及其动力学研究修鹏（浙江大学航空航天学院）摘要：蛋白质在生物学中充当重要的角色，而蛋白质折叠问题被列为“21世纪的生物物理学”的重要课题。
本文简述了蛋白质定义、蛋白质折叠的机制、折叠病以及相关的一些研究，论述了蛋白质折叠成核的假设，并简要介绍了蛋白质的动力学研究。
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，而折叠机制的深入研究将会促使人们发现更多疾病的真正病因和更针对性的治疗方法，设计更有效的药物。
关键词：蛋白质，蛋白质折叠，折叠病，分子动力学引言在现代生物化学、分子生物物理学领域中，蛋白质的折叠、解折叠问题是引起人们极大兴趣的一个研究课题，它也是生命科学领域的前沿课题之一。
蛋白质折叠的研究，比较狭义的定义就是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；在概念上有热力学问题和动力学问题，有蛋白质在体外折叠和在细胞内折叠的问题，有理论研究和实验研究的问题。
这里最根本的科学问题就是多肽链的一级结构到底如何决定它的空间结构？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，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”。
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。
蛋白质分子在行使生物功能时，必须具有特定的二维空间结构，蛋白质折叠问题就是研究蛋白质天然结构是如何形成的，即具有一定氨基酸序列的多肽链如何逐步形成蛋白质所特有的空间结构。
目前许多“构象病”或称“折叠病”都是由蛋白质折叠异常造成分子集聚甚至沉淀引起的，因此深入理解蛋白质折叠机制这一需求已经变得更加迫切。
随着蛋白质折叠研究的深入，人们会发现更多疾病的真正病因和更针对性的治疗方法，设计更有效的药物。
这是蛋白质折叠研究的实践意义。
一、蛋白质的定义蛋白质是由氨基酸分子形成的长链，即其基本单位为氨基酸，而蛋白质的一级结构指的就是其氨基酸序列，蛋白质会由所含氨基酸残基的亲水性、疏水性、带正电、带负电……等等特性通过残基间的相互作用而折叠成一立体的三级结构。
第四章蛋白质的物理化学性质
7
•吉布斯自由能(Gibbs free energy,G):亦称吉布斯函数，它是定温定压下系统的状态函数。可以用 公式表示为：
G=H-TS=E+pV-TS 其中，T为绝对温度；S为体系的熵 注意:吉布斯自由能是体系的性质，它的大小只决定于体系的始态和终态，而及变化的途径无关 (即及可逆及否无关)。
21
氢键对蛋白质天然结构的稳定作用只能来自于水-水氢键+链内氢键，和水-肽链氢键两种情况下的自由能之差。蛋 白质中有许多种氢键。
分类 弱氢键 中强氢键 强氢键
υOH/cm-1 >3200
2800~3100 700~2700
R（O…O）/nm >0.270
0.260~0.270 0.240~0.260
8
二、热容量 热容量:指系统在某一过程中，温度升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的热量。热容量的单位是J/K。 系统的热容量及状态的转变过程有关，及它所包含的物质的质量成正比，不同过程的热容量不同。 系统吸收的热量为正值，释放的热量为负值 使用微分扫描量热仪直接测定热容量变化
9
三、van’t Hoff 焓 • Van’t Hoff 规则 ：荷兰科学家范特霍夫 提出, 温度每升高10 K, 反应速度增加2-4倍
实例 H2O(水、水合物) R—OH(醇、酚) R—COOH(羧酸) MH(RCOO)2(酸盐)
22
氢键在蛋白折叠过程中的作用 杜克大学（Duke University）的化学家们通过改变蛋白质关键部位的单个原子，发现了相对作用力 较弱的氢键在使线形蛋白折叠成能发挥生物活性的最稳定结构中有重要作用
蛋白质折叠的不可逆热力学理论与能级相图理论
文章编号： １０００－１３３６（２０１０）03－0323-06蛋白质折叠的不可逆热力学理论与能级相图理论赵钦一中国康复研究中心医学研究所，北京 １０００６８摘要：蛋白质折叠指没有任何固定结构形式的蛋白质多肽链经过复杂作用，转化成活性蛋白质结构的物理学过程。
蛋白质折叠的理论研究是理论生物学的基本内容。
它对蛋白质工程、蛋白质结构的预测、蛋白质结构与功能的关系、生物疾病的发生机理等有重大的科学指导意义。
蛋白质折叠的传统理论是Ａｎｆｉｎｓｅｎ提出的。
目前有两种不同的热力学理论：蛋白质折叠的不可逆热力学理论与能级相图理论。
本文重点分析、讨论了蛋白质折叠的不可逆热力学（ｉｒｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ）理论和能级相图（ｅｎｅｒｇｙ ｌａｎｄｓｃａｐｅ）理论的共同点与分歧。
关键词：蛋白质；折叠；能量；理论；热力学中图分类号：Ｑ５１收稿日期：２０１０－０２－０５作者简介：赵钦一（１９６４－），男，硕士，副研究员，通讯作者，Ｅ－ｍａｉｌ： ｑｙｚｈ＠１６３ｂｊ．ｃｏｍ蛋白质折叠是生物信息从基因传递到蛋白质功能过程中的核心步骤，阐明蛋白质折叠的科学原理是数学、物理、生物物理、生物化学、分子生物学和理论生物学的核心科学任务之一。
它的重要性是不言而喻的。
蛋白质折叠的研究从Ａｎｆｉｎｓｅｎ［１］开始，几经理论修改，目前有大量不同的假说，其中建立在热力学理论基础上的折叠理论有两种： 能级相图（ｅｎｅｒｇｙ ｌａｎｄｓｃａｐｅ）理论［２－４］和不可逆热力学（ｉｒｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ）理论［５，６］。
本文从蛋白质折叠的发展过程阐述分析了两种理论发展的背景及二者之间的联系与区别。
以帮助读者更好地理解蛋白质折叠的热力学理论研究。
１． Ａｎｆｉｎｓｅｎ的理论观点Ａｎｆｉｎｓｅｎ的工作是蛋白质折叠实验和理论科学研究的起点［１］。
在大量实验和平衡热力学原理的基础上，Ａｎｆｉｎｓｅｎ提出了下面几个观点：（１）在体外天然蛋白质多肽链可以复性；（２）蛋白质序列含有蛋白质折叠的全部信息；（３）天然蛋白质在生物学环境下处于热力学最稳态。
蛋白质折叠过程中的动力学和热力学研究
蛋白质折叠过程中的动力学和热力学研究蛋白质是生命体中最重要的分子之一。
它们是生化反应的催化剂和信使，构成生命机体的各种功能元件。
蛋白质的功能与结构息息相关。
而蛋白质的结构又直接由其折叠状态决定。
越来越多的研究表明，蛋白质折叠过程中的动力学和热力学是影响蛋白质结构及功能的重要因素。
对于一个蛋白质分子来说，其折叠状态决定了它的生物学功能。
尽管所有蛋白质都是由氨基酸组成的，但它们之间的相互作用可以形成多样化的结构和功能。
研究表明，引起蛋白质折叠的力包括范德华力、氢键、静电相互作用和水化作用等。
折叠过程中，蛋白质分子会自发地寻求最佳构象，使其自由能降至最小，从而加强其稳定性和生物学功能。
折叠过程中的热力学是影响蛋白质结构的重要因素。
蛋白质的熵趋向于增加，而它的内能则趋向于减小。
因此，折叠蛋白质的自由能需要在熵减与内能减的平衡中达到最小值。
不同的氨基酸序列和环境条件会导致蛋白质折叠过程中自由能曲线的变化。
这也就意味着，不同的蛋白质可能需要不同的营养物质来保持其稳定结构和正常功能。
此外，环境因素如酸碱度和温度，也会对蛋白质的稳定性产生影响。
动力学在折叠过程中也扮演了重要角色。
蛋白质的折叠速率、稳定性和膜蛋白的结构都与动力学有关。
针对动力学问题，科学家们使用了各种技术与方法。
例如，利用分子动力学模拟（molecular dynamics）和核磁共振技术（NMR），分析蛋白质分子的结构和动力学行为。
分子动力学模拟是预测蛋白质结构的重要工具，可以模拟蛋白质在任何条件下的构象，从而了解折叠过程中的动力学细节。
另外，NMR不仅可以提供关于蛋白质结构的信息，也可解析蛋白质的动力学。
在蛋白质折叠研究领域，最近几年出现了许多新的技术和方法。
其中一些新技术，如单分子荧光技术，可以观测单个蛋白质的折叠过程。
此外，某些实验室开发的新分析方法，如质谱法和生物信息学，能够增加对蛋白质折叠的认识。
这些研究成果不仅提高了折叠的可控性，也为制备未知结构蛋白质提供了路线。
结构动力学和蛋白质折叠模型
结构动力学和蛋白质折叠模型结构动力学与蛋白质折叠模型是生物物理学中两个重要的研究领域。
结构动力学主要研究生物分子的结构和动力学行为，而蛋白质折叠模型则致力于解释蛋白质的三维空间结构如何形成。
本文将分别介绍这两个领域的基本概念、方法和研究进展。
结构动力学是指研究生物分子的结构及其变化过程的科学领域。
生物分子的结构决定了其功能，在细胞中这些分子不断地进行结构性和体积性的变化以完成其生理功能。
生物分子的结构动力学研究可以利用不同的实验技术和计算方法来获得，例如X射线晶体学、核磁共振等。
这些技术可以提供有关分子结构的详细信息，包括原子位置、结合位点和构象变化等。
通过这些信息，可以更好地理解生物分子的结构和功能之间的相互关系。
在结构动力学的研究中，分子动力学模拟是一种常用的计算方法。
分子动力学模拟使用牛顿运动定律，通过模拟分子中原子之间的相互作用来计算分子结构的演化。
这种方法可以模拟分子在一定时间尺度上的运动和结构变化。
通过与实验数据进行比较，可以验证模拟结果的准确性，并提供对实验结果进一步解释的理论依据。
蛋白质折叠模型是解释蛋白质如何从线性多肽链折叠成具有稳定三维结构的理论模型。
蛋白质的折叠是一个高度复杂的过程，涉及到能量的最小化和构象空间的搜索。
蛋白质折叠模型的研究旨在解决蛋白质的折叠问题，揭示蛋白质的结构和功能之间的关系。
有许多蛋白质折叠模型被提出，其中最为重要的是Levinthal悖论和Anfinsen实验。
Levinthal悖论指出，在没有外部引导下，如果蛋白质的折叠过程是通过尝试所有可能的构象路径进行的，那么对于只有100个氨基酸残基的蛋白质来说，需要的时间将远远超过宇宙年龄。
这一悖论表明了蛋白质折叠过程必然涉及非随机的选择性事件。
而Anfinsen实验则使用酶的再折叠实验验证了蛋白质折叠的选择性事件。
他们发现，即使将蛋白质中的化学键全部破坏，只要给予足够的时间，酶还是能够恢复活性。
这一实验显示了蛋白质分子在特定条件下折叠成稳定构象的能力。
生物大分子的展开与折叠动力学研究
生物大分子的展开与折叠动力学研究生物大分子是指生物体中的大分子，如蛋白质、核酸、多糖等。
它们具有多种生物学功能，从细胞结构、代谢调节到传递遗传信息等，都离不开它们的作用。
然而，生物大分子具有高度复杂的结构和多态性，难以直接观察和研究。
因此，在生物大分子的研究中，动力学研究是非常重要的一方面，可以揭示其结构与功能之间的关系。
本文将介绍生物大分子的展开与折叠动力学研究的现状和进展。
一、生物大分子的折叠动力学生物大分子的折叠是指分子在热力学条件下从无序的状态到高度有序的状态的过程。
它是分子生物学中的基本问题之一，也是目前研究的热点之一。
折叠的结构、速率和稳定性与分子的生物学功能密切相关。
在过去的几十年中，许多研究人员通过实验和计算模拟，尤其是分子动力学模拟，揭示了许多介导折叠的因素和机制。
一些重要的因素包括：氢键、静电作用、范德华力、疏水力等。
例如，疏水效应是指分子中非极性区域排斥水分子，由此驱动分子的折叠。
静电作用则是指分子中带电的氨基酸残基之间的相互吸引或排斥，影响分子的折叠和稳定。
这些因素复杂而相互依存，共同调控着分子的折叠动力学和结构。
另一方面，许多研究人员尝试通过改变物理条件来研究生物大分子的折叠。
例如，通过改变水溶液的离子浓度、温度、压力等，可以使蛋白质分子发生折叠和解离。
近年来，超快激光光谱学等新技术也为研究生物大分子的折叠提供了新的手段和思路。
二、生物大分子的展开动力学生物大分子的展开是指分子在非生物学条件下，如高温、离子强度高、pH 值变化等，由有序状态向无序状态的转化过程。
生物大分子的展开研究不仅能揭示分子的热力学性质，还能为疾病的发生和治疗提供理论依据。
当前，受仪器和方法的限制，分子动力学模拟在生物大分子的展开研究中应用较少。
因此，研究人员主要采用实验和相关理论计算方法来研究生物大分子的展开动力学。
一些常用的实验方法包括：化学变性、热变性、光变性等。
由于这些方法不同的机制和条件，会导致生物大分子的不同折叠状态，因此它们对于揭示生物大分子的结构与功能的关系十分重要。
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蛋白质折叠的热力学和动力学药学院 10489629 苟宝迪蛋白质是一种生物大分子，基本上是由20种氨基酸以肽键连接成肽链。
肽链在空间卷曲折叠成为特定的三维空间结构。
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。
所以蛋白质分子有非常特定的复杂的空间结构。
诺贝尔奖得主Anfinsen认为每一种蛋白质分子都有自己特有的氨基酸的组成和排列顺序，由这种氨基酸排列顺序决定它的特定的空间结构。
具有完整一级结构的多肽或蛋白质, 只有当其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. 如果这些生物大分子的折叠在体内发生了故障, 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.蛋白质异常的三维空间结构可以引发疾病，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、白内障等等都是“折叠病”。
蛋白质折叠的研究（图1[1]），是生命科学领域的前沿课题之一。
不仅具有重大的科学意义，而且在医学和在生物工程领域具有极大的应用价值。
图1蛋白质折叠的热力学研究蛋白质折叠的研究，比较狭义的定义就是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。
这里最根本的科学问题就是多肽链的一级结构到底如何决定它的空间结构？X-射线晶体衍射是至今为止研究蛋白质结构最有效的方法, 所能达到的精度是其它任何方法所不能比拟的. 但是, 蛋白质分离纯化技术要求高, 蛋白质晶体难以培养,晶体结构测定的周期较长, 从而制约了蛋白质工程的进展. 随着近代物理学、数学和分子生物学的发展, 特别是计算机技术的进步, 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. 同源模建方法是最常用、最有效的蛋白质结构预测方法. 但是, 利用同源模建方法预测蛋白质结构时, 需用同源蛋白质的已知结构作为模板. 当缺乏这种模板结构时, 预测则很难奏效. 这是该方法的天生缺陷. 是否能从蛋白质序列出发, 直接预测蛋白质的结构?从理论上最直接地去解决蛋白质的折叠问题，就是根据测得的蛋白质的一级序列预测由Anfinsen原理决定的特定的空间结构。
蛋白质氨基酸序列，特别是编码蛋白质的核苷酸序列的测定现在几乎已经成为常规技术，利用分子生物学技术可以从互补DNA（cDNA）序列可以推定氨基酸序列，大大加速了蛋白质一级结构的测定。
目前蛋白质数据库中已经存有大约17万个蛋白的一级结构，但是测定了空间结构的蛋白大约只有1．2万个，这中间有许多是很相似的同源蛋白，已经有人根据基因组的数据用统计方法重新估计了蛋白质折叠类型数目大约为1000种。
“蛋白质结构预测”属于理论方面的热力学问题，蛋白质分子结构本身的复杂性决定了结构预测的复杂性。
目前结构预测的方法大致可分为两大类。
一类是假设蛋白质分子天然构象处于热力学最稳定，能量最低状态，考虑蛋白质分子中所有原子间的相互作用以及蛋白质分子与溶剂之间的相互作用，采用分子力学的能量极小化方法，计算出蛋白质分子的天然空间结构。
第二类方法是利用存入蛋白质数据库的数据进行预测相比，基于同源性的重复循环技术非常可靠地灵敏地进行结构预测。
找出数据库中已有的蛋白质的空间结构与其一级序列之间的联系总结出一定的规律，逐级从一级序列预测二级结构，再建立可能的三维模型，根据总结出的空间结构与其一级序列之间的规律，排除不合理的模型，再根据能量最低原理得到修正的结构。
但是，第一类方法遇到在数学上难以解决的多重极小值问题，而逐级预测又受到二级结构预测精度的限制。
图2[2]为蛋白质折叠研究的漏斗模型。
从能量的角度看，漏斗表面上的每一个点代表蛋白质的一种可能的构象，变性状态的蛋白质构象位于漏斗顶面，漏斗最底部的点表示用X-射线单晶衍射或NMR测定的蛋白质天然构象，而漏斗侧面的斜率用来说明蛋白质折叠路径（图3[1]）。
图2图3蛋白质肽链可能存在的构象似乎是无穷无尽的，事实上，肽链寻求的是能量最低的构象。
蛋白质的天然构象不仅主要是肽链内部和肽链之间的相互作用，很大程度上也取决于肽链和水分子的相互作用，应为蛋白质一般处于水环境中。
在水中，蛋白质的非极性部分倾向于形成非极性聚集体，也就是疏水作用。
现在越来越多的人已认识到, 在肽链序列上相隔较远的氨基酸残基间的疏水作用力对维持和稳定蛋白质分子的构象具有重要影响.疏水作用的影响使得蛋白质折叠模型具有一个疏水核。
在预测蛋白质结构时, 面临的困难之一是: 我们所研究的系统要比化学家研究的系统复杂得多. 因而在研究中, 往往要把问题简化. 蛋白质肽链可看成是一个刚性的平面结构. 各个氨基酸侧链之间的差异不仅在于大小和形状, 而且在于它们所具有的理化性质, 特别是侧链所带的电荷以及对水的亲疏性.蛋白质结构预测方法总体上可分为三大类, 即比较建模法、反向折叠法和从头预测法. 近年来, 比较建模法和反向折叠法的研究都已取得重要的进展, 一些商品化计算机软件已投入使用, 并不断被改进. 如Composer 和Threading 等. 这两类方法的共同点是, 在预测目标蛋白质的结构时都要利用已知的结构数据库. 当目标蛋白质找不到同源蛋白质, 或同源性过低时这些方法都无法奏效. 而从头预测法仅利用氨基酸序列和模拟氨基酸间相互作用的模型来预测目标蛋白质的空间结构, 因此具有更大的挑战性. 总体上说, 蛋白质结构的从头预测法涉及三方面的工作[4]. 一是归结出能更好地反映氨基酸间相互作用和环境条件等的数学模型; 其次是建立更有效地区分目标结构正确与否的识别方法; 三是发展更高效的搜索方法用于功能构象的搜索. 适用于蛋白质折叠模拟的具体算法作些介绍, 它们是Monte Carlo 方法、遗传算法和混合遗传算法.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, 几个研究小组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，见图4[3]。
图4蛋白质折叠的动力学研究蛋白质折叠第二个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。
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，都可以导致其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。
对蛋白质变性作用的认识是我国科学家吴宪在三十年代基于他在国内的工作首先提出来的，长期以来已经为国际上广泛接受。
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, 这类蛋白质通常可采用稀释法折叠、复性, 其中研究最多的模型蛋白是溶菌酶[5]。
实际上，研究者所采用的蛋白质体系为简单体系, 其折叠过程机理和动力学与实际体系相差甚远。
绝大多数蛋白质从一条伸展的肽链，折叠成有其特定结构的、有活性的蛋白质，并不是一步完成的，而要经过许多折叠的中间状态。
含有多个亚基的蛋白质分子，亚基间的相互作用使之组装成复杂蛋白分子。
研究人员用实验方法，特别是近年来发展的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。
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。
最近有人尝试大幅度降低温度使折叠速度减慢而得以追踪。
最终，人们要定量地描述整个折叠的动态过程。
图5[6]给出计算机模拟蛋白质折叠轨迹的例子。
图5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。
Ugo Mayor等利用溶液X-射线散射检测到En-HD蛋白折叠过程中的过渡态。
图6蛋白质体内折叠并不是在表达完成后才开始的。
体内严格的调控系统和蛋白质一级结构提供的基因信息与蛋白质折叠是有密切关系的。
在进行蛋白质体外折叠时, 可以分析蛋白质在体内的生物环境, 通过体外施加物理外场、提供化学助剂来模拟体内的生物环境, 从而接近蛋白质需要的最佳折叠状态。
蛋白质在折叠过程中往往形成多个不同的折叠中间态, 这些状态也具有活性, 此时单纯以活性为目标来衡量折叠效果是不完备的, 有时甚至会给出严重的错误信息,蛋白质折叠技术的研究应当将蛋白质结构研究与折叠过程动力学研究相结合以促进对蛋白质折叠机理的认识。
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