分子伴侣与蛋白质的折叠

分子伴侣与蛋白质的折叠
摘要：蛋白质的折叠的研究，是科学家研究蛋白质生物活性的重要部分。

蛋白质是一种生物大分子，要经过折叠，组装，形成特定的空间的三维形状才能有活性的。

肽链的折叠过程往往不能百分百的折叠正确，需要分子伴侣协助，以及纠正。

本文主要介绍分子伴侣由来与蛋白质的折叠，大分子物质对蛋白质折叠的影响，以及分子伴侣在蛋白质的折叠过程中起到的作用和原理。

关键词：分子伴侣蛋白质折叠
1分子伴侣
1.1分子伴侣的定义由来
在1978年，Laskey发现DNA和组蛋白在重组的时候，发现完成这过程必需要有细胞核内的一种酸性蛋白质-核质素的参与，不然就会形成沉淀而不能形成核小体，Laskey就给这种核质素起名“mo-lecular chaperone"。

1987年Ellis正式在《NA TURE》提出分子伴侣的概念。

对分子伴侣的比较贴切的定义是1993年Ellis给的：分子伴侣是一类相互之间有关系的蛋白质他们的功能是帮助其他含多肽结构的物质在体内进行正确的非共价的组装，并且不是在组装完成结构在发挥其正常的生物功能时的组成部分。

分子伴侣广泛分布于各种生物体,包括了几种类型的蛋白质[1],大多为应激蛋白。

主要的有热休克蛋白70(HSP70)、HSP90、伴侣素(包括HPSP60和HSP10)和核浆素等。

1.2 分子伴侣与蛋白质复性
蛋白质的变性的定义是：环境变化或化学物质使蛋白质的天然构象遭到破坏。

蛋白质的变性的逆过程是蛋白质的复性，蛋白质的复性必然会需要除了共价的肽键和二硫键外的大量复杂的次级键的复合，因为次级键功能是维持蛋白质分子三维结构。

在蛋白质的复性过程中，必然是次级键的复合的正确途径与错误途径相互竞争的，因此只有提高正确途径的竞争，才能提高蛋白质复性效率。

目前研究表明分子伴侣的作用机制[2]：通过与变性蛋白质在复性中暴露的反应表表面结合，从而阻止这些反应表面与其他区域作用产生不正确的构型来完成的。

研究表明蛋白质在蛋白质复性中有两个作用[3]：(1)帮助变性蛋自质完成正确的折叠;(2)在A TP的存在下负责对正在复性或复性好的蛋自质进行监控，防止蛋自质错误折叠。

据了解分子伴侣没有包括控制蛋白质正确折叠的立体信息，它主要阻止肽链在折叠完成之前其分子内部或者多肽链之间的非特异性的凝聚即是分子内和多肽链之间的相互作用，增加了处于折叠中间态的多肽链正确折叠的概率，从而提升了蛋白质正确折叠的效率。

近年来，学者对分子伴侣与蛋白质复性的研究越来越多。

“小分子伴侣”是指GroEL顶端区域氨基酸残基191-345的片段,其N端融合了由17个氨基酸组成的组氨酸标签,由Zahn 等于1996年首次构建,该片段可以在大肠杆菌中表达,其发酵产量可达到556. 3mg/L[4]。

其作用原理是它们保留了GroEL顶部区域的多肽结合部位,能够和底物蛋白质以1∶1形成瞬间的结合物,使变性蛋白质相应的成单分形式,从而防止多肽链的错误折叠,抑制聚集体的形成保证在隔离的条件下进行复性。

关怡新等[5]在重组人γ-干扰素(rhIFN-γ)体外复性中,初始蛋白质浓度为100mg/L,加入分子伴侣GroEL 191-345,复性后蛋白回收率提高了2.2倍,活性提高了近3倍。

1.3 分子伴侣相互作用
蛋白质在体内可以快速折叠形成，主要原因第一是分子伴侣，第二是折叠酶。

分子伴侣之间的协同作用是使蛋白质折叠高效形成的重要因素。

目前分子之间的协同作用主要有两种模式[6]，第一：pathway model。

这种模式是：分子伴侣之间的相互偶联参与调节新生多肽的
结合，释放等循环反应，保证多肽链正确折叠。

第二：modelnetwork。

这种模式是通过分子伴侣通过与非天然态的蛋白质结合，即是分子伴侣可与底物竞争性结合，来减少非正常的蛋白质的存在。

Teter等[7]体内实验表明,在真核生物中，Hsp70主要参与新生肽的折叠，而在原核生物中,还必须有Teter的协同参与才能保证Hsp70的正常功能。

然而某些蛋白质亚基的折叠还需要chaperonin的参与，如硫氰酸酶(rhodanese)的折叠需要DnaK，GroEL和cheronin三者间协同作用。

2蛋白质的折叠
2.1 蛋白质折叠过程以及原理
蛋白质是经过DNA的遗传信息转录到RNA，在通过核糖体翻译成多肽链，其间要经过氨基酸脱水缩合（肽键的形成），肽链通过盘曲，折叠形成特定的空间结构，通过一个或者多个肽链想和组合的。

蛋白质的折叠过程要经历蛋白质的一级，二级，三级，四级结构的形成，这样才能形成有活性的蛋白质。

目前得知蛋白质的折叠受到热力学和动力学的控制[8]。

根据Anfinsen提出的蛋白质折叠的热力学假说，蛋白质的多肽链形成天然构象是在满足热力学上的自由能最低和最稳定结构条件形成的。

因此有些变性蛋白质能够在体外自动复性。

随着研究的深入发现，一条肽链能够形成两种最低能量和稳定的结构的构象态：一种是天然构象，一种是非天然构象。

研究证实[9]，I型人类胰岛素生长因子存在两种稳定的构象：一种是天然构象，另一种是具有错配的二硫键的非天然的构象；这两种构象的多肽链的自由能大小基本相当。

目前了解到一条肽链的折叠受到很多因素影响，但是蛋白质的折叠是遵循热力学原理的，其折叠过程要受到动力学上的控制。

热力学控制与动力学控制在蛋白多肽链的正确折叠中是相辅相成的,但对不同蛋白质的折叠,二者所起作用大小可能有所不同。

小分子和单一结构域的蛋白质的折叠过程比较简单,在热力学控制下较易完成;而对结构较复杂的蛋白质,特别是对那些在折叠过程中需要进行二硫键重排和肽酰脯氨酰顺反异构的蛋白质来说,尽管其折叠受热力学原理支配,但动力学控制对其能采取正确的折叠途径是必不可少的。

2.2大分子影响蛋白质的折叠
多肽链折叠与合成是一个偶联的过程，而且多肽链合成具有方向性。

在未完成天然蛋白质分子的未折叠肽链的疏水区会与其他的蛋白质的暴露的疏水区或者和其他大分子的疏水基团发生疏水相互作用，而发生凝聚现象导致蛋白质分子无法正常折叠或者形成没有活性的蛋白质。

尤其是在细胞内的有成千上万的大分子，它们聚集在一起，这样使细胞内的大分子浓度很高。

例如红细胞仅血红蛋白的浓度就达到350g/L[10],大肠杆菌细胞质中蛋白质和RNA 的总浓度根本生长期的不同约为300到400g/L。

这样的结果是细胞容积的20%到30%被大分子所占据。

因此蛋白质在细胞内折叠会受到大分子拥挤的影响，产生不正常折叠。

2.3 分子伴侣对蛋白质作用
天然态的蛋白质处于相对稳定状态，在外界因素变化的时候，其折叠中间体的疏水区会暴露，就会发生聚集现象，形成蛋白质聚合物。

目前可以得知分子伴侣在蛋白质的折叠过程中有着重要作用，在蛋白质折叠中，有它可以使折叠错误的蛋白质进行降解，可以使未完成形成蛋白质聚集体的蛋白质重新折叠，恢复其水溶性，可以阻碍多肽链聚集。

因此分子伴侣可以增加蛋白质的正确折叠效率，所以蛋白质在体外复性要很久，而在体内只需要几分钟都不到的原因。

总结：分子伴侣的定义是根据蛋白质折叠过程中提出来的，其主要功能是帮助蛋白质的折叠，增加其正确的蛋白质的折叠效率。

但是目前对分子伴侣对蛋白质的折叠的作用机制仍然不是很明确，对于非天然构象的什么特征能够被分子伴侣识别仍不是清楚的。

根据目前研究得知，分子伴侣是通过与蛋白质的疏水区结合，相互作用。

因此，对于这部分，我们仍需
加以研究。

参考文献
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[3]张金玲。

分子伴侣及小分子伴侣，人工分子伴侣与蛋白复性。

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[4]张佳艺，关怡新，姚善径，小分子伴侣GroEL( 191-345)在Ecolii的表达极其培养条件的优化[j]。

浙江农业人学学报，2003,29(6):603-608
[5]关怡新，费峥峥，岁曼等。

小分子伴侣协助重组Y一干扰素体外复性研[j]生物化学与生物物进展。

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分子伴侣与蛋白质折叠的研究进展。

2006，08(30):117
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2008 06(02):12-12。

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