5.蛋白质折叠与伴侣蛋白

蛋白质折叠与伴侣蛋白
2010遗传学
蛋白质折叠
一、蛋白质折叠问题的主要方面：蛋白质折叠和错误折叠的基本概念蛋白质折叠研究的一个例子
二、体内蛋白质的折叠
蛋白质折叠的真正意思是什么？
现在，蛋白质折叠主要涉及下面三个方面：蛋白质结构
蛋白质体内外的折叠/错误折叠（途径）蛋白质结构预测（生物信息学/生物计算机）
（一）蛋白质的主要功能：
酶一一生物催化剂运输一一呼吸系统信使一一激素
调节一一读出DNA中储存的遗传信息抗体免疫系统
储存一一铁蛋白储存铁
结构——肌肉蛋白质生物学功能与它们的三维结构紧密相关。

（二）为什么要研究蛋白质折叠？
是什么使蛋白质稳定：动力学稳定或是热力学稳定? 如果我们设计一种新蛋白，它会折叠吗？过度表达的蛋白生成
错误折叠导致的疾病
（三）怎样去观察一个蛋白质？
只是主链（主链加侧链——所有的原子）带状结构、空间结构、表面
圆筒表示螺旋；平箭头表示片状
（四）结构类型
（五）稳定蛋白质结构的作用力
（六）蛋白质折叠问题
看另外一本讲义
（七）非折叠实验
看另外一本讲义
（八）动力学与热力学
看另外一本讲义
（九）蛋白质折叠的四种经典机制
（必考！）
（1）成核/发展：先形成一个二级结构单位，再添加上其它的
（2）扩散一碰撞：形成所有的二级结构，再形成三级结构
（3）疏水折拢：蛋白质先紧密起来，再形成二级结构4）Jigsaw：蛋白质先形成不同的解折叠状态，经由不同的通路
纤维——扩展的，不可溶的球状一一紧密的，可溶的
糖蛋白一一部分脂溶性
到目前为止，我们知道是（一些可能性）：1、蛋白质先形成二级结构，环状或者片状，再进行排列
2、or:疏水折拢：疏水残基，骨架重排和固定二级结构
4、or :一些主要残基相互作用，形成二级结构和疏水核心
5、or :一些混合物
6、or:不同的蛋白质行为不同，没有规则可循
（总结）各级蛋白质折叠特征
（1）小范围折叠，然后形成大范围折叠并联合
（2）形成一些二级结构的聚集体，这些多聚体再形成有
序的二级结构
（3）稳定二级结构，并形成三级结构
of Fnetxiom
（曾）
⑷固定内部空腔和H键，排除中心水分子（5）四级结构定位，或是域的组建
（十）蛋白质折叠的现代理论
反应途径许多分子有一样的Q,但是构象不同
我们需要至少两种动力学状态
障碍来自哪里？
蛋白质折叠引起的疾病
1）镰刀型红细胞
（2 ）朊病毒病
（3）纤维或淀粉蛋白结构——帕金森病
（4）与癌症相关一一P53
（5 ）与2型糖尿病相关
引起错误折叠的四个原因
（1）关键位点的错误氨基酸导致错误的折叠动力学（2）分子伴侣失去作用
（3）在细胞的拥挤环境中其它分子不恰当作用导致错误折叠
（A）熵障碍
△ G= U - T △ S
如果分子绕着走，需要很长时间，看起来与能量障碍一样。

（B）能量障碍
蛋白质折叠的漏掉模型：
从大到小： 高能高熵（低稳定状态）到低能低熵状态 注：最低自由能状态就是天然状态
Protein folding in vivo
（一） 蛋白质折叠术语
内质网：真核细胞中的有膜的细胞器，脂类的合成以 及一些蛋白质的翻译后修饰在那里发生
线粒体：真核细胞器，柠檬酸循环，脂肪酸氧化作用, 和氧化磷酸化在那里发生
分子伴侣：是一类蛋白质，与未折叠的或者错误折叠 的蛋白质结合，重新折叠成蛋白质的四级结构。

（二） 细胞区域与折叠
■nfenMnww MM *
ABfer MI Mfeai
M
真核:
细胞溶胶：蛋白质合成，折叠与装配 细胞外：蛋白质以折叠形式输出 线粒体：蛋白质合成受到限制，产生能量 叶绿体：蛋
白质合成受到限制，收获光能
内质网：未折叠的蛋白质输入后进行蛋白质的加工 过氧化物酶体：未折叠的蛋白质输入 细胞核：未折叠的蛋白质输入 溶酶体：未折叠的蛋白质输入，讲解
原核：
胞质溶胶：蛋白质合成 周质：输入和折叠周质蛋白 细胞外：蛋白以折叠形式输出
太古菌：
胞质溶胶：蛋白质合成 细胞外：蛋白以折叠形式输出
（三）Folding in vitro vs. in vivo
细胞外：蛋白质在促溶剂中变性一-在缓冲液中加入 稀释液一-折叠后的蛋白质形成
细胞内：翻译后形成的未折叠的蛋白质一-折叠一-> 折叠后的蛋白质
二者的不同：
（1） 一个是在瞬间获得可以折叠的信息， 另外一个是
逐渐的
（2） 细
胞内的环境与胞外有很大不同
ideal I zed funnel landscape
As the ch&ln forms hnc 畀（各扫柑 n-umbers of lintrachein coritBcts, and lowers its internal free energy. it& confsirmational freedam is ai^c reduced
l^ndseapa :
multi -statt
N
A rugged Iandlscape with kin 爭tit t 彈 p 爭 energy barriers, and sonii
B narrow throughway paths to native. Folding ican be muttistate
（四）与翻译共同发生的折叠
一些蛋白是在核糖体合成之后在胞质内直接折叠的; 而有些是在核糖体合成后转运到膜外再折叠的最先合成的肽连的30个氨基酸发生折叠是被强迫的当新生的蛋白链被挤出核糖体时就开始折叠，伴随着翻译过程
（五）大分子群集
当在体外进行蛋白质的实验时，我们应该考虑到以下几个方面：
（1）蛋白质在体外隔离的环境中的行为与体内不同（2）结合的物质消失
（3）翻译后修饰消失
（4）细胞环境不同
（三）化学的伴侣蛋白
（1）一类小分子提高蛋白质的稳定性，以及帮助蛋
白质正确折叠和装配；
（2）在细胞压力下，如热休克，能帮助蛋白质避免不正确的折叠和聚集；
（3）一个正确的方法去测定就是看他们怎样防止蛋白质的聚集；
（4）蛋白质的聚集可以通过分光光度计量学在360nm，光散射因为蛋白质聚集可以检测到。

（四）在蛋白质折叠中的伴侣蛋白
1、分子伴侣家族概述
（1 ）伴侣蛋白在真核，细菌和太古菌的分布
Eukiiryoles
在1970年代，分子伴侣用来描述核浆素的特性，他是防止组蛋白和DNA之间的错误作用；在80年代，更2、多基因家族
①并不是所有的分子伴侣都在这三个界中存在，有的
多的是用来描述在蛋白质折叠与装配的过程中发挥作是特异性的并且只存在于一个界中。

用的不同的细胞内的蛋白。

（一）分子伴侣的功能（1）控制不正确的折叠的蛋白质
（2）调节折叠途径
（3 ）控制折叠蛋白的活性和稳定性②真核生物不仅包括多家族的分子伴侣，并且每个家族还有多个成员
③可能与发育过程的多样性有关: 并
且有多种细胞功能
④细菌和太古菌也含有多基因家族
⑤潜在的发挥功能的重叠（Hsp70在相同或者不同的
（二）分子内的伴侣蛋白
区域）
⑥功能可以被其他分子伴侣家族取代
eg：Subtilisin E （枯草蛋白酶E ）是一个非特异性的蛋白酶，翻译后的蛋白质为352氨基酸，前肽为77 氨基酸，成熟为275，若在未折叠前移去前肽，则不能进行正确的折叠
3、不同位点具有不同功能（分子伴侣的定位非常重要）
①细胞质溶胶：核糖体束缚？可溶的？是否与特殊结构有关？②细胞膜：钙连接蛋白；一定在多肽附近进入
③细胞外：例如丛生蛋白与很多胞外蛋白结合
④细胞器：必须有序列标签与之结合；伴侣需要它自身的折叠
⑤胞质：例如，PapD/FimC 是菌毛折叠和装配所需的
4 、共定位：分子伴侣与其他分子共定位：
群集对蛋白质折叠影响:
变形的溶菌酶（氧化性的或者还原性的），在稀释缓冲液中与不同的群集溶剂结合，测定溶菌酶的活性：IIspTO sysLem prcfbldin
发现氧化活性未有太大变化，还原活性因为群集溶剂•…
的假如活性降低small lisps
Hsp90
-Trigger Factor
NAC —
----------------------- 1 ------------ ---------- —[IspTO system Hsp70 sv'steni
prefbldin -
[ ”
chap^roiiins (group II) chaperonins (Group I)
small lisps [small lisps]
-[Hsp90]
AAA ATPa&es AAA ATPases 非天然蛋白
非天然蛋白的疏水侧连暴露在外面，而正常蛋白质的疏
水侧链在蛋白质的内部
这些疏水侧链有与其他疏水侧链结合的很强的趋性AAA ATPa&es
Sc<;B - [P 叩D FimU]
（解决）分子伴侣：（2 ）新生蛋白的伴侣蛋白：TF,NAC,Hsp70
Hip. Hup, Bag, cluiicrin,
c(tfactors A-E. calneyin,
caireticulin, etc. etc.
EUcteria
真核生物有细胞器,
☆其他分子伴侣
☆蛋白降界机制
☆不同的底物
(五)细胞伴侣蛋白
1、新生链结合复合体TF( 触发因子 )
①属于新生肽链结合伴侣蛋白
②最有效的肽酰-脯氨酰-顺反式异构酶
③发挥传统的分子伴侣作用，如结合非天然蛋白
④与核糖体结合(与核糖体50S 亚基的RNA 相互作
用，但是还有一些是在细胞溶胶中起作用)
⑤与大的新生肽链片段起作用(交联)
⑥在细菌中普遍存在，在真核和太古菌中，在含有
FKBP 的区域也存在
⑦缺失不是致命的，然而当敲除细菌的Hsp70 缺失是致死
的，Hsp70 也能结合新生链
⑧晶体结构表明他有一个口袋，结合蛋白质
2、新生链结合复合体NAC (新链结合复合物)
(1 ［①真核蛋白包括alpha and beta 亚基，太古菌只包括beta 亚基
②与TF 一样与核糖体结合
③不包括类似与肽酰-脯氨酰-顺反式异构酶的区域
( 2 )基本的功能：
①防止SRP (信号识别体)不正确作用于新生的肽链
②如果ER (粗面内质网)的信号肽序列存在，SRP 就与新生肽链结合，使翻译终止，信号肽序列切除
③若ER (粗面内质网)的信号肽序列不存在，NAC防止SRP 结合新生肽链
④有证据表明他可能帮助作用与线粒体
3、新生链结合复合体Hsp70 (1)几乎所有的有蛋白质折叠发生的区域都发现
真核生物胞质溶胶(Hsp70 ) 细菌(DnaK )
-线粒体(mt-Hsp70 )
-叶绿体(cp-Hsp70 )
-内质网(BiP)
-在酵母和线虫中至少有14 中不同的Hsp70
( 2 )一个另人惊讶的例外
在所有的太古菌中没有发现，这是一个自相矛盾理由是：
①他已经被证明是结合新生多肽链
②他可以与新生多肽链结合在真核生物和细菌中
③他在新生蛋白折叠中非常重要
(3)Hsp70 在新生蛋白发生中的功能
①Hsp70 被认为是在早期蛋白质合成中结合和稳定新生肽链防止错误折叠和聚集
②Hsp70 的结合和释放，以依赖ATP 的形式可能帮助蛋白质折叠的天然的状态，也可能转移未折叠的蛋白到其他的分子伴侣中
④Hsp70 在抵抗细胞压力中起作用如耐热性并且还有其他多种功能
⑤他可以与其他分子伴侣共同起作用
( 4)Hsp70 的结构
①整个分子的构象还是没有完全弄清楚
②在ATP 酶和肽链结合区域有一个柔韧的连接(~70
③多肽结合区域含有beta 折叠片，还有环，含有与肽链相互作用的残基，还含有alpha 螺旋，被ATP 酶活性所调节
④它结合短的疏水序列：结合位点或者被完全包埋或是部分包埋
4、细菌的DnaK功能循环
DnaJ (Hsp40 同源的) 与未折叠的蛋白有亲和力，并且将其运送给DnaK
DnaK 有迅速的上升或下降的肽链结合速率，当
ATP 结合时
DnaJ帮助积累DnaK's的ATP酶
DnaK has 有缓慢的上升或下降的肽链结合速率，当ADP 结合时，也就是说他与ADP 的结合是稳定的
GrpE是一个核甘酸转换因子，他打开Dn aK's的核甘酸结合位点，使他释放ADP 然后重新结合ATP 释放的蛋白之后可
能被折叠或者重新结合
Released proteins may then be DnaJ/DnaK 进入又
一次的循环，或者与分子伴侣相互作用
5、D naJ (Hsp40)
Hsp40 可能直接结合新生肽链，并传给Hsp70 虽然它是一个能独立发挥作用的分子伴侣，但是大部分情况下与Hsp70 结合发挥作用在真核生物而后细菌中有不同的Hsp40 ，一些因为Hsp70's的不同而不同，一些准确的调节Hsp70's的
功能和定位
还存在着一些另外的伴侣蛋白调节Hsp70 ' ｛如Hip and Bag ，他们影响Hsp70 的ATP 酶活性
在酵母中zuotin 是一个RNA 结合的Hsp40 伴侣蛋白，细胞溶质中Hsp70 与他相互作用结合新生肽链
6、新生链结合复合体prefoldin
（1）发现：
对酵母的gamma 微管蛋白蛋白致死突变的基因进行分析是发现5 个基因段裂，使细胞骨架受损肌动蛋白，对渗透压敏感，段裂的微观蛋白微管蛋白，对benomyl 敏感，另外一个实验室独立的提取出牛蛋白复合体包含有6 个可以与未折叠的肌动蛋白和微管蛋白结合的蛋白酵母复合体后来也被提取出来，证明含有与牛蛋白符合体中同源的蛋白
（2）特性：
- 与肌动蛋白和微管蛋白合成致死，以及突变发生与微观合成过程中
- 可能在肌动蛋白和微管蛋白的合成过程中与细胞溶质中的chaperonin 共同作用
（3）Prefoldin 亚基结构
（4）Prefoldin 四级结构
（5）Prefoldin 类似Hsp70 功能？
① Prefoldin 在所有的太古菌中被发现，但是Hsp70 不存在
② prefoldin 的机制明显不同于Hsp70 ，但是总体功能与起相似
- 都与新生肽链结合
- prefoldin 可以稳定未折叠的新生蛋白使之随后被chaperonin 折叠
③ 太古菌的archaeal prefoldin 都在14-62 kDa 太古菌的prefoldin （含有两个不同的亚基）可能在蛋白质折叠中起这总体作用，但是真核生物伴侣蛋白（含有6 个不同亚基）还有特异性的功能如真核生物细胞溶胶中的chaperonin ，含有8 个不同的亚基，太古菌含有1 or
2 亚基细菌含有1 亚基
④prefoldin 的出现可能解决了在太古菌中没有Hsp70 的问题大的分子伴侣以及同底物的相互作用
（五）细胞伴侣蛋白
看一本讲义注：此版本是参考多方材料整理的，难免会有错
漏，这里仅供参考，大家还是以课本和老师所讲为准。