蛋白质折叠

分子伴侣的作用机制


分子伴侣的功能是识别新生肽段折叠过程 中暂时暴露的错误结构并与之结合生成复 和物，从而防止这些表面间过早的相互作 用，阻止不正确的非功能折叠途径，抑制 不可逆聚合物产生，促进折叠向正确方向 进行。 分子伴侣的作用机制实际上就是它如何与 靶蛋白识别，结合，又解离的机制。。
分子伴侣的作用过程
成核-凝聚-生长模型
（Nuclear-Condensation-Growth Model）


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。
（二） 蛋白质折叠的问题—— 蛋白质折叠的动力学悖论




蛋白质折叠：热力学和动力学问题 在生理条件下多肽链折叠是热力学上有利 的过程 多肽链折叠是一个动力学的问题 一个在热力学上可以成立的反应由于动力 学能障在实际上未必可以完成。 蛋白质在体外折叠和在细胞内折叠的问题 理论研究和实验研究的问题
N
26 84 72 65
C
95 40 110 58
天然构象，具 有生物活性
除去8 M 尿素和β-巯基乙醇
加入8 M 尿素和β-巯基乙醇
95 58 SH HS SH HS 84 HS HS 72 65 HS 40
二硫键被还原成巯基，蛋 白质变性，无生物活性
110
HS 26
C
N
蛋白质折叠的发现
1961年Anfinsen 发现： 在折叠时，在环境条件（温度，溶剂和组成等） 一定 ，天然结构是一个独特的、稳定的和动力 学自由能最低的。 Anfinsen原理：Anfinsen's dogma，自组装 （self-assembly）学说，“自组装热力学假说”， 是分子生物学的一个假设:顺序决定构象。 Anfinsen因此而获得1972年诺贝尔化学奖。
蛋白质折叠的自组装热力学假说
天然蛋白质多肽链可以在体外复性；
天然蛋白质在生物学环境中处在热力学最稳态； 多肽链的氨基酸序列包含了形成其热力学意义
上稳定的天然构象所必需的全部信息。
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。


（三）金属离子的配位效应 金属离子通过与内源配体（氨基酸侧链基团）和外源配体 （如水分子、卟啉环、有机小分子等）的配位，结合到蛋 白质分子中形成金属活性部位，从而影响蛋白质的折叠过 程以及蛋白质天然结构。 （四）a-螺旋的形成 （五）脯氨酸残基酰胺键的顺反异构化作用
三、参与蛋白质折叠的特殊分子
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
研究蛋白质折叠的意义

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。

蛋白质高级结构的预测
蛋白质折叠研究的潜在应用前景

折叠机制的阐明对包涵体的复性会有重要帮
助。

按照自己意愿设计我们需要的、具有特定功
能的蛋白质。
蛋白质折叠研究的潜在应用前景

深入了解蛋白质折叠与错误折叠的关系对于某些
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过 转录和翻译传入蛋白质的一级序列中，这是一 维信息之间的传递，三联子密码介导了这一传 递过程 第二部分是肽链经过疏水塌缩、空间盘曲、侧 链聚集等折叠过程形成蛋白质的天然构象，同 时获得生物活性，从而将生命信息表达出来 蛋白质折叠是一维信息向三维信息的转化过程
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。
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。
细胞内的蛋白质折叠

体内折叠过程往往与翻译共启始，因此，N-末 端蛋白开始折叠，而C-末端部分仍在合成。 氨基酸序列与折叠密切相关 化学修饰往往与肽链的折叠密切相关 折叠是有序的、由疏水力推动的协同过程。 最近的理论提出了蛋白质折叠氢键的贡献 伴侣分子在折叠中起着辅助性的作用 折叠在越膜转运过程中：解开折叠后才能越膜。
能级形貌（energy landscape）理论
完全变性的多 肽链 (U)
结构离散度或熵
B
自由能
A
中间折叠体的 多肽链 (I)
天然构象的多 肽链 (N)
N
蛋白质折叠的原理



Anfinsen学说：自组装（self-assembly） Ellis1987年提出了蛋白质“辅助性组装学说”。体内蛋 白质折叠往往需要其他辅助因子参与，并伴有ATP的 水解。因此，蛋白质折叠是一个热力学过程，也受动 力学控制。 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。





蛋白质的折叠起始于伸展肽链上的几个位点，在这些位 点上生成不稳定的二级结构单元或疏水簇，主要依靠局 部序列（3-4个残基）相互作用来维系。 疏水簇以非特异性布朗运动方式扩散、碰撞、相互黏附， 导致大的结构生成并增加稳定性。 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。
分子伴侣的特征





分子伴侣对靶蛋白没有高度专一性，同一分 子伴侣可以促进多种氨基酸序列完全不同的 多肽链折叠成为空间结构。蛋白质性质和功 能都不相关。 催化效率很低。需要水解ATP，构象改变， 释放底物，进行再循环。 它是阻止错误折叠，而不是促进正确折叠。 多能性（胁迫保护，防止交联聚沉，转运， 调节转录和复制，组装细胞骨架） 进化保守性
蛋白质折叠的途径
蛋白质折叠的途径

独立折叠

ห้องสมุดไป่ตู้
热休克蛋白70辅助蛋白质折叠 HSP70和伴侣协助配合下折叠

（四）蛋白质折叠的理论模型




框架模型（Framework Model） 疏水塌缩模型（Hydrophobic Collapse Model） 扩散-碰撞-粘合机制 （DiffusionCollision-Adhesion Model） 成核-凝聚-生长模型（NuclearCondensation-Growth Model） 拼版模型（Jig-Saw Puzzle Model）
蛋白质折叠
Protein folding
21世纪的生物学的重要课题
蛋白质合成的基本步骤

蛋白质折叠前后
蛋白质折叠定义
蛋白质折叠:从一条结构松散的多肽链折叠成
具有天然空间结构（三级和四级）的蛋白质分子 的过程称为蛋白质折叠（protein folding）。 狭义是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。 蛋白质折叠是物理过程。多肽折叠成特定功能 的三维结构， “分子伴侣”的发现和鉴定改变了蛋白质折叠 研究的经典概念

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）。
二、决定蛋白质折叠的外部条件 和内在因素



（一）生物大分子的拥挤效应 细胞内蛋白质的总浓度可达到200～300g／L，RNA的浓 度可达到75～150g／L （二）温度和pH的影响 哺乳动物细胞的温度大约在37℃附近，pH值一般在中性 范围内。蛋白质复性如果在体外这样的条件下进行，通常 会形成大量的聚集物，具有生物活性的蛋白质的回收率也 极低。为了得到高产率的复性，往往降低温度到4℃，复 性蛋白的浓度也很低，通常大约在1mg/ml。针对不同的 蛋白，体外折叠所选用的pH值范围也很不同。
疾病的致病机制的阐明以及治疗方法的寻找将大 有帮助。

基因组序列的发展使我们得到了大量的蛋白质序 列，结构信息的获得对于揭示它们的生物学功能 是十分重要的。
一、研究蛋白质折叠的三个阶段 （一）蛋白质折叠的热力学假说
1961年 Anfinsen发现 核糖核酸酶 可 变性后重折叠， 同时保持酶活 性，从而表明 蛋白折叠所有 要求的信息在 其一级结构内。
蛋白质折叠的动力学学说认为在蛋白折 叠途径中存在着某个或某些能级势垒， 阻碍蛋白质形成最稳定的空间构象，从 而使得蛋白质结构处在某种亚稳态。
Ii Ij
U
I1
I2
N
Ai
Aj
（三）蛋白质折叠的能级形貌理论 为了解决了热力学假说和动力学悖论之间的矛盾，人们 又提出了能级形貌（energy landscape）理论。该理论认 为，蛋白质分子是一组具有不同结构状态的分子群，在折 叠过程中各个分子沿着各自途径进行折叠，不存在单一的 、特异的折叠途径。在折叠初期，分子结构松散，自由能 大，可选择的构象熵（conformational entropy）也大。 蛋白质多肽链（随机结构）通过构象塌陷或表面张力或疏 水作用形成紧凑结构。这些结构在拓扑学上同蛋白质活性 结构显示类似性，表现出结果的局部趋稳性。随着折叠的 进行，这些结构经过局部的重构造，折叠中间体数目不断 减少，形成的折叠中间体的构象越来越稳定，即自由能越 来越小，构象熵越来越小，最终形成热力学最稳定的、自 由能最小的、唯一的天然构象，这一系列逐步收敛的变化 呈漏斗状。
疏水塌缩模型
（Hydrophobic Collapse Model）


在疏水塌缩模型 中，疏水作用力被认为是 在蛋白质折叠过程中起决定性作用的力的 因素。 在形成任何二级结构和三级结构之前首先 发生很快的非特异性的疏水塌缩。
扩散-碰撞-粘合机制
Diffusion-Collision-Adhesion Model）