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7 分子伴侣（MolecularChaperone ）
1978年Laskey发现组蛋白和DNA在体外的组装需要核内 酸性蛋白nucleoplasmin Ellis，核酮糖1,5-二磷酸羧化酶—加氧酶(Rubisco)，在叶 绿体中合成的8个大亚基和细胞质中合成的8个小亚基都必须 先和一种蛋白结合后,才能在叶绿体内组装成活性酶分子。 1987年Ellis正式提出 “MolecularChaperone”的概念：伴随新 生肽链并帮助它折叠和成熟为具有完整结构和功能的蛋白质。 一类相互之间没有关系的蛋白, 其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,并且不是组装完成 的结构在发挥其正常的生物功能时的组成部分。
蛋白质折叠的动力学
A. 框架模型(Framework model):
在蛋白质折叠的过程中大约有15个氨基酸残基的多肽链首先折叠为瞬 态的α螺旋或β片层结构的二级结构单元，然后这种瞬态的结构通过扩 散彼此接近形成αα、αβ 或ββ的复合结构而获得稳定。这种复合结构又 称为折叠单元。折叠单元作为一个核心吸引和稳定其它摆动着的二级 结构单元，形成折叠框架，其它的侧链将适应这个框架。
漏斗模型
一个漏斗状的能量表面上，蛋白可能 通过一系列不同的路径进行折叠 。
Thermodynamic stability is The unfolded states are characterized not evenly distributed over the by a high degree of conformational structure of a protein—the entropy and relatively high free molecule has regions of high energy. As folding proceeds, the and low stability. The regions narrowing of the funnel represents a of low stability allow decrease in the number ofa protein to alter its conformation conformational species present. Small depressions along the sides of the freebetween two or more states. energy funnel represent semistable The variations in the stability intermediates within a briefly slow the of regions that can given folding process.often essentialof the protein are At the bottom to funnel, an ensemble of folding protein function.
复性:当变性因素除去后，变性蛋白质又可恢复到天然构象，这一
现象称为蛋白质的复性（renaturation）
是否所有变性都能复性?
Protein denaturation
Unfolding is a cooperative process: loss of structure in one part of the protein destabilizes other parts.
GroEL型的Cpns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60KD。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。 TRiC型（TCP-1环状复合物）存在于古细菌和真核细胞质中， 由双层8或9元环组成，亚基分子量约为55KD，没有类似 GroES的辅助因子，而且只有古细菌中的成员有应急诱导性。
intermediates has been reduced to a single native conformation.
蛋白质折叠与“折叠病”
“折叠病”：由于蛋白质结构或构象改变引起的疾病，主要是 由于蛋白质折叠异常而造成分子聚集甚至沉淀或不能正常转 运到位所引起的疾病 。如阿兹海默症(Alzheimer„s)，疯牛病 (Mad Cow, BSE)，可传播性海绵状脑病(CJD)，肌萎缩性脊 髓侧索硬化症(ALS)，帕金森氏症(Parkinson‟s)等 。
C. 扩散-碰撞-粘合机制 （Diffusion-Collision-Adhesion Model）
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者疏水簇，主要依靠局部序 列的进程或中程（3-4个残基）相互作用来维系。它们以非 特异性布朗运动的方式扩散、碰撞、相互黏附，导致大的结 构生成并因此而增加了稳定性。进一步的碰撞形成具有疏水 核心和二级结构的类熔球态中间体的球状结构。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。最后无活性的高度有序熔球态转变为完整的有活力的天 然态。
蛋白质折叠是生物化学和分子生物学的前沿课题之一
分子生物学的中心法则：DNA 蛋白质
！ →
RNA
→
！
多肽→
？
蛋白质作为生命信息的表达载体，它折叠所形成的特定空间结 构是其具有生物学功能的基础，这个一维信息向三维信息的转化 过程是表现生命活力所必需的。 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??? 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
核糖核酸酶 Ribonuclease
由124 个氨基酸组成的蛋 白质，有四对二硫键， 其组合有105种的可能方 式。
Denaturation of ribonuclease
结论: (i)决定核糖核酸酶的三级
结构的信息存在于其氨基酸序列
中。顺序决定构象。 (ii)天然构象具有最小的自 由能, 是最稳定的结构状态。
热休克蛋白(heatshockproteins,HSP)
真核细胞和原核细胞内均可产生，许多刺激, 如高温、病毒感染、 发热、炎症、组织损伤、代谢性疾病、癌症等均可使HSP含量 异常升高, 正常细胞中也存在多种有活性的HSP, 在调节细胞生 长、分化、免疫和存活中发挥重要作用。因而, 现在广义地称其 为应激蛋白(stressproteins)。
蛋白质折叠的热力学
蛋白质结构的稳定性可用蛋白质去折叠过程的自由能来表示， 如以N表示天然构象，以D 表示伸展构象，则： N 、D之间处于动态平衡。
天然态和伸展态之间有自由能之差ΔG
ΔG= GD-GN
由各种计算方法，人们可以计算在天然态和变性态的热量和定 压热容、D>N 的数值、与溶剂的接触、有序度等，可通过这些 计算结果作出一系列的氢键断裂、折叠程度、温度与有序度， 以及在某一温度下与溶剂接触的影响等曲线，从而研究某一具 体的蛋白质的折叠稳定性及其与周围环境的关系等。
疯牛病，由一种称为Prion的蛋白质的感染引起，这种蛋白质也
可以感染人而引起神经系统疾病。在正常机体中，Prion是正常
神经活动所需要的蛋白质，而致病Prion与正常Prion的一级结构完
全相同，只是空间结构不同。致病蛋白Prion通过蛋白分子间的
作用而导致正常蛋白Prion转变为致病的折叠状态！
Conformational transition: from alpha-helix rich to beta-sheet rich
6 蛋白质折叠
蛋白质凭借相互作用在细胞环境(特定的酸碱度、温度等)下 自我组装的过程被称为蛋白质折叠。
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、稳定性及其与生物活性的关系。 从广义上理解，新生肽链的折叠包括多肽链从核糖体上合 成出现直到成熟为功能蛋白分子的全过程。
蛋白质变性
蛋白质折叠
分子伴侣 蛋白质结构预测
5 蛋白质变性
天然蛋白质因受物理、化学因素的影响，使蛋白质的天然构 象遭到破坏导致其生物活性丧失,溶解度降低,不对称性增高, 以及其它物理、化学性质发生改变,这种现象称为蛋白质的变 性(denaturation)。
变性是由于分子中次级键破坏,不涉及共价键的破坏。
Reductant and reduction
disulfides (cystines)
sulfhydryls (cysteines)
巯基乙醇
5.3 蛋白质序列决定其三级结构
（多肽链的氨基酸序列包含了形成其热力学上稳定的天然构象
所必需的全部信息。 C.Anfinsen ，1972年诺贝尔化学奖 ）
因而它们能提高折叠反应的产率而不一定能提高其速率。
分子伴侣识别新生肽段折叠过程中暂时暴露的错误结构，与之结 合，生成复和物，从而防止这些表面之间过早的相互作用，阻止不 正确的非功能的折叠途径，抑制不可逆聚合物产生，从而促进折叠 向正确方向进行。 折叠过程是一个正确途径和错误途径相互竞争的过程，为了提高 蛋白质生物合成的效率，应该有帮助正确途径的竞争机制，分子伴 侣就是这样通过进化应运而生的。
B. 疏水折叠模型(Hydrophobic Collapse Model)和熔融 球态模型(Molten Globule Model):
折叠是由疏水折叠开始的，即某些疏水片段首先聚集在一起，
然后进一步聚集长大，形成一种称为熔融球蛋白中间体。这 是一种具有二级结构但很少有三级相互作用的结构，疏水残 基有很大一部分暴露在溶剂中。
变性过程中,往往发生:
生物活性丧失 疏水基外露,溶解度降低,粘度增加,光吸收系数改变 易被蛋白酶水解
5.1 蛋白质变性剂
加热：破坏氢键作用 pH值：极端pH值可改变分子内的净电荷，导致静电排斥并破
坏氢键作用
尿素与盐酸胍: 可使蛋白质结构中的氢键断裂，增加了非极性分子包括
氨基酸侧链的溶解度，减少了疏水相互作用；脲还可深入到蛋白质分子的内 部影响蛋白质分子的密堆积。
去污剂:十二烷基硫酸钠(SDS),破坏疏水作用
尿素
盐酸胍
5.2 蛋白质变性的几个要点
吴宪19世纪30年代: 蛋白质变性的第一个合理的学说，蛋
白质的变性是由于蛋白质分子由折叠而变为舒展。
变性是协同过程: 当变性因素增强时最初并不能观察到蛋白
质分子的结构有何变化，而当达到某一阈值时由于某些关键性 的次级键的变化而导致蛋白质构象的急剧变化。二态模型
不同的HSP分子以亚基分子量(KD)来命名, 按照亚基分子量大 小可将HSP分为4组, 即:HSP70家族、HSP60家族、HSP90家 族和低分子量HSP。
1) 伴侣素家族（chaperonin, Cpn） Cpn家族是具有独特的双层7-9元环状结构的寡聚蛋白，它们 以依赖ATP的方式促进体内正常和应急条件下的蛋白质折叠。 分为两组：GroEL(Hsp60)家族和TriC家族。
分子伴侣的主要分类
1) 伴侣素家族（chaperonin, Cpn） 2) 应激蛋白70家族(Stress-70 family)/热休克蛋白70家族 （Hsp70 family） 3）应激蛋白90家族(Stress-90 family)/即热休克蛋白90家族 （Hsp90 family） 4) 其他种类的分子伴侣
曲成有一定空间结构和完整生物学功能的蛋白质，原因:在多肽 链的折叠上出了问题。
蛋白质折叠不是通过自由搜索找到自由能最低的构象: 积累 选择作用。
假设一个由100 个氨基酸组成的小蛋白质中每个氨基酸残基有三种 不同的构象的话，那么总的构象数将是3100 =5×1047 ，如果从一种 构象变为另一种构象所需要的时间为10 -13秒,那么在上述的构象空 间寻求一遍需要5×1047 ×10-13＝5×1034 秒＝1.6×1027 年！ 而实际 上蛋白质的折叠是在10－1～10 3 秒内完成的。结论：蛋白质的折叠 不是一个对各种可能构象进行随机采样的过程。
分子伴侣的作用
分子伴侣是与其他蛋白不稳定构象相结合并使之稳定的蛋白，它 们通过控制结合和释放来帮助被结合多肽在体内的折叠、组装、转 运或降解等。分子伴侣本身不包括控制正确折叠所需的构象信息， 而只是阻止非天然态多肽链内部的或相互间的非正确相互作用，或 者说它们给处于折叠中间态的多肽链提供了更多的正确折叠的机会，
百度文库
7 分子伴侣（MolecularChaperone ）
1978年Laskey发现组蛋白和DNA在体外的组装需要核内 酸性蛋白nucleoplasmin Ellis，核酮糖1,5-二磷酸羧化酶—加氧酶(Rubisco)，在叶 绿体中合成的8个大亚基和细胞质中合成的8个小亚基都必须 先和一种蛋白结合后,才能在叶绿体内组装成活性酶分子。 1987年Ellis正式提出 “MolecularChaperone”的概念：伴随新 生肽链并帮助它折叠和成熟为具有完整结构和功能的蛋白质。 一类相互之间没有关系的蛋白, 其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,并且不是组装完成 的结构在发挥其正常的生物功能时的组成部分。
蛋白质折叠的动力学
A. 框架模型(Framework model):
在蛋白质折叠的过程中大约有15个氨基酸残基的多肽链首先折叠为瞬 态的α螺旋或β片层结构的二级结构单元，然后这种瞬态的结构通过扩 散彼此接近形成αα、αβ 或ββ的复合结构而获得稳定。这种复合结构又 称为折叠单元。折叠单元作为一个核心吸引和稳定其它摆动着的二级 结构单元，形成折叠框架，其它的侧链将适应这个框架。
漏斗模型
一个漏斗状的能量表面上，蛋白可能 通过一系列不同的路径进行折叠 。
Thermodynamic stability is The unfolded states are characterized not evenly distributed over the by a high degree of conformational structure of a protein—the entropy and relatively high free molecule has regions of high energy. As folding proceeds, the and low stability. The regions narrowing of the funnel represents a of low stability allow decrease in the number ofa protein to alter its conformation conformational species present. Small depressions along the sides of the freebetween two or more states. energy funnel represent semistable The variations in the stability intermediates within a briefly slow the of regions that can given folding process.often essentialof the protein are At the bottom to funnel, an ensemble of folding protein function.
复性:当变性因素除去后，变性蛋白质又可恢复到天然构象，这一
现象称为蛋白质的复性（renaturation）
是否所有变性都能复性?
Protein denaturation
Unfolding is a cooperative process: loss of structure in one part of the protein destabilizes other parts.
GroEL型的Cpns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60KD。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。 TRiC型（TCP-1环状复合物）存在于古细菌和真核细胞质中， 由双层8或9元环组成，亚基分子量约为55KD，没有类似 GroES的辅助因子，而且只有古细菌中的成员有应急诱导性。
intermediates has been reduced to a single native conformation.
蛋白质折叠与“折叠病”
“折叠病”：由于蛋白质结构或构象改变引起的疾病，主要是 由于蛋白质折叠异常而造成分子聚集甚至沉淀或不能正常转 运到位所引起的疾病 。如阿兹海默症(Alzheimer„s)，疯牛病 (Mad Cow, BSE)，可传播性海绵状脑病(CJD)，肌萎缩性脊 髓侧索硬化症(ALS)，帕金森氏症(Parkinson‟s)等 。
C. 扩散-碰撞-粘合机制 （Diffusion-Collision-Adhesion Model）
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者疏水簇，主要依靠局部序 列的进程或中程（3-4个残基）相互作用来维系。它们以非 特异性布朗运动的方式扩散、碰撞、相互黏附，导致大的结 构生成并因此而增加了稳定性。进一步的碰撞形成具有疏水 核心和二级结构的类熔球态中间体的球状结构。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。最后无活性的高度有序熔球态转变为完整的有活力的天 然态。
蛋白质折叠是生物化学和分子生物学的前沿课题之一
分子生物学的中心法则：DNA 蛋白质
！ →
RNA
→
！
多肽→
？
蛋白质作为生命信息的表达载体，它折叠所形成的特定空间结 构是其具有生物学功能的基础，这个一维信息向三维信息的转化 过程是表现生命活力所必需的。 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??? 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
核糖核酸酶 Ribonuclease
由124 个氨基酸组成的蛋 白质，有四对二硫键， 其组合有105种的可能方 式。
Denaturation of ribonuclease
结论: (i)决定核糖核酸酶的三级
结构的信息存在于其氨基酸序列
中。顺序决定构象。 (ii)天然构象具有最小的自 由能, 是最稳定的结构状态。
热休克蛋白(heatshockproteins,HSP)
真核细胞和原核细胞内均可产生，许多刺激, 如高温、病毒感染、 发热、炎症、组织损伤、代谢性疾病、癌症等均可使HSP含量 异常升高, 正常细胞中也存在多种有活性的HSP, 在调节细胞生 长、分化、免疫和存活中发挥重要作用。因而, 现在广义地称其 为应激蛋白(stressproteins)。
蛋白质折叠的热力学
蛋白质结构的稳定性可用蛋白质去折叠过程的自由能来表示， 如以N表示天然构象，以D 表示伸展构象，则： N 、D之间处于动态平衡。
天然态和伸展态之间有自由能之差ΔG
ΔG= GD-GN
由各种计算方法，人们可以计算在天然态和变性态的热量和定 压热容、D>N 的数值、与溶剂的接触、有序度等，可通过这些 计算结果作出一系列的氢键断裂、折叠程度、温度与有序度， 以及在某一温度下与溶剂接触的影响等曲线，从而研究某一具 体的蛋白质的折叠稳定性及其与周围环境的关系等。
疯牛病，由一种称为Prion的蛋白质的感染引起，这种蛋白质也
可以感染人而引起神经系统疾病。在正常机体中，Prion是正常
神经活动所需要的蛋白质，而致病Prion与正常Prion的一级结构完
全相同，只是空间结构不同。致病蛋白Prion通过蛋白分子间的
作用而导致正常蛋白Prion转变为致病的折叠状态！
Conformational transition: from alpha-helix rich to beta-sheet rich
6 蛋白质折叠
蛋白质凭借相互作用在细胞环境(特定的酸碱度、温度等)下 自我组装的过程被称为蛋白质折叠。
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、稳定性及其与生物活性的关系。 从广义上理解，新生肽链的折叠包括多肽链从核糖体上合 成出现直到成熟为功能蛋白分子的全过程。
蛋白质变性
蛋白质折叠
分子伴侣 蛋白质结构预测
5 蛋白质变性
天然蛋白质因受物理、化学因素的影响，使蛋白质的天然构 象遭到破坏导致其生物活性丧失,溶解度降低,不对称性增高, 以及其它物理、化学性质发生改变,这种现象称为蛋白质的变 性(denaturation)。
变性是由于分子中次级键破坏,不涉及共价键的破坏。
Reductant and reduction
disulfides (cystines)
sulfhydryls (cysteines)
巯基乙醇
5.3 蛋白质序列决定其三级结构
（多肽链的氨基酸序列包含了形成其热力学上稳定的天然构象
所必需的全部信息。 C.Anfinsen ，1972年诺贝尔化学奖 ）
因而它们能提高折叠反应的产率而不一定能提高其速率。
分子伴侣识别新生肽段折叠过程中暂时暴露的错误结构，与之结 合，生成复和物，从而防止这些表面之间过早的相互作用，阻止不 正确的非功能的折叠途径，抑制不可逆聚合物产生，从而促进折叠 向正确方向进行。 折叠过程是一个正确途径和错误途径相互竞争的过程，为了提高 蛋白质生物合成的效率，应该有帮助正确途径的竞争机制，分子伴 侣就是这样通过进化应运而生的。
B. 疏水折叠模型(Hydrophobic Collapse Model)和熔融 球态模型(Molten Globule Model):
折叠是由疏水折叠开始的，即某些疏水片段首先聚集在一起，
然后进一步聚集长大，形成一种称为熔融球蛋白中间体。这 是一种具有二级结构但很少有三级相互作用的结构，疏水残 基有很大一部分暴露在溶剂中。
变性过程中,往往发生:
生物活性丧失 疏水基外露,溶解度降低,粘度增加,光吸收系数改变 易被蛋白酶水解
5.1 蛋白质变性剂
加热：破坏氢键作用 pH值：极端pH值可改变分子内的净电荷，导致静电排斥并破
坏氢键作用
尿素与盐酸胍: 可使蛋白质结构中的氢键断裂，增加了非极性分子包括
氨基酸侧链的溶解度，减少了疏水相互作用；脲还可深入到蛋白质分子的内 部影响蛋白质分子的密堆积。
去污剂:十二烷基硫酸钠(SDS),破坏疏水作用
尿素
盐酸胍
5.2 蛋白质变性的几个要点
吴宪19世纪30年代: 蛋白质变性的第一个合理的学说，蛋
白质的变性是由于蛋白质分子由折叠而变为舒展。
变性是协同过程: 当变性因素增强时最初并不能观察到蛋白
质分子的结构有何变化，而当达到某一阈值时由于某些关键性 的次级键的变化而导致蛋白质构象的急剧变化。二态模型
不同的HSP分子以亚基分子量(KD)来命名, 按照亚基分子量大 小可将HSP分为4组, 即:HSP70家族、HSP60家族、HSP90家 族和低分子量HSP。
1) 伴侣素家族（chaperonin, Cpn） Cpn家族是具有独特的双层7-9元环状结构的寡聚蛋白，它们 以依赖ATP的方式促进体内正常和应急条件下的蛋白质折叠。 分为两组：GroEL(Hsp60)家族和TriC家族。
分子伴侣的主要分类
1) 伴侣素家族（chaperonin, Cpn） 2) 应激蛋白70家族(Stress-70 family)/热休克蛋白70家族 （Hsp70 family） 3）应激蛋白90家族(Stress-90 family)/即热休克蛋白90家族 （Hsp90 family） 4) 其他种类的分子伴侣
曲成有一定空间结构和完整生物学功能的蛋白质，原因:在多肽 链的折叠上出了问题。
蛋白质折叠不是通过自由搜索找到自由能最低的构象: 积累 选择作用。
假设一个由100 个氨基酸组成的小蛋白质中每个氨基酸残基有三种 不同的构象的话，那么总的构象数将是3100 =5×1047 ，如果从一种 构象变为另一种构象所需要的时间为10 -13秒,那么在上述的构象空 间寻求一遍需要5×1047 ×10-13＝5×1034 秒＝1.6×1027 年！ 而实际 上蛋白质的折叠是在10－1～10 3 秒内完成的。结论：蛋白质的折叠 不是一个对各种可能构象进行随机采样的过程。
分子伴侣的作用
分子伴侣是与其他蛋白不稳定构象相结合并使之稳定的蛋白，它 们通过控制结合和释放来帮助被结合多肽在体内的折叠、组装、转 运或降解等。分子伴侣本身不包括控制正确折叠所需的构象信息， 而只是阻止非天然态多肽链内部的或相互间的非正确相互作用，或 者说它们给处于折叠中间态的多肽链提供了更多的正确折叠的机会，