蛋白質(zhì)折疊與“折疊病”和“第二遺傳密碼”.doc

蛋白質(zhì)折疊與“折疊病”和“第二遺傳密碼”江蘇省金湖中學(xué)欣向宏蛋白質(zhì)是一種生物大分子，由20多種氨基酸以肽鍵連接成多肽鏈。多肽鏈上氨基酸的組成和排列方式稱為蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)。不同蛋白質(zhì)肽鏈的長(zhǎng)度不同，一級(jí)結(jié)構(gòu)也不同。肽鏈在空間卷曲折疊成為特定的三維空間結(jié)構(gòu)，包括二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)二個(gè)主要層次。有的蛋白質(zhì)由多條肽鏈組成，每條肽鏈稱為亞基，亞基之間又有特定的空間關(guān)系，稱為蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)。所以蛋白質(zhì)分子有非常特定的復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定它的特定的空間結(jié)構(gòu)，這就是榮獲諾貝爾獎(jiǎng)的著名的。Anfinsen原理。蛋白質(zhì)分子只有處于它自己特定的三維空間結(jié)構(gòu)情況下，才能獲得它特定的生物活性，三維空間結(jié)構(gòu)稍有破壞，就很可能會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)生物活性的降低甚至喪失。 外界環(huán)境的變化可以導(dǎo)致蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的破壞和生物活性的喪失，但卻并不破壞它的一級(jí)結(jié)構(gòu)(氨基酸序列)，稱為蛋白質(zhì)的變性。變性的蛋白質(zhì)往往成為一條伸展的肽鏈，在一定的條件下可以重新折疊成原有的空間結(jié)構(gòu)井恢復(fù)原有的活性，對(duì)蛋白質(zhì)變性作用的認(rèn)識(shí)是我國(guó)科學(xué)家吳憲在三十年代首先提出的。蛋白質(zhì)異常的三維空間結(jié)構(gòu)可以引發(fā)疾病，瘋牛病、老年性癡呆癥、囊性纖維病變，家族性高膽固醇癥、家族性淀粉樣蛋白癥、某些腫瘤、白內(nèi)障等等都是“折疊病”。造成瘋牛病的Prion病蛋白可以感染正常蛋白而在蛋白質(zhì)之間傳染。研究蛋白質(zhì)的折疊問題不僅具有重大的科學(xué)意義，而且在醫(yī)學(xué)和在生物工程領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用價(jià)值。通過“蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)”破譯“第-二遺傳密碼”，是當(dāng)今蛋白質(zhì)研究的熱點(diǎn)課題之一。現(xiàn)有的研究表明，盡管蛋白質(zhì)的種類成千上萬，但它們的折疊類型卻只有有限的650種左右。1 蛋白質(zhì)折疊與“折疊病” 人們對(duì)由于基因突變?cè)斐傻鞍踪|(zhì)分子中僅僅一個(gè)氨基酸殘基的變化就引起疾病的情況已有所了解，即所謂“分子病”，如地中海鐮刀狀紅血球貧血癥就是因?yàn)檠t蛋白分子中第六位的谷氨酸突變成了頡氨酸?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)分子的氨基酸序列沒有改變，只是其結(jié)構(gòu)或者說構(gòu)象有所改變也能引起疾病，那就是所謂“構(gòu)象病”，或稱“折疊病”。 大家都知道的瘋牛病，是由一種稱為Prion的蛋白質(zhì)的感染引起的。在正常機(jī)體中，Prion是正常神經(jīng)活動(dòng)所需要的蛋白質(zhì)，而致病Prion與正常Prion的一級(jí)結(jié)構(gòu)完全相同，只是空間結(jié)構(gòu)不同。這一疾病的研究涉及到許多生物學(xué)的基本問題。一級(jí)結(jié)構(gòu)完全相同的蛋白質(zhì)為什么會(huì)有不同的空間結(jié)構(gòu)，這與Anfinsen原理是否矛盾?這顯然牽涉到蛋白質(zhì)的能量、穩(wěn)定性與功能的關(guān)系問題。一般認(rèn)為，蛋白結(jié)構(gòu)的變化來自于序列的變化，而序列的變化來自于基因的變化。而致病Prion的信息已被諾貝爾獎(jiǎng)獲得者普魯辛納證明不是來自基因的變化，而是來自正常蛋白Prion在致病蛋白Prion的作用下發(fā)生的折疊變化! 由于分子伴侶在蛋白質(zhì)折疊中至關(guān)重要的作用，分子伴侶本身的突變顯然會(huì)引起蛋白質(zhì)折疊異常而引起折疊病。隨著蛋白質(zhì)折疊研究的深入，人們會(huì)發(fā)現(xiàn)更多疾病的真正病因和更針對(duì)性的治療方法，設(shè)計(jì)更有效的藥物現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)有些小分子可以穿越細(xì)胞作為配體與突變蛋白結(jié)合，從而使原已失去作戰(zhàn)能力的突變蛋白逃逸“蛋白質(zhì)質(zhì)量控制系統(tǒng)”而“帶傷作戰(zhàn)”。這種小分子被稱為“藥物分子伴侶”，有希望成為治療“折疊病”的新藥。 新生肽的折疊問題或蛋白質(zhì)折疊問題不僅具有重大的科學(xué)意義和醫(yī)學(xué)意義，而且在生物工程上也具有極大的應(yīng)用價(jià)值。基因工程和蛋白工程已經(jīng)逐漸發(fā)展成為數(shù)百億美元產(chǎn)值的大產(chǎn)業(yè)，但是當(dāng)前經(jīng)常遇到的困難，是在受體微生物細(xì)胞內(nèi)引入異體DNA后，所合成的多肽鏈往往不能正確折疊成為有生物活性的蛋白質(zhì)而形成不溶解的包含體或被降解。這一“瓶頸”問題的徹底解決有待于新生肽鏈折疊機(jī)制的揭示。2 蛋白質(zhì)折疊和“第二遺傳密碼”研究蛋白質(zhì)的折疊，就是研究蛋白質(zhì)特定三維空間結(jié)構(gòu)形成的規(guī)律、穩(wěn)定性和與其生物活性的關(guān)系。在概念上，有熱力學(xué)的問題和動(dòng)力學(xué)的問題，有蛋白質(zhì)在體外折疊和在細(xì)胞內(nèi)折疊的問題；有理論研究和實(shí)驗(yàn)研究的問題。但最根本的問題還址多肽鏈的一級(jí)結(jié)構(gòu)到底如何決定它的空間結(jié)構(gòu)?既然的者決定后者，一級(jí)結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)之間肯定存在某種確定的關(guān)系，這是否也像核苷酸通過“三聯(lián)密碼”決定氨基酸順序那樣有套密碼呢?有人把這種一級(jí)結(jié)構(gòu)決定空間結(jié)構(gòu)的密碼叫作“第二遺傳密碼”。 如果說“三聯(lián)密碼”已成為明碼，那么“蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)”就是從理論上最直接地去破譯“第二遺傳密碼”?！暗鞍踪|(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)”是根據(jù)測(cè)得的蛋白質(zhì)的一級(jí)序列預(yù)測(cè)由Anfinsen原理決定的特定的空間結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)氨基酸序列，特別是編碼蛋白質(zhì)的核苷酸序列的測(cè)定現(xiàn)在幾乎已經(jīng)成為常規(guī)技術(shù)，從互補(bǔ)DNA(cDNA)序列可以根據(jù)“三聯(lián)密碼”推定氨基酸序列，這些在上一世紀(jì)獲得重大突破的分子生物學(xué)技術(shù)，大大加速了蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的測(cè)定。目前蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)存有大約17萬個(gè)蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)，但是測(cè)定了空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)大約只有1.2萬個(gè)，這中間有許多是很相似的同源蛋白，而真正不同的蛋白質(zhì)只有1 000多個(gè)。隨著人類基因組汁劃的勝利完成，解讀了人類DNA的全序列，蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)增長(zhǎng)必定會(huì)出現(xiàn)爆炸的態(tài)勢(shì)，而空間結(jié)構(gòu)測(cè)定的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后，因此二者之間還會(huì)形成更大的距離，這就更需要進(jìn)行蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)。 目的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的方法大致可分為兩大類。一類是假設(shè)蛋白質(zhì)分子天然構(gòu)象處于熱力學(xué)最穩(wěn)定，能量最低狀態(tài)，考慮蛋白質(zhì)分子中所有原子間的相互作用以及蛋白質(zhì)分子與溶劑之間的相互作用，采用分子力學(xué)的能量極小化方法，計(jì)算出蛋白質(zhì)分子的天然空間結(jié)構(gòu)。第二類方法是找出數(shù)據(jù)庫巾已有的蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)與其一級(jí)序列之間的聯(lián)系總結(jié)出一定的規(guī)律，逐級(jí)從級(jí)序列預(yù)測(cè)二級(jí)結(jié)構(gòu)，再建立可能的三維模型，根據(jù)總結(jié)出的空間結(jié)構(gòu)與其一級(jí)序列之間的規(guī)律，排除不合理的模型，再根據(jù)能量最低原理得到修正的結(jié)構(gòu)。這也就是所謂“基于知識(shí)的預(yù)測(cè)方法”。但是，第一類方法遇到在數(shù)學(xué)上難以解決的多重極小值問題，而逐級(jí)預(yù)測(cè)又受到二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)精度的限制。因此必須解決這些困難，或者發(fā)展新的方法，將基于知識(shí)的預(yù)測(cè)方法與計(jì)算化學(xué)以及統(tǒng)計(jì)物理學(xué)結(jié)合起來，才有希望能破澤“第二遺傳密碼”。 現(xiàn)在知道，絕大多數(shù)蛋白質(zhì)從一條伸展的肽鏈，折疊成有其特定結(jié)構(gòu)的、有活性的蛋白質(zhì)，并不是步完成的，而要經(jīng)過許多折疊的中間狀態(tài)。含有多個(gè)亞基的蛋白質(zhì)分子，亞基間的相互作用使之組裝成復(fù)雜蛋白質(zhì)分子。研究人員用實(shí)驗(yàn)方法，特別是近年來發(fā)展的快速測(cè)定方法去追蹤蛋白質(zhì)重折疊的全過程，盡可能捕捉折疊過程中的每一個(gè)中間狀態(tài)。不同階段的折疊速度不同，有的比較慢，比較容易發(fā)現(xiàn)和捕捉，但有的非?？?，必須要有特殊的設(shè)備配合各種測(cè)試技術(shù)上進(jìn)行研究。最近有人嘗試大幅度降低溫度使折疊速度減慢而得以追蹤。最終人們要定量地描述整個(gè)折疊的動(dòng)態(tài)過程，拍出一部蛋白質(zhì)折疊的電影來，但這必然要經(jīng)過一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的艱苦工作。3 細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)折疊 體外蛋白質(zhì)的折疊研究盡管為揭示蛋白質(zhì)折疊的本質(zhì)提供了大量信息，但細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的折疊，是個(gè)比試管內(nèi)復(fù)雜得多的過程。在細(xì)胞內(nèi)新合成出來的多肽鏈(稱為新生肽)在合成過程中長(zhǎng)度不斷增加。并在延伸的同時(shí)也在進(jìn)行著折疊，而不是在合成完成脫離核糖體后再自發(fā)折疊成為蛋白質(zhì)。所以在體外用變性伸展肽鏈的重折疊研究蛋白質(zhì)折疊的模型看來并不是研究細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)折疊的理想模型。由于每個(gè)信使核糖核酸可以同時(shí)攜帶多個(gè)核糖體，而每個(gè)核糖體上的多肽鏈的延伸程度又是不同的，所以核糖體上的多肽鏈的合成同步化是目前研究新生肽折疊的關(guān)鍵問題，但一直沒有解決。 新生肽還要被運(yùn)送到細(xì)胞的特定部位才能發(fā)揮特定的生物功能，例如：進(jìn)入細(xì)胞核中的核蛋白與DNA組成染色體，進(jìn)入線粒體的蛋白參與能量代謝；組成膜的蛋白以及分泌到細(xì)胞外的蛋白必須進(jìn)人內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，先進(jìn)行加工再繼續(xù)轉(zhuǎn)運(yùn)等等。這些轉(zhuǎn)運(yùn)都有一個(gè)穿越膜結(jié)構(gòu)的過程。有完整空間結(jié)構(gòu)的蛋白分子是不能越膜的，因此在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中折疊過多的分子必須解開折疊后才能越膜。此外，多亞基蛋白必須進(jìn)行組裝。有些蛋白質(zhì)，如一些酶和激素，以前體形式合成后還要經(jīng)過水解除去某一段序列后才能成熟為有活性的分子。所有這些都包含在新生肽成熟為功能蛋白的全過程中，每一步都涉及新生肽鏈的構(gòu)象變化、折疊和調(diào)整。 所有的細(xì)胞中都存在著大量的蛋白質(zhì)、核酸、多糖等各種生物大分子，它們大約占細(xì)胞容積的2030，總濃度高達(dá)80200gL，因此任伺一種大分子都處于一個(gè)充滿其他大分子的“擁擠”環(huán)境中，使得任何一個(gè)大分子的實(shí)際可及空間十分有限，這種情況對(duì)所有大分子的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)反應(yīng)都有很大影響。因此，住體外研究蛋白質(zhì)折疊必須考慮模擬細(xì)胞內(nèi)的“擁擠”，環(huán)境。4 分子伴侶蛋白和折疊酶 近來的研究發(fā)現(xiàn)，一些蛋白質(zhì)必須在另些蛋白質(zhì)的幫助下才能完成正確折疊，這對(duì)蛋白質(zhì)折疊的概念產(chǎn)生了革命性的全新認(rèn)識(shí)，“自發(fā)折疊”的經(jīng)典概念發(fā)生了轉(zhuǎn)變和更新?，F(xiàn)在認(rèn)為，新生肽在細(xì)胞內(nèi)的折疊和成熟在多數(shù)情況下是不能自發(fā)完成的，而是需要?jiǎng)e的蛋白質(zhì)幫助的。這個(gè)新概念并不與Anfinsen原理相矛盾，而是在動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)上完善了Anfinsen學(xué)說。一個(gè)在熱力學(xué)上可以成立的反應(yīng)由于動(dòng)力學(xué)的能障問題在實(shí)際上未必可以完成，但在別的蛋白質(zhì)幫助下可以克服能障而得以進(jìn)行。 目前已知能在細(xì)胞內(nèi)幫助新生肽鏈折疊的蛋白有二類：類稱為分子伴們蛋白，另一類是催化與折疊直接有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)的酶，又稱折疊酶。分子伴侶是一種具有新功能的蛋白，它們的精細(xì)三維結(jié)構(gòu)、它們幫助生物大分子折疊的機(jī)制都在活躍的研究之中：特別是它們之中有些蛋白的分子伴侶活性與其他生物活性之間的關(guān)系也已引起人們的興趣。現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，不僅蛋白質(zhì)的忻疊需要分子伴們的幫助，DNA分子和RNA分子的折疊也往往需要分：產(chǎn)伴侶的幫助，因?yàn)楣δ蹹NA和RNA分子，特別是它們與蛋白質(zhì)形成的復(fù)合物都要仃一定的構(gòu)象。DNA和RNA分子本身具有較大的剛性，不容易折疊或在折疊過程中容易發(fā)生折疊錯(cuò)誤，因此需要DNA分子伴侶或RNA分子伴侶幫助它們折疊而形成特定的構(gòu)象。另一方面，在發(fā)揮分子伴侶的作用方面，除蛋白質(zhì)外，一些核酸和磷脂也能擔(dān)當(dāng)此任，更有趣的是最近發(fā)現(xiàn)核糖體也有分子伴侶活性。此外，有一些小分子物質(zhì)在體外對(duì)某些蛋白質(zhì)的折疊有幫助作用，被稱之為“化學(xué)分子伴侶”。新生肽在細(xì)胞中折疊和成熟的過程并非總能百分之百地正確完成，常用不能繼續(xù)正確折疊或錯(cuò)誤折疊的“次品”或“廢品”產(chǎn)生出來。為了防止這些“垃圾”的堆積而危害正常生命活動(dòng)，細(xì)胞在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中獲得了一種“蛋白質(zhì)質(zhì)量控制系統(tǒng)”。這些系統(tǒng)由分子伴侶和特定的蛋白水解酶組成。分子伴侶幫助新生肽正確折疊；而特定的蛋白水解酶把不能繼續(xù)正確折疊的或錯(cuò)誤折疊的“垃圾”水解成小分子。這里的科學(xué)問題足質(zhì)量控制系統(tǒng)到底如何進(jìn)行質(zhì)量控制?有人借用了醫(yī)院里診斷病人應(yīng)該送到哪種病房作什么治療的機(jī)制來描述細(xì)胞的蛋白質(zhì)質(zhì)量控制體系的作用機(jī)理。首先是“診斷”和區(qū)分新生肽“病人”，確定什么樣的新生肽“病人”可以