蛋白質結構研究現(xiàn)狀與展望

1、新鄉(xiāng)學院畢業(yè)論文論文題目:蛋白質結構研究現(xiàn)狀與展望 學生姓名孫雪院(系)名稱化學與化工學院專業(yè)名稱生物制藥技術年級班級2009級2班指導教師姓名陳磊山指導教師職稱副教授目 錄內容摘要1關 鍵 詞1Abstract1Key words1前言21.蛋白質簡介21.1蛋白質的作用21.2蛋白質的元素組成及分子組成22.蛋白質的研究32.1研究方法簡介32.2蛋白質結構研究的方法43.蛋白質結構預測53.1蛋白質幾何的表示方法63.2勢能函數與勢能搜索方法64.蛋白質結構64.1.蛋白質結構分類與比較74.2蛋白質結構確定75.蛋白質相互作用85.1酵母雙雜交技術85.2串聯(lián)親和純化技術85.3熒光共

2、振能量轉移技術96.蛋白質折疊機理的研究96.1分子生物學的中心法則與蛋白質折疊的研究概況96.2蛋白質折疊的熱力學和動力學106.3蛋白質折疊與分子伴侶11前景展望11參考文獻13致謝14內容摘要：蛋白質是一種生物大分子，多是由20種氨基酸以肽鍵連接成肽鏈。肽鏈再進一步空間卷曲折疊成為特定的空間結構，包括二級結構和三級結構。有的蛋白質由多條肽鏈組成，每條肽鏈稱為亞基，亞基之間又有特定的空間關系，稱為蛋白質的四級結構。因此蛋白質分子往往具有特定的復雜的空間結構。對蛋白質結構的解析可以從根本上闡明蛋白質功能的分子機制和基礎，同時也是研究蛋白質功能的一個重途徑。本文將對蛋白質結構的研究概況以及意義

3、進行綜述，并在此基礎之上對今后蛋白質結構的研究提出了一些自己的看法。關 鍵 詞：蛋白質 結構研究 相互作用 折疊Abstract: Proteins are biological macromolecules, mostly from 20 kinds of amino acids connected by peptide bonds into the peptide chain. Further space in the peptide chain folds into a specific space curled structure, including secondary and te

4、rtiary structure. Some of the protein by the number of peptide chains, called subunits of each peptide chain, subunits have specific spatial relationships between the known quaternary structure of proteins. So often with a specific protein complex spatial structure. For protein structure analysis ca

5、n clarify the fundamental mechanism of protein function and molecular basis of protein function is also an important way. This paper will overview the study of protein structure and meaning are reviewed, and on this basis for future studies of protein structure presented some of his views.Key words:

6、 Protein structure interaction fold前言人類進入21世紀之際，生命科學也迎來了一個嶄新的時代。2001年2月12日參與人類基因組計劃的六國科學家共同向世人正式公布了人類基因組圖譜及初步分析結果，這是生命科學史，也是人類科學史上的又一次飛躍，同時標志著后基因組時代的來臨，但是隨著大量生物體全基因組序列的獲得，人們發(fā)現(xiàn)僅從基因組序列的角度根本無法完整、系統(tǒng)地闡明生物體的功能。蛋白質作為生命體的主要組成成分和生命活動的主要執(zhí)行者，正在成為新的研究熱點；而蛋白質結構則是蛋白質研究領域中的一個重要環(huán)節(jié)。以蛋白質為主體的生物大分子的功能主要取決于它們的三維結構、運動及相互

7、作用。只有全面了解相關蛋白質及其復合物、組裝體的精細三維結構、運動和相互作用網絡，及其在亞細胞、細胞層次上表現(xiàn)出來的生命活動的功能關系，才能最終闡釋人類個體發(fā)育、生長、衰老和凋亡機理，才能在分子和原子水平上理解神經活動、認知等腦功能表現(xiàn)機理，細胞增殖、分化和凋亡機理，信息傳遞和作用機理，疾病發(fā)生、發(fā)展機理等一切生命科學問題。1.蛋白質簡介1.1蛋白質的作用蛋白質（Protein）是細胞組分中含量最為豐富、功能最多的高分子物質，在生命活動過程中起著各種生命功能執(zhí)行者的作用，幾乎沒有一種生命活動能離開蛋白質，所以沒有蛋白質就沒有生命。在人體中，蛋白質的主要生理作用表現(xiàn)在六個方面：(1)構成和修復身

8、體各種組織細胞的材料；(2)構成酶、激素和抗體；(3)維持正常的血漿滲透壓，使血漿和組織之間的物質交換保持平衡；(4)供給肌體能量；(5)維持肌體的酸堿平衡；(6)運輸氧氣及營養(yǎng)物質。1.2蛋白質的元素組成及分子組成蛋白質是化學結構復雜的一類有機化合物，是人體的必須營養(yǎng)素。其主要是由碳、氫、氧、氮、硫、磷、碘、鐵、鋅等元素組成。蛋白質分子的基本單位是氨基酸，它是由多種不同的氨基酸通過肽鍵相互連接而成。蛋白質在受到酸、堿或酶的作用下最終水解成氨基酸。組成自然界蛋白質的氨基酸主要有20種，其化學結構具有共同的特點，即在連接羧基的-碳原子上，還有一個氨基，故稱-氨基酸。可用下式表示：不同的氨基酸其側

9、鏈(R)各異。除甘氨酸外，其余氨基酸的-碳原子均為不對稱碳原子，故有L型或D型之分。組成天然蛋白質的氨基酸，除甘氨酸外，都是L-氨基酸。2.蛋白質的研究2.1研究方法簡介目前蛋白質結構預測方法按照其對模板的依賴與否主要分為兩類:模板依賴模型以及從頭預測方法（自由模型）。模板依賴模型又可以分為兩種模型:同源模型(比較模型) 和折疊識別模型(穿線法) 。兩種方法的差別在于模板的同源度。同源模型所使用的模板擁有較高的同源度,序列相似度一般大于30 %；折疊識別模型所使用的模板為遠程同源關系。兩種方法所采用的預測步驟基本一致: (1) 搜索結構模型的模板:即為待預測的蛋白質序列尋找具有同源性的已知結構

10、蛋白質作為模板。(2) 序列比對:將目標蛋白質的序列與模板蛋白質序列進行比對,使目標序列的氨基酸殘基與模板蛋白質的殘基匹配。(3) 建立骨架:將模板結構的坐標拷貝到目標序列,僅拷貝匹配殘基的坐標。通過這一步建立目標蛋白質的骨架。(4) 構建目標蛋白質的側鏈及環(huán)區(qū):可將模板相同殘基的坐標直接作為目標蛋白質的殘基坐標,對于不完全匹配的殘基,其側鏈構象是不同的,需要進一步預測。其中前兩步是預測方法的關鍵。當目標序列沒有同源結構時,進行蛋白質三維結構預測就必須使用從頭預測方法。從頭預測方法預測蛋白質三級結構一般由下列3個部分組成: (1) 一種蛋白質幾何的表示方法:由于表示和處理所有原子和溶劑環(huán)境的計

11、算開銷非常大,因此需要對蛋白質和溶劑的表示形式作近似處理,例如,使用一個或少數幾個原子代表一個氨基酸殘基; (2) 一種勢能函數及其參數:或者一個合理的構象得分函數,以便計算各種構象的能量; (3) 一種構象空間搜索技術:必須選擇一個優(yōu)化方法,以便對構象空間進行快速搜索,迅速找到與某一全局最小能量相對應的構象。其中,構象空間搜索和能量函數的建立是從頭預測方法的關鍵。2.2蛋白質結構研究的方法蛋白質結構測定方法主要包括X射線晶體學、核磁共振波譜學技術和三維電鏡重構。這三種方法都可以完整獨立地在原子分辨水平上測定出蛋白質的三維空間結構。2.2.1X-射線晶體學X-射線晶體學是最早也是最主要的測定蛋

12、白質結構的方法，第一個蛋白質的三維結構血紅蛋白的結構就是通過X-射線晶體學方法解析的。目前PDB中收錄的蛋白質的結構85左右是利用X射線晶體學方法解析的。蛋白質晶體結構的X射線衍射分析包含樣品制備、蛋白質結晶、衍射數據收集和處理、相位求解、模型建立和修正等五個主要步驟。五個步驟彼此密切相關，每一個部分取得進展可以加快下一步的研究，同樣任何一個部分的瓶頸也可以成為下一步的限速步驟。其中樣品制備和蛋白質結晶階段是要獲得足夠量的蛋白樣品以及可以用于衍射數據收集的高質量單晶，前者可以通過針對所選目的基因的特性構建和改造高效表達質粒，而后利用多種表達系統(tǒng)，高質量單晶的獲得是蛋白質晶體結構研究的主要瓶頸之

13、一，由于不同蛋白質的物理化學性質差別以及各種修飾和相互作用更增加了蛋白質的復雜性，所以不是所有的蛋白質都可以獲得單晶的。1990 年以后，利用X-射線晶體學解析蛋白質結構取得了突飛猛進的發(fā)展，目前平均每天有15個蛋白質通過該方法獲得結構。X-射線晶體學的缺點是分子在晶體中往往是被鎖定于某一狀態(tài)，所得到的晶體往往是分子處于基態(tài)或不同構象的平均，而分子行使功能時多發(fā)生在激發(fā)態(tài)、過渡態(tài)、X-射線晶體技術很難捕捉到分子的動態(tài)信息1。但是無論怎樣，X-射線晶體學方法無論過去、現(xiàn)在或將來都會是蛋白質結構研究的主要方法。2.2.2核磁共振波譜學核磁共振波譜學是對X-射線晶體學的有力補充。目前，該技術已經成為

14、確定生物大分子溶液三維空間結構的主要手段2。核磁共振波譜學技術在蛋白質- 蛋白質、蛋白質-DNA等分子間的相互作用方面，具有高分辨率的特點，僅次于X-射線晶體學技術，可以在溶液中操作，在近似蛋白質生理環(huán)境下測定其結構，甚至可以對活細胞中的蛋白質進行分析，獲得“活”的蛋白質結構。核磁共振波譜學技術在分析蛋白質折疊穩(wěn)定性、運動性和蛋白質復合體中各亞基的相互作用方面具有優(yōu)勢。核磁共振波譜學技術的缺點是只能測定小蛋白和中等大小的蛋白質分子(相對分子質量一般在30000以下)，并且圖譜分析工作極為費時，往往需要數月到一年的時間，導致實驗周期延長，速度緩慢；另外核磁共振衍射技術的反應是在溶液中進行的，研究

15、對象必須是可溶的蛋白，對不溶蛋白的研究就比較困難；而且樣品需要同位素標記等，這些在一定程度上制約了核磁共振波譜學技術的應用。隨著一些新技術的發(fā)現(xiàn)，如G矩陣傅立葉變換式核磁共振波譜學技術等，使得核磁共振波譜學的發(fā)展速度也很快，目前PDB中收錄的蛋白質的結構15左右是利用核磁共振波譜學方法解析的，其快速發(fā)展主要歸功于以下幾個方面：儀器技術的不斷發(fā)展，計算速度的飛速提升和實驗方法上的不斷創(chuàng)新和發(fā)展3。1990 年以前平均每年只能解10個結構，現(xiàn)在平均每天可以解2個結構，相信隨著核磁共振波譜學技術不斷的改進和發(fā)展，核磁共振波譜學技術在未來結構生物學上的貢獻將會越來越大。2.2.3三維電鏡重構電子顯微鏡

16、在結構生物學中的應用近年來變得越來越重要，成為解析大型蛋白質復合體、病毒乃至細胞器的三維納米分辨率結構的有力手段，同時電子顯微鏡二維晶體學在膜蛋白的三維精細結構解析上也有特殊的優(yōu)勢。冷凍電鏡三維重構的基本技術路線為：利用快速冷凍技術對樣品進行冷凍固定，然后利用冷凍電鏡和低劑量成像技術對樣品進行電子成像，利用高靈敏底片進行成像記錄，利用高分辨率掃描儀對底片進行數字化，對數字化的圖像進行二維圖像分析選點、分類、校正和平均，最后完成樣品的三維重構計算。自從1968年DeRosier和Klug第一次用電子顯微鏡對T4噬菌體的尾部進行了結構解析至今，已有140余種蛋白質通過該方法獲得了結構，尤其是最近5

17、年隨著計算機圖像處理技術和顯微鏡設備的不斷發(fā)展，使得三維電鏡重構技術成為繼X-射線晶體學和核磁共振波譜學技術后，蛋白質結構研究的另一種重要方法。三維重構技術的優(yōu)勢在于：(1)可以直接獲得分子的形貌信息，即使在較低分辨率下，電子顯微學也可給出有意義的結構信息；(2)適于解析那些不適合應用X-射線晶體學和核磁共振技術進行分析的樣品，如難以結晶的膜蛋白、大分子復合體等；(3)適于捕捉動態(tài)結構變信息；(4)易同其他技術相結合得到分子復合體的高分辨率的結構信息；(5)電鏡圖像中包含相位信息，所以在相位確定上要比X-射線晶體學直接和方便4。3.蛋白質結構預測3. 1蛋白質幾何的表示方法限制蛋白骨架構象中可

18、采取的自由度是在模擬過程中簡化蛋白質的一種方法，其中一種限制是C只允許位于二維或三維格子(網格) 的位置上。這種簡化方法大大減少了一個蛋白質可以采取的構象數目。于是，對于一個中等大小的多肽鏈，我們可以對它的構象空間進行窮舉搜索，直到找到能量全局最小的構象。而對于比較長的多肽鏈，簡化的格點模型可以使非窮盡的搜索方法對所有可能的構象進行較大比例的取樣，因此可以比較準確地估計出能量全局最小的構象雖然使用格點模型，本身所能達到的精確度比較低，但是其計算上的優(yōu)點使其在低精度預測上依然有很大的發(fā)展。3. 2勢能函數與勢能搜索方法勢能函數的構建從本質上來講可以分兩類：分子力學方法和統(tǒng)計學方法。分子力學方法假

19、設正確的蛋白質折疊對應于最低能量的構象。分子力學勢能是原子坐標的函數，其極小值對應于原子體系的局部能量最小點。分子力學中的勢能參數有各種來源，包括從頭計算和半經驗量子化學計算結果、氨基酸和小分子的實驗觀察結果等。分子力學應用經驗勢函數，即力場方法模擬分子的結構，計算分子的性質。盡管計算量很大,基于分子力學的勢能函數在計算高分辨率結構方面依然有很大的應用。另外一種方法就是根據一些已知結構的蛋白質構象為一個未知結構的蛋白設計一個經驗性的偽能量函數。通常，為得到這種經驗性的能量函數表達式，我們首先要選擇一系列已知結構的蛋白質，然后對于每一個氨基酸，采用統(tǒng)計學方法分析在三維空間上與其相鄰的氨基酸。可以

20、根據不同氨基酸的相對位置得到一個得分矩陣。依據這種方法在計算上非常高效，同樣也可以被用于全原子模型。對于勢能的搜索有多種方法。常用的方法是梯度下降法，其中最陡下降法是一種最基本的優(yōu)化算法。用這種方法可以迅速向極小點靠近，但接近極小點時，會產生振蕩，收斂速度慢。共軛梯度法也是一種基于梯度的方法，其收斂的速度快，但是更容易陷入能量局部極小點。牛頓-拉普森方法是另一類能量優(yōu)化方法。梯度方法在計算時使用的是一階微分，而牛頓-拉普森方法除使用一階微分外還計算二階微分。應用該方法能夠迅速收斂，但是計算量非常大。蒙特卡羅算法是一種隨機采樣的方法，通過該方法可以期望找到非常接近于全局能量最優(yōu)的構象。4.蛋白質

21、結構4.1蛋白質結構分類人類關于進化的知識及蛋白質結構相似性比較方法的研究使蛋白質結構分類成為可能，而且近年來取得的研究進展表明大部分蛋白質可以成功地分入到適當數目的家族中。目前國際上流行的蛋白質結構分類數據庫基本上采取兩種不同的思路。一種是數據庫中儲存所有結構兩兩比較的結果。第二種思路是致力于構建非常正式的分類體系。由于所有分類方法反映了各研究小組在探究這個重要領域的不同角度，所以這些方法是同等有效的。目前, 被廣泛應用的四種分類標準是：手工構造的層次分類數據庫SCOP5，全自動分類的MMDB和FSSP6，和半手工半自動的CATH7。蛋白質結構自動分類問題可以被納入機器學習的范疇，通過提取分

22、析蛋白質結構的關鍵特征，構造算法來學習蘊含于大量已知結構和分類的數據中的專家經驗知識，來實現(xiàn)對未知蛋白質結構的分類預測。目前，對蛋白質結構的不同層次分類，結果比較好的機器學習方法是：神經網絡多層感知器、支持向量機和隱馬爾可夫模型。支持向量機應用于分類問題最終歸結于求解一個最優(yōu)化問題。上世紀90 年代中期，隱馬爾可夫模型與其他機器學習技術結合, 高效地用于多重比對、數據挖掘和分類、結構分析和模式發(fā)現(xiàn)。多層感知器即誤差反向傳播神經網絡，它是在各種人工神經網絡模型中，在機器學習中應用最多且最成功的采用BP學習算法的分類器8。4.2蛋白質結構的確定蛋白質三維空間結構確定的主要手段是：X-射線晶體衍分析

23、和核磁共振。蛋白質數據庫PDB中80%的蛋白質結構是由X-射線衍射分析得到的，約15%的蛋白質結構是由核磁共振這種新的結構測定方法得到。X-射線衍射法的分辨率可達到原子的水平，使它可以測定亞基的空間結構、各亞基間的相對拓撲布局，還可清楚的描述配體存在與否對蛋白質的影響。多維核磁共振波譜技術已成為確定蛋白質和核酸等生物分子溶液三維結構的唯一有效手段9。核磁共振波譜學技術最大的優(yōu)點是在于它能對溶液中和非晶態(tài)的蛋白質進行測量。在晶體結構分析中給定大量結構因子，確定電子密度分布函數的位相的問題其實就是從圖像分析得到結構坐標數據過程中出現(xiàn)的數學問題。當給定蛋白質結構中部分原子的距離時，求解原子坐標的方法

24、是將距離空間的約束矩陣轉化為坐標空間的矩陣，由坐標空間矩陣構建蛋白質分子的初始矩陣，運用模擬退火等算法對初始結構進行優(yōu)化，經分子動力學進行能量最小化，由此得到一組收斂的蛋白質三維結構的坐標。關于蛋白質的氨基酸序列分析，到目前為止，最經典的蛋白質的氨基酸序列分析方法是，Sanger等人基于Edman 降解原理研制的液相蛋白質序列儀，及后來發(fā)展的固相和氣相的蛋白質序列分析儀。人們通過串聯(lián)質譜技術和源后衰減基質輔助的激光解析􀀁離子化，就可以從質譜分析中獲得肽及蛋白質的結構信息。5.蛋白質相互作用機體細胞內每個蛋白質并不是獨立發(fā)揮作用,通常與其他蛋白質相互作用形成較大復合體,在特定的

25、時間和空間內行使特定的功能,構成各項生命活動的基礎，因此解決蛋白質相互作用問題具有舉足輕重的意義。目前,用于研究蛋白質間相互作用的方法非常多,包括酵母雙雜交技術、串聯(lián)親和純化技術、熒光共振能量轉移技術、蛋白質芯片技術、噬菌體表面展示技術、表面胞質團共振技術、免疫共沉淀等等。5.1酵母雙雜交技術酵母雙雜交系統(tǒng)是由Field和Song在1989年研究真核基因轉錄調控時首次發(fā)明,是一種在酵母中利用轉錄激活物的重組來鑒定蛋白質之間相互作用的方法,在蛋白質相互作用方面扮演著重要角色。真核生長轉錄因子具有兩個不同的結構域：DNA結合結構域和轉錄激活結構域,分別與誘餌蛋白及可能與誘餌蛋白相互作用的獵物蛋白相

26、連,并共同轉入酵母細胞。如果兩個蛋白能夠發(fā)生相互作用就能使轉錄因子原來分開的兩部分結合,從而激活下游報告基因。通過檢測報告基因的表達產物就可判斷兩種蛋白是否發(fā)生相互作用10。雙雜交系統(tǒng)是研究蛋白分子間兩兩相互作用的傳統(tǒng)技術,其假陽性率和假陰性率比較高,所以必須與其他技術聯(lián)用加以鑒定。5.2串聯(lián)親和純化技術串聯(lián)親和純化是近些年來發(fā)展起來的新技術，與酵母雙雜交系統(tǒng)不同,此方法可在生理條件下研究多種蛋白質復合物的相互作用，兼具融合蛋白親和色譜法和免疫共沉淀兩種生化方法的優(yōu)點，通過兩步特異性的親和純化可獲得與目的蛋白結合的高純度蛋白質復合物。該方法首先對目的蛋白進行TAP標簽標記，標簽包括3個部分：蛋

27、白A、鈣調素結合多肽和中間連接的TEV酶識別的酶切位點。在蛋白復合物的分離純化中，第一步利用與蛋白標簽具有親和作用的色譜柱，采用TEV蛋白酶斷裂TEV蛋白酶切位點的方式洗脫；第二步利用與鈣調蛋白結合肽具有親和作用的鈣調蛋白色譜柱，將蛋白復合物和TEV蛋白酶分開，純化出的蛋白復合物用凝膠電泳、質譜技術或Edman降解法進行鑒定11。TAP技術的優(yōu)點是利用酶切的方法進行洗脫，條件溫和，不破壞復合物的結構，并且經兩步洗脫，去除了雜蛋白的干擾，提高了蛋白質相互作用結果的可靠性、特異性，遠遠超越了酵母雙雜交傳統(tǒng)技術。5.3熒光共振能量轉移技術熒光共振能量轉移技術的基本原理是處于激活狀態(tài)的供體能在足夠近的

28、距離(小于10nm)將本身的熒光傳遞到受體上。因此，用熒光標記的蛋白質，可以通過熒光體的能量傳遞來檢測兩蛋白質的相互作用。此技術的優(yōu)點是可以在生理條件下無損傷、動態(tài)地研究蛋白質的相互作用，同時還能檢測蛋白質在細胞內的定位。但是，該方法受熒光發(fā)色基團空間距離的限制，只能用于研究分子量小于200 kD的蛋白12。目前隨著計算機技術的發(fā)展，很多研究者運用計算分析和構建相互作用模型的方法來預測蛋白質相互作用，從而發(fā)現(xiàn)更多未發(fā)現(xiàn)有相互作用的蛋白，但這些發(fā)現(xiàn)的蛋白需要利用以上提到的方法進行鑒定。總之，用于研究蛋白質相互作用的方法很多，所有方法都各有千秋，但至今尚無十分理想的方法可以大規(guī)模獲得蛋白質相互作用

29、的數據，故相互作用圖譜有賴于各種研究方法的綜合分析。6.蛋白質折疊機理的研究長期以來關于蛋白質折疊，形成了自組裝的主導學說，因此，在研究新生肽段的折疊時，就很自然的把在體外蛋白質折疊研究中得到的規(guī)律推廣到體內，用變性蛋白的復性作為新生肽段折疊的模型，并認為細胞中新合成的多肽鏈，不需要別的分子的幫助，不需要額外能量的補充，就應該能夠自發(fā)的折疊而形成它的功能狀態(tài)。九十年代一類具有新的生物功能的蛋白，分子伴侶的發(fā)現(xiàn)，以及在更廣泛意義上說的幫助蛋白質折疊的輔助蛋白的提出，說明細胞內新生肽段的折疊一般意義上說是需要幫助的，而不是自發(fā)進行的。6.1分子生物學的中心法則與蛋白質折疊的研究概況根據分子生物學中

30、心法則，生物遺傳信息的傳遞是由DNA到RNA、RNA 到蛋白質多肽鏈、再由多肽鏈形成具有生物活性的蛋白質進行的。目前對前兩者的過程已有相當深入和清晰的了解，但對后者尚不十分清楚。因此可以說蛋白質折疊是生物學中心法則中至今尚未解決的一個重大生物學問題。通過蛋白質折疊的研究發(fā)現(xiàn)一級結構和空間結構之間存在某種確定的關系，那么是否像核苷酸通過“三聯(lián)密碼”決定氨基酸順序那樣有一套密碼呢？有人把這設想的一級結構決定空間結構的密碼叫作“第二遺傳密碼”?，F(xiàn)已經觀察出mRNA 的二級結構單元數與其編碼的蛋白質二級結構（螺旋與折疊）單元數之間存在明顯的相關性，二者的總符合率為97.3%，相關系數達0.99；其次，

31、mRNA二級結構中5端至3端的每一發(fā)夾或復合發(fā)夾與PDB數據庫所提供的蛋白質N端至C端的每一個螺旋或折疊之間存在幾乎是一一對應的現(xiàn)象。通過上述數據可以看出，mRNA的三維結構和蛋白質的三維結構中確實存在某種相關13。我們知道，多數蛋白質在體外是不穩(wěn)定的，外界環(huán)境的變化，如溫度、酸度等，都可以導致空間結構的破壞和生物活性的喪失，但卻并不破壞它的一級結構，這稱為蛋白質的變性。變性的蛋白質往往成為一條伸展的肽鏈，由于一級結構仍然完整，根據 Anfinsen 14原理它應該可以在一定的條件下重新折疊成原有的空間結構并恢復原有的活性。這就是長時間來在體外研究蛋白質折疊的基本模型。目前的實驗和理論研究多以

32、小分子量、單鏈蛋白質為模擬體系，這類蛋白質通常采用稀釋法折疊、復性，其中研究最多的模型蛋白是溶菌酶15。6.2蛋白質折疊的熱力學和動力學蛋白質折疊根本的科學問題是具有完整一級結構的多肽鏈又是如何折疊成為它特定的高級結構？這是一個折疊的動力學的問題，長期以來，主要用體外的實驗方法研究，雖然已有四五十年，但至今尚未解決。由 Anfinsen14等根據對 RNase 復性研究的經典實驗提出的“熱力學假說”認為一級結構決定高級結構。他們認為天然蛋白質多肽鏈所采取的構象是在一定環(huán)境條件下熱力學上最穩(wěn)定的結果，采取天然構象的多肽鏈和它所處的一定溶液組分、PH、溫度、離子強度等環(huán)境條件下整個系統(tǒng)的總自由能最

33、低，所以處于變性狀態(tài)的多肽鏈在一定的環(huán)境條件下能自發(fā)折疊成天然構象?！盁崃W假說”提出后，得到了許多實驗證據的證明，因此得到廣泛支持。Bakei，D.等認為，對某些蛋白質而言，天然構象也許并非是多肽鏈自由能最低狀態(tài)或唯一的低能量狀態(tài)，多肽鏈采取的某些非天然構象也很穩(wěn)定。若某一多肽鏈具有兩種低能量狀態(tài)：一種是天然構象，一種是非天然構象，而且處于這兩種低能量狀態(tài)的多肽鏈相互轉變由于要克服較高的能壘而難以實現(xiàn)。那么在蛋白質折疊過程中就會有兩種途徑相互競爭。一種是正確折疊形成天然構象的途徑，另一種是錯誤折疊成穩(wěn)定的非天然構象的途徑。蛋白質多肽鏈之所以能正確折疊是由于一些因素在蛋白質折疊的動力學過程中起

34、著控制作用，促進多肽鏈走入正確折疊途徑。蛋白質的折疊是遵循“熱力學假說”的，從高能態(tài)向低能態(tài)轉變，但在這個過程中會受到動力學上的控制，熱力學控制與動力學控制在蛋白質多肽鏈的折疊反應中是統(tǒng)一的，不同的蛋白質的折疊過程中所體現(xiàn)出來的二者所起作用大小可能有所不同16。6.3蛋白質折疊與分子伴侶蛋白質分子的三維結構，除了共價的肽鍵和二硫鍵，還靠大量極其復雜的弱次級鍵共同作用。因此新生肽段在一邊合成一邊折疊過程中有可能暫時形成在最終成熟蛋白中不存在不該有的結構，他們常常是一些疏水表面，它們之間很可能發(fā)生本不應該有的錯誤的相互作用而形成的非功能的分子，甚至造成分子的聚集和沉淀。按照自組裝學說，每一步折疊都

35、是正確的，充分的，必要的。實際上折疊過程是一個正確途徑和錯誤途徑相互競爭的過程，為了提高蛋白質生物合成的效率的，應該有幫助正確途徑的競爭機制，分子伴侶就是這樣通過進化應運而生的。它們的功能是識別新生肽段折疊過程中暫時暴露的錯誤結構的，與之結合，生成復和物，從而防止這些表面之間過早的相互作用，阻止不正確的非功能的折疊途徑，抑制不可逆聚合物產生，這樣必然促進折疊向正確方向進行。分子伴侶的研究有利于蛋白質折疊機理的探索。其研究成果必然會大大加深我們對生命現(xiàn)象的認識，同時也一定會增加我們與自然斗爭的能力和自身生存的能力。由于分子伴侶在生命活動的各個層次都具有重要作用，它的突變和損傷也必定會引起疾病，因

36、此可以期望運用分子伴侶的知識來治療所謂的“分子伴侶病”。另一方面，利用對分子伴侶的研究成果從根本上提高基因工程和蛋白工程的成功率，也必將對大幅度提高人類生活水平起重要作用。前景展望根據預測蛋白質結構大概有2000種不同的折疊類型，30005000 蛋白質超家族，當前僅發(fā)現(xiàn)1000余種不同的折疊類型和1600種蛋白質超家族。人類基因組測序研究揭示，人體大約有3萬個編碼蛋白質的基因，這就是說，人類生命過程中大約需要3萬種不同的基礎蛋白質，它們在生命活動中發(fā)揮著重要功能，而這些功能的發(fā)揮則依賴于這些蛋白質的三維結構。因此，獲得這些蛋白質并闡明它們的精細三維結構及與其生物功能的關系，成為揭示生物體活動

37、本質的關鍵一步。近年來基因組工程的迅猛發(fā)展及生物信息學的新進展，給結構生物學開創(chuàng)了道路，使此目標的實現(xiàn)成為可能。隨著人類基因組計劃的執(zhí)行， 找到人類5萬到10萬個基因的堿基序列是指日可待的事，因而確定人的上千萬個原癌基因和幾萬個與疾病有關基因表達產物的氨基酸順序也會逐漸實現(xiàn)。然而要了解它們的功能還必須知道它們的三維結構， 且藥物設計、基因芯片均需要知道三維結構。當前，雖然眾多技術為蛋白質空間結構測定提供了有效的實驗手段， 但蛋白質三維結構的增長速度遠遠小于蛋白質序列的增長速度，并且這些方法仍然存在局限性。于是要求現(xiàn)代生物信息學工作者運用數學物理思想、方法和計算手段進一步研究分子生物機理，使人類

38、更準確地掌握蛋白質結構知識，從而促進生物學、醫(yī)學、藥學等生命科學領域的發(fā)展。對蛋白質結構的研究是蛋白質研究中的核心內容之一，雖然它還處于一個初級發(fā)展階段，其研究方法和系統(tǒng)還不夠完善，但隨著其不斷深入發(fā)展，相信在揭示諸如生長、發(fā)育和代謝調控等生命活動規(guī)律上將會有所突破。蛋白質結構研究將為從細胞和分子水平上探討人類重大疾病的機制、診斷、防治和新藥開發(fā)提供重要的理論基礎從而使蛋白質科學研究達到一個新的高度。參考文獻1 李光地，陸長德，金哲元. 蛋白質結構研究方法進展Z.江南大學圖書館情報部，2006，3 (2)：4547.2 閻隆飛，孫之榮.蛋白質分子結構M.清華大學出版社, 1997，25（8）:

39、 131154.3 余亦華.蛋白質三維空間結構研究的里程碑J.科學，2003，55(2)：5758.4 王大能，陳勇，隋森芳.電子顯微學在結構生物學研究中的新進展J.電子顯微學報，2003，22(5)：449456.5 T. J. Hubbard, B. Ailey, S. E. Brenner, A. G. Murzin and C. Chothia. SCOP: A structural classification of proteins databaseJ. Nucleic Acids Research, 1999, 27(1) : 254256.6 L. Holm and C. Sander. Protein structure comparison by alignment of dista