蛋白質(zhì)的折疊

1、中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所生物大分子國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王志珍導(dǎo)讀您知道蛋白質(zhì)折疊嗎？這是一個(gè)很新的詞。新到什么程度？您可以上網(wǎng)到著名的不列顛百科全書網(wǎng)站檢索一下 proteinfolding （即蛋白質(zhì)折疊），還沒有相應(yīng)的解釋。您知道“蛋白質(zhì)折疊病”嗎？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” 。就是相關(guān)蛋白質(zhì)的三維 空間結(jié)構(gòu)異常。這種三維空間結(jié)構(gòu)異常是由于致病蛋白質(zhì)分子通過分子間作用感染正常蛋白 質(zhì)而造成的。請(qǐng)注意，致病蛋白質(zhì)分子與正常蛋白質(zhì)分子的構(gòu)成完全相同，只是空間結(jié)構(gòu)不同。您知道蛋白質(zhì)折疊有多復(fù)雜嗎？美國(guó)“科學(xué)美國(guó)人”曾經(jīng)

2、載文稱，用當(dāng)今最快的計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算蛋白質(zhì)折疊，要花一百年！而當(dāng)今最快的計(jì)算機(jī)已經(jīng)達(dá)到每秒幾萬(wàn)億甚至十幾萬(wàn)億 次浮點(diǎn)運(yùn)算的高速了。對(duì)于生命奧秘的探索， 將貫穿新世紀(jì)乃至新千年人類的歷史。而蛋白質(zhì)折疊，就是其中的一大課題。請(qǐng)您認(rèn)真閱讀王志珍研究員的這篇文章。不要害怕肽鍵、肽鏈、分子伴侶這類專業(yè)名詞，因?yàn)樗鼈兣c您、您的健康息息相關(guān)。讀完這篇文章，這些專業(yè)名詞將成為您的朋友。提要研究蛋白質(zhì)的折疊， 是生命科學(xué)領(lǐng)域的前沿課題之一。蛋白質(zhì)是一種生物大分子，基本上是由20種氨基酸以肽鍵連接成肽鏈。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

3、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)。通過“蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)”破譯“第二遺傳密碼”，是蛋白質(zhì)研究最后幾個(gè)尚未揭示的奧秘之一。天津大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院生物物理所的科學(xué)家已經(jīng)做出了優(yōu)秀的研究成果。他們預(yù)測(cè)，蛋白質(zhì)的種類雖然成千上萬(wàn)，但它們的折疊類型卻只有有限的650種左右。我國(guó)科學(xué)家在分子伴侶和折疊酶方面有特色的研究成果，也已經(jīng)贏得了國(guó)際同行的注意。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），這稱為蛋白質(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

4、有的空間結(jié)構(gòu)并恢復(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。1分子生物學(xué)的中心法則五十年代初運(yùn)用X射線衍射技術(shù)解出了生命遺傳物質(zhì)脫氧核糖核酸（DNA）分子的三維空間結(jié)構(gòu)，闡明了生物遺傳的分子基礎(chǔ)，揭示了這個(gè)最主要的生命活動(dòng)的本質(zhì)，從而開創(chuàng)了在分子水平上認(rèn)識(shí)生命現(xiàn)

5、象的新學(xué)科分子生物學(xué)。分子生物學(xué)的出現(xiàn)是經(jīng)典生物學(xué)轉(zhuǎn)變成近代生物學(xué)的里程碑。盡管自然界的生物物種千千萬(wàn)萬(wàn)，生命現(xiàn)象繁雜紛飛，在分子水平研究生命，使我們認(rèn)識(shí)到各種生命現(xiàn)象的基本原理卻是高度一致的！從最簡(jiǎn)單的單細(xì)胞生物到最高等的人類，它們最基本最重要的組成物質(zhì)都是蛋白質(zhì)和核酸。核酸是生物體遺傳信息的攜帶者，所有生物體能世代相傳， 就是依靠核酸分子可以精確復(fù)制的性質(zhì)。蛋白質(zhì)則是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者。所有的生命活動(dòng)，呼吸、運(yùn)動(dòng)、消化 ,甚至感知、思維和學(xué)習(xí)， 無(wú)一例外是依靠蛋白質(zhì)來完成的。蛋白質(zhì)是一種生物大分子，基本上是由20種氨基酸以肽鍵連接成肽鏈。肽鍵連接成肽鏈稱為蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)。不同蛋白質(zhì)其肽

6、鏈的長(zhǎng)度不同，肽鏈中不同氨基酸的組成和排列順序也各不相同。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)。每一種蛋白質(zhì)分子都有自己特有的氨基酸的組成和排列順序，由這種氨基酸排列順序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。二十世紀(jì)生物學(xué)領(lǐng)域最重要的成就之一，是

7、繼DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)總結(jié)出分子生物學(xué)的中心法則，揭示生命遺傳信息傳遞的方向和途徑。 近半個(gè)世紀(jì)以來對(duì)闡明中心法則有關(guān) 問題有杰出貢獻(xiàn)而獲得諾貝爾獎(jiǎng)的學(xué)者先后多達(dá)34位。分子生物學(xué)的中心法則簡(jiǎn)單表達(dá)如下：分子生物學(xué)的中心法則中，DNA和核糖核酸（RNA）的復(fù)制、DNA轉(zhuǎn)錄成RNA、RNA逆轉(zhuǎn)錄成DNA以及以信使RNA為模板翻譯成多肽鏈的過程和機(jī)制基本上已經(jīng)闡明。但從多 肽鏈折疊成蛋白質(zhì)的過程，即所謂“新生肽的折疊”問題，是中心法則至今留下的空白，又 是從“遺傳信息”到“生物功能”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有待我們?cè)?1世紀(jì)去解決。2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

8、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。現(xiàn)在則發(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，它是由一種稱為Prion的蛋白質(zhì)的感染引起的，這種蛋白質(zhì)也可以感染人而引起神經(jīng)系統(tǒng)疾病。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 Anfins

9、en原理是否矛盾？顯然這里有蛋白質(zhì)的能量和穩(wěn)定性問題。從來認(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，生命信息從核酸傳遞到蛋白。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，致病蛋白 Prion導(dǎo)致正常蛋白Prion轉(zhuǎn)變?yōu)橹虏〉恼郫B狀態(tài)是通過蛋白分子間的作 用而感染！這種相互作用的本質(zhì)和機(jī)制是什么？?jī)H僅改變了折疊狀態(tài)的分子又如何導(dǎo)致嚴(yán)重 的疾??？這些問題都不能用傳統(tǒng)的概念給予滿意的解釋，因此在科學(xué)界引起激烈的爭(zhēng)論，有關(guān)研究的強(qiáng)度和競(jìng)爭(zhēng)性也隨之大大增強(qiáng)。由于蛋白質(zhì)折疊異常而造成分子聚集甚至沉淀或不能正常轉(zhuǎn)運(yùn)到位所引起的疾病還有 老年性癡呆癥、囊

10、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。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?，F(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，除了上面提到的在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用價(jià)值外，在生物工程上具有極大的應(yīng)用價(jià)值?；蚬こ毯?/p>

11、蛋白工程已經(jīng)逐漸發(fā)展成為產(chǎn)值以數(shù)十億美元計(jì)的大產(chǎn)業(yè)，進(jìn)入 21世紀(jì)后，還將會(huì)有更大的發(fā)展。但是當(dāng)前經(jīng)常遇到的困難，是在簡(jiǎn)單的微生物細(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對(duì)新生肽鏈折疊更多的認(rèn)識(shí)。(3蛋白質(zhì)折疊和“第二遺傳密碼”蛋白質(zhì)折疊的研究，比較狹義的定義就是研究蛋白質(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；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。這里最根本的科學(xué)問題就是多肽鏈 的一級(jí)結(jié)構(gòu)到底如何決定它的空間結(jié)構(gòu)？

12、既然前者決定后者，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，這是否也像核甘酸通過“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(shè)想的一級(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”已被破譯而實(shí)際上已成為明碼，那么破譯“第二遺傳密碼”正是“蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)”從理論上最直接地去解決蛋白質(zhì)的折疊問題，這是蛋白質(zhì)研究最后幾個(gè)尚未揭示的奧秘之一?！暗鞍踪|(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)”屬于理論方面的熱力學(xué)問題。就是根據(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)的核甘酸序列的測(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

13、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(kù)中已經(jīng)存有大約17萬(wàn)個(gè)蛋白的一級(jí)結(jié)構(gòu)，但是測(cè)定了空間結(jié)構(gòu)的蛋白大約只有1. 2萬(wàn)個(gè)，這中間有許多是很相似的同源蛋白，而真正不同的蛋白只有1000多個(gè)。隨著人類基因組計(jì)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)。由于蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)本身的極端復(fù)雜性決定了結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)不可能一蹴而就。目前結(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

14、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(kù)中已有的蛋白質(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)從一級(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)

15、方法 與計(jì)算化學(xué)以及統(tǒng)計(jì)物理學(xué)結(jié)合起來，才有希望能破譯“第二遺傳密碼”。另一方面，和以往只能利用存入蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)相比，人類DNA的全序列的測(cè)定給予蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)更自然的、 信息量更大得多的數(shù)據(jù)庫(kù)，因此可用基于同源性的重復(fù)循環(huán)技術(shù)非?？煽康仂`敏地進(jìn)行結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)。已經(jīng)有人根據(jù)基因組的數(shù)據(jù)用統(tǒng)計(jì)方法重新估計(jì)了蛋白質(zhì)折疊類 型數(shù)目大約為1000種，這和早期的理論估計(jì)是一致的。顯然，人類基因全序列的揭示必然 為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、蛋白質(zhì)相互作用的預(yù)測(cè)以及單核甘酸多態(tài)性的分子表型預(yù)測(cè)開辟前所未 有的廣闊天地。天津大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院生物物理所的科學(xué)家已經(jīng)活躍在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)領(lǐng)域， 并做出了優(yōu)秀的研究成

16、果。他們預(yù)測(cè)，蛋白質(zhì)的種類雖然成千上萬(wàn)，但它們的折疊類型卻只 有有限的650種左右。蛋白質(zhì)折疊第二個(gè)根本的科學(xué)問題是具有完整一級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈又是如何折疊成為它 特定的高級(jí)結(jié)構(gòu)？這是一個(gè)折疊的動(dòng)力學(xué)的問題，長(zhǎng)期以來，主要用體外的實(shí)驗(yàn)方法研究， 雖然已有四五十年， 但至今尚未解決。我們知道，多數(shù)蛋白質(zhì)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(dǎo)致其空間結(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)，這稱為蛋白質(zhì)的變性。 對(duì)蛋白質(zhì)變性作用的認(rèn)識(shí)是我國(guó)科學(xué)家吳憲在三十年代基于他在國(guó)內(nèi)的工作首先提出來的，長(zhǎng)期以來已經(jīng)為國(guó)際上廣泛接受。變性的蛋白質(zhì)往往成為一條伸展的肽鏈，由于一級(jí)結(jié)構(gòu)

17、仍然完整，根據(jù) Anfinsen原理它應(yīng)該可以在一定的條件下重新折疊成原有的空間結(jié)構(gòu)并恢復(fù)原有的活性。這就是長(zhǎng)時(shí)間來在體外研究蛋白質(zhì)折疊的基本模型。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)，并不是一步完成的，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)去進(jìn)行研究。最近有人嘗試大幅度降低溫度使

18、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)間的艱苦的工作。4細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)折疊盡管多年來體外蛋白質(zhì)折疊研究為揭示蛋白質(zhì)折疊的本質(zhì)提供了大量信息，但細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的生物合成，一個(gè)廣義的蛋白質(zhì)折疊問題，是一個(gè)比試管內(nèi)蛋白質(zhì)折疊復(fù)雜得多的多的過程。蛋白質(zhì)的多肽鏈都是在細(xì)胞內(nèi)的一種由多種蛋白質(zhì)和核糖核酸所組成的被稱為核糖體 的復(fù)合物上，以信使核糖核酸為模板，從氨基末端開始，按照三聯(lián)密碼，一個(gè)氨基酸一個(gè)氨基酸加上去而合成出來的。 現(xiàn)在比較一致的看法認(rèn)為，這種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

19、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)。所以上面介紹的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。我們實(shí)驗(yàn)室暫時(shí)繞過這個(gè)障礙，制備一系列從氨基末端開始具有不同長(zhǎng)度的肽段，比較研究它們的構(gòu)象作為模型， 對(duì)新生肽在合成延伸的同時(shí)也在進(jìn)行著折疊的觀點(diǎn)已經(jīng)提供了大 量信息。從核糖體上合成出來的肽鏈還需經(jīng)過與翻譯同時(shí)進(jìn)行的和翻譯完成后的化學(xué)加工， 如形成二硫鍵，完成糖

20、基化作用、羥基化作用、磷酸化作用等化學(xué)修飾?；瘜W(xué)修飾往往與肽 鏈的折疊密切相關(guān)，沒有化學(xué)修飾的肽鏈往往不能完成正確折疊。新生肽還要被運(yùn)送到細(xì)胞的特定部位，“各就各位”才能發(fā)揮它特定的生物功能：例如進(jìn)入細(xì)胞核中白核蛋白與 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)入內(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)，甚至是多次越膜的過程。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

21、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。在試管中做蛋白質(zhì)折疊實(shí)驗(yàn)的條件往往人為簡(jiǎn)化或不得不簡(jiǎn)化， 與新生肽在細(xì)胞內(nèi)折疊的條件有質(zhì)的或量的差別。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， 它們大約占用細(xì)胞容積的 2030%,總濃度高達(dá)每升80-200 克，因此任何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)際可及空間大大減少，這種情況對(duì)所有大分子之間的反應(yīng)在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上都有很 大的影響。最近，有人呼吁，在體外研究蛋白質(zhì)折疊必須考慮模擬細(xì)胞內(nèi)的“擁擠”環(huán)境。 我們實(shí)驗(yàn)室在這方

22、面的研究已經(jīng)得到國(guó)際同行的注意。此外，某一種蛋白在某一時(shí)刻在細(xì)胞內(nèi)的局部濃度可以非常高，這樣高濃度的蛋白質(zhì)在試管中必然發(fā)生聚集而不可能完成折疊。 所以，在體外進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，為了提高蛋白折疊效率，并且有利于進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)所用的蛋白濃度總是很低的；溫度也常在37攝氏度以下，有時(shí)低到 10攝氏度以下，以減緩反應(yīng)速度。溶液成分也盡量簡(jiǎn)單，便于分析。5分子伴侶蛋白和折疊酶最近15年來，由于發(fā)現(xiàn)一些蛋白質(zhì)的折疊必須在另一些蛋白質(zhì)存在時(shí)才能正確完成的 現(xiàn)象，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，這是蛋白質(zhì)折疊研究中的大事。現(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

23、 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)的能障等問題在實(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。目前已認(rèn)識(shí)到的在細(xì)胞內(nèi)幫助新生肽鏈折疊的蛋白有二類：一類稱為分子伴侶蛋白， 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。分子伴侶顯然是一種具有新功能的蛋白，近年來已經(jīng)鑒定到越來越多新的分子伴侶蛋白或已知蛋白的新的分子伴侶活性。它們的精細(xì)三維結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系、它們幫助生物大分子折疊的機(jī)制都在活躍的研究之 中；特別是有些蛋白的分子

24、伴侶活性和在同一分子上的其他生物活性之間的關(guān)系以及在生命 活動(dòng)中的協(xié)作和調(diào)控更引起人們的興趣?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，不僅蛋白質(zhì)的折疊需要分子伴侶的幫助，DNA分子和RNA分子的折疊也往往需要分子伴侶的幫助，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)合物都要有一定的構(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，不僅蛋白質(zhì)，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)有一些核酸和磷脂也能發(fā)揮分子伴侶的作用；更有趣的是最近發(fā)現(xiàn)核糖體也有分子伴侶活性。有些生物大分子在成熟過程中需要一系列的分子伴侶在不同的階段給予幫助才能完成最終的折疊。另外，有一些小分子物質(zhì)對(duì)某些蛋白質(zhì)在體外的折疊有幫助作用，被稱之為“化學(xué)分子伴侶”。我國(guó)科學(xué)家在分子伴侶和折疊酶方面的有特色的研究成果已經(jīng)贏得