蛋白質(zhì)的折疊

蛋白質(zhì)的折疊

趙順喆

摘要：蛋白質(zhì)是生命機(jī)體的基本組成部分,它是連接分子運(yùn)作和生物功能的一個(gè)主要組成部分,在生物

體內(nèi)占有特殊的地位。而蛋白質(zhì)作為生命信息的表達(dá)載體,它折疊所形成的特定空間結(jié)構(gòu)是其具有生物學(xué)功

能的基礎(chǔ)。然而，蛋白質(zhì)通過什么方式折疊的問題卻由于理論和實(shí)踐的種種困難成為當(dāng)今科學(xué)界的一大難

題。本文簡(jiǎn)要介紹了蛋白質(zhì)折疊的基礎(chǔ)知識(shí)，折疊機(jī)理研究的幾個(gè)理論模型，以及研究的進(jìn)展。關(guān)鍵詞：組織層次、理論模型、天然態(tài)、去折疊態(tài)、熔球態(tài)前言：蛋白質(zhì)分子的折疊過程是指蛋白質(zhì)分子從一般的狀態(tài)變化到基態(tài)的復(fù)雜過程.它能使我們了解氨基酸序列是如何決定蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu),預(yù)測(cè)其結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出來的蛋白質(zhì)分子的性能.在這個(gè)過程中氨基酸與氨基酸緊密接觸（Residue-residuecontact）的相互作用起著十分重要的作用。蛋白質(zhì)在生物體內(nèi),生命信息的流動(dòng)可以分為兩個(gè)部分:第一部分是儲(chǔ)存于DNA序列中的遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄和翻譯傳入蛋白質(zhì)的一級(jí)序列中,這是一維信息之間的傳遞,三聯(lián)子密碼介導(dǎo)了這一傳遞過程;第二部分是肽鏈經(jīng)過疏水塌縮、空間盤曲、側(cè)鏈疊集等折疊過程形成非常特定的復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu),同時(shí)獲得生物活性,從而將生命信息表達(dá)出來;因此這個(gè)一維信息向三維信息的轉(zhuǎn)化過程是表現(xiàn)生命活力所必需的。蛋白質(zhì)的組織層次蛋白質(zhì)有著各異的三維空間結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)稱之為天然態(tài)結(jié)構(gòu)，并且其內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織具有層次性，因此我們引入組織層次的概念。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)可以分為四個(gè)組織層次，即一級(jí)結(jié)構(gòu)、二級(jí)結(jié)構(gòu)、三級(jí)結(jié)構(gòu)和四級(jí)結(jié)構(gòu)。一級(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)又稱初級(jí)結(jié)構(gòu)（primarystructure），指形成肽鏈的氨基酸序列，即指蛋白質(zhì)分子中氨基酸殘基的順序，包括肽鏈中氨基酸的數(shù)目、種類和順序。肽鍵是蛋白質(zhì)中氨基酸之間的主要連接方式，肽鍵具有部分雙鍵的性質(zhì)，所以整個(gè)肽單位是一個(gè)剛性的平面結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)是由編碼它的基因確定的，不同生物同種（或同源）蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)之間的差別可以反映出進(jìn)化關(guān)系。二級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽鏈骨架盤繞折疊所形成的有規(guī)律性的結(jié)構(gòu)。最基本的二級(jí)結(jié)構(gòu)類型有a-螺旋結(jié)構(gòu)和B-折疊結(jié)構(gòu)，兩種構(gòu)象均由氫鍵維持。此外還有B-轉(zhuǎn)角和自由回轉(zhuǎn)（指沒有一定規(guī)律的松散肽鏈結(jié)構(gòu)）。蛋白質(zhì)分子主鏈的緊密填埋使a螺旋和B片層結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定；同時(shí)，也只有a螺旋和B片層結(jié)構(gòu)這樣的規(guī)則結(jié)構(gòu)才能使氨基酸多肽鏈在空間排布更緊密。a-螺旋是蛋白質(zhì)中常見的一種二級(jí)結(jié)構(gòu)，肽鏈主鏈繞假想的中心軸盤繞成螺旋狀，一般都是右手螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋是靠鏈內(nèi)氫鍵維持的。每個(gè)氨基酸殘基（第n個(gè)）的羰基氧與多肽鏈C端方向的第4個(gè)殘基（第n+4個(gè)）的酰胺氮形成氫鍵。螺旋中的每個(gè)肽鍵均參與氫鍵的形成以維持螺旋的穩(wěn)定。a-a-螺旋B-折疊作折疊也是蛋白質(zhì)中的常見的二級(jí)結(jié)構(gòu)，是由伸展的多肽鏈組成的。折疊片的構(gòu)象是通過一個(gè)肽鍵的羰基氧和位于同一個(gè)肽鏈或相鄰肽鏈的另一個(gè)酰胺氫之間形成的氫鍵維持的。氫鍵幾乎都垂直伸展的肽鏈，這些肽鏈可以是平行排列（走向都是由N到C方向）；或者是反平行排列（肽鏈反向排列）。三級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)是整個(gè)多肽鏈的三維構(gòu)象，它是在二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，多肽鏈進(jìn)一步折疊卷曲形成復(fù)雜的球狀分子結(jié)構(gòu)。具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)一般都是球蛋白，這類蛋白質(zhì)的多肽鏈在三維空間中沿多個(gè)方向進(jìn)行盤繞折疊，形成十分緊密的近似球形的結(jié)構(gòu)，分子內(nèi)部的空間只能容納少數(shù)水分子，幾乎所有的極性R基都分布在分子外表面，形成親水的分子外殼，而非極性的基團(tuán)則被埋在分子內(nèi)部，不與水接觸。四級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)指數(shù)條具有獨(dú)立的三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈通過非共價(jià)鍵（鹽鍵、氫鍵、疏水鍵作用和范德華力等）相互連接而成的聚合體結(jié)構(gòu)。在具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)中，每一條具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的皚鏈稱為亞基或亞單位，缺少一個(gè)亞基或亞基單獨(dú)存在都不具有活性。四級(jí)結(jié)構(gòu)涉及亞基在整個(gè)分子中的空間排布以及亞基之間的相互關(guān)系。呂 ■LiAikiLurcgo濟(jì)場(chǎng)仔四級(jí)結(jié)構(gòu)涉及亞基在整個(gè)分子中的空間排布以及亞基之間的相互關(guān)系。呂 ■LiAikiLurcgo濟(jì)場(chǎng)仔ahelix J，［y(2/fifiheciC-d}QutLLciiiuirya-Cru^LutC(C?'ItrLi^ryu^rLu^生檢奔切舫Al^tturvDom-iun折疊時(shí)測(cè)定的狀態(tài)天然態(tài)結(jié)構(gòu)熔球態(tài)結(jié)構(gòu)熔球態(tài)是大多大分子蛋白質(zhì)的折疊中間態(tài)，具有一定穩(wěn)定性。該態(tài)整體大小接近折疊態(tài)；其二級(jí)結(jié)構(gòu)含量與天然態(tài)相仿；由于體系內(nèi)部一定程度的分散，使得內(nèi)部氨基酸側(cè)鏈的空間分布更均勻；中間態(tài)結(jié)構(gòu)的焓與去折疊態(tài)結(jié)構(gòu)十分接近,與折疊態(tài)結(jié)構(gòu)相去甚遠(yuǎn)；去折疊態(tài)結(jié)構(gòu)去折疊態(tài)結(jié)構(gòu)與天然態(tài)結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，理想狀態(tài)的去折疊態(tài)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)無規(guī)卷曲狀

態(tài),沒有形成規(guī)則的二級(jí)結(jié)構(gòu)。但研究表明，去折疊蛋白質(zhì)也不是真正的無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)，去

折疊態(tài)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)更加緊密,更加有規(guī)則。蛋白質(zhì)折疊的影響因素在蛋白質(zhì)的折疊過程中，有多種復(fù)雜的因素對(duì)它產(chǎn)生影響，包括溶劑的作用，溫度的作用，酸堿度的作用，分子伴侶（一種引導(dǎo)蛋白質(zhì)正確折疊的蛋白用等等。其中，分子伴侶的存在至關(guān)重要。4.研究進(jìn)展正是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)折疊問題如此復(fù)雜,所以,至今還沒有人提出大家都信服的蛋白質(zhì)折疊機(jī)制.過去人們普遍認(rèn)為蛋白質(zhì)的折疊過程是由肽鏈到蛋白質(zhì)的瞬間轉(zhuǎn)變,但隨著測(cè)量?jī)x器和手段的不斷改進(jìn),人們發(fā)現(xiàn)了越來越多的部分折疊態(tài),并最終承認(rèn)蛋白質(zhì)的折疊過程是一個(gè)包含了許多步驟的序變過程,是一個(gè)快相過程與慢相過程相結(jié)合的過程.經(jīng)過人們長(zhǎng)期的努力,已經(jīng)找到了蛋白質(zhì)折疊的部分規(guī)律,例如通過二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)和計(jì)算機(jī)模擬方法,研究者們找到一些由幾個(gè)氨基酸殘基組成的一級(jí)序列決定二級(jí)結(jié)構(gòu)的規(guī)律;不同的作用力在蛋白質(zhì)折疊過程所起的作用已被闡明;許多具體的蛋白質(zhì)的折疊過程也已經(jīng)被研究者們分析得十分清楚.目前,已經(jīng)有一些小組采用全原子分子動(dòng)力學(xué)模擬來研究小蛋白和多肽的從頭折疊過程，但是,采用全原子的分子動(dòng)力學(xué)來模擬蛋白質(zhì)折疊過程需要耗費(fèi)巨大的計(jì)算資源.就目前的計(jì)算機(jī)處理能力來說,對(duì)于大的蛋白質(zhì),其模擬時(shí)間尺度相對(duì)于蛋白質(zhì)整個(gè)折疊過程來說,還存在一定差距.為了克服這些困難,蛋白質(zhì)從頭折疊研究常用的做法是采用簡(jiǎn)化模型,以減少體系的自由度,從而加快計(jì)算速度.對(duì)于簡(jiǎn)化模型,需要解決的關(guān)鍵問題是如何設(shè)計(jì)適用于該簡(jiǎn)化模型的勢(shì)函數(shù)以及如何快速有效的找到自由能最低的狀態(tài).目前,已經(jīng)有很多簡(jiǎn)化模型被用于蛋白質(zhì)從頭折疊的研究。5.應(yīng)用前景利用DNA重組技術(shù)可以將外源基因?qū)胨拗骷?xì)胞?但重組基因的表達(dá)產(chǎn)物往往形成無活性的、不溶解的包涵體.折疊機(jī)制的闡明對(duì)包涵體的復(fù)性會(huì)有重要幫助.研究預(yù)防由于一些細(xì)胞內(nèi)的重要蛋白發(fā)