蛋白質(zhì)的折疊

趙順喆

摘要：蛋白質(zhì)是生命機體的基本組成部分,它是連接分子運作和生物功能的一個主要組成部分,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踐的種種困難成為當今科學(xué)界的一大難

題。本文簡要介紹了蛋白質(zhì)折疊的基礎(chǔ)知識，折疊機理研究的幾個理論模型，以及研究的進展。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),生命信息的流動可以分為兩個部分:第一部分是儲存于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),同時獲得生物活性,從而將生命信息表達出來;因此這個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)可以分為四個組織層次，即一級結(jié)構(gòu)、二級結(jié)構(gòu)、三級結(jié)構(gòu)和四級結(jié)構(gòu)。一級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)又稱初級結(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)，所以整個肽單位是一個剛性的平面結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的一級結(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)一級結(jié)構(gòu)之間的差別可以反映出進化關(guān)系。二級結(jié)構(gòu)二級結(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，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。每個氨基酸殘基（第n個）的羰基氧與多肽鏈C端方向的第4個殘基（第n+4個）的酰胺氮形成氫鍵。螺旋中的每個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)象是通過一個肽鍵的羰基氧和位于同一個肽鏈或相鄰肽鏈的另一個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）。三級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)是整個多肽鏈的三維構(gòu)象，它是在二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，多肽鏈進一步折疊卷曲形成復(fù)雜的球狀分子結(jié)構(gòu)。具有三級結(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方向進行盤繞折疊，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，而非極性的基團則被埋在分子內(nèi)部，不與水接觸。四級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)指數(shù)條具有獨立的三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈通過非共價鍵（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)。在具有四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)中，每一條具有三級結(jié)構(gòu)的皚鏈稱為亞基或亞單位，缺少一個亞基或亞基單獨存在都不具有活性。四級結(jié)構(gòu)涉及亞基在整個分子中的空間排布以及亞基之間的相互關(guān)系。{b}呂 ■LiAikiLurcgo濟場仔四級結(jié)構(gòu)涉及亞基在整個分子中的空間排布以及亞基之間的相互關(guān)系。{b}呂 ■LiAikiLurcgo濟場仔ahelix J，［y(2/fifiheciC-d}QutLLciiiuirya-Cru^LutC(C?'ItrLi^ryu^rLu^生檢奔切舫Al^tturvDom-iun折疊時測定的狀態(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；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.研究進展正是因為蛋白質(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)折疊機制.過去人們普遍認為蛋白質(zhì)的折疊過程是由肽鏈到蛋白質(zhì)的瞬間轉(zhuǎn)變,但隨著測量儀器和手段的不斷改進,人們發(fā)現(xiàn)了越來越多的部分折疊態(tài),并最終承認蛋白質(zhì)的折疊過程是一個包含了許多步驟的序變過程,是一個快相過程與慢相過程相結(jié)合的過程.經(jīng)過人們長期的努力,已經(jīng)找到了蛋白質(zhì)折疊的部分規(guī)律,例如通過二級結(jié)構(gòu)預(yù)測和計算機模擬方法,研究者們找到一些由幾個氨基酸殘基組成的一級序列決定二級結(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力學(xué)來模擬蛋白質(zhì)折疊過程需要耗費巨大的計算資源.就目前的計算機處理能力來說,對于大的蛋白質(zhì),其模擬時間尺度相對于蛋白質(zhì)整個折疊過程來說,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化模型,以減少體系的自由度,從而加快計算速度.對于簡化模型,需要解決的關(guān)鍵問題是如何設(shè)計適用于該簡化模型的勢函數(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)胨拗骷毎?但重組基因的表達產(chǎn)物往往形成無活性的、不溶解的包涵體.折疊機制的闡明對包涵體的復(fù)性會有重要幫助.研究預(yù)防由于一些細胞內(nèi)的重要蛋白發(fā)