南开大学分子生物物理-蛋白质的折叠解读.ppt

蛋白质的功能 蛋白质的结构表示 蛋白质通过结构专一性结合实现其功能 第二章 蛋白质的折叠 蛋白质折叠问题是生命科学领域的前沿课题之一，并且被列为“21世纪的生物物理学”的重要课题，它是分子生物学中心法则尚未解决的一个重大生物学问题。从一级序列预测蛋白质分子的三级结构并进一步预测其功能，是极富挑战性的工作。研究蛋白质折叠，尤其是折叠早期过程，即新生肽段的折叠过程是全面的最终阐明中心法则的一个根本问题。 遗传信息的传递 §2.1 蛋白质折叠的基本概念和研究概况 DNA RNA 蛋白质（新生肽链） 新生肽链必须经历一系列极其复杂的加工过程，包括氨基酸残基的化学修饰诸如二硫键的形成、糖基化作用、羟基化作用、磷酸化作用等。现在已知的与翻译同时进行或在翻译完成后进行的化学修饰反应已经超过100种。 新生肽链必须进行折叠，才能形成一定的三维结构。 每一个新合成的多肽链都必须转运到细胞内特定的场所或者被分泌到细胞外区发挥作用。这些转运往往需要经过一次甚至多次的跨膜过程。完全折叠好的蛋白质是不能跨越细胞膜的，因此如果折叠过早或过多，还要先去折叠，才能跨膜运输到特定的发挥其生物功能的场所，再最终折叠成为功能蛋白。 多亚基蛋白还要进行亚基的组装。 许多以前体形式合成的蛋白，如一些蛋白酶等还必须经过水解除去前体分子中的“前序列”才能转变成具有活性的酶分子。 新生肽只有折叠成特定的三维结构，才能获得特定的生物学功能，成熟为功能蛋白分子。 新生肽的折叠不仅指肽链在空间的盘卷，而是包括广义的新生肽链的整个成熟过程，包括化学修饰、跨膜转运、亚基组装、水解激活等。 蛋白质折叠研究的概况 20世纪50年代Fraekel和Williams从烟草斑纹病毒分离出外壳蛋白和核糖核酸，在体外生理条件下重组得到有感染活力的病毒粒子。 60年代美国生物化学家安芬森（Anfinsen） 根据还原变性的牛胰核糖核酸酶在去除变性剂和还原剂后，不需要任何其他物质的帮助，能够自发的形成正确的4对二硫键，重新折叠成天然的三维结构，并恢复几乎全部生物活性的实验，提出“多肽链的氨基酸序列包含了形成其热力学上稳定的天然构象所必须的全部信息”或者说“一级结构决定高级结构”的著名论断，为此Anfinsen 获得1972年Nobel化学奖。 这些经典的工作开辟了近代蛋白质折叠的研究，形成了蛋白质折叠自组装（self－assembly）的主导学说。 Anfinsen 原理揭示了蛋白质的氨基酸序列决定蛋白质分子在热力学上稳定的三维结构的必然，但是没有阐明蛋白质折叠的全过程，还有些问题需要回答：一级结构到底如何决定高级结构？具有完整一级结构的多肽链又如何克服在动力学上可能的能障，最终达到这个热力学上最稳定的状态？是否存在像三联遗传密码那样的第二套密码，即氨基酸序列决定蛋白质的三维结构的所谓的“折叠密码” ？按照Anfinsen原理，在理论上应该可以根据蛋白质的氨基酸序列预测其相应的“唯一”的三维结构，那么，如何由一级结构预测三级结构？ 近年来的研究表明蛋白质折叠是一个序变过程，可通过捕捉蛋白质折叠的中间状态了解蛋白质折叠的全过程。 在研究牛与人的α－乳清蛋白酸变性、热变性和在中等浓度盐酸胍溶液中变性时的各种物理性质，发现在这些条件下都能形成一种彼此类似但又不同于天然分子的结构，具有与天然蛋白不同的新的物理状态—“熔球态”。 熔球态是蛋白质折叠过程的中间态，与天然分子比较，虽然被动性增加，不存在特定的牢固安排的侧链基团，但其结构仍是紧密的，并且具有显著的分子柔性，二级结构含量很高。 对大多数小分子量蛋白质来说，变性的蛋白质在没有外力的情况下可以通过折叠达到天然状态。 体内蛋白质的折叠往往需要有其他辅助因子的参与，并伴随有ATP的水解。因此，Ellis 于1987年提出了蛋白质折叠的“辅助性组装学说”。这表明蛋白质的折叠不仅仅是一个热力学的过程，显然也受到动力学的控制。 “辅助性组装学说”认为，蛋白质多肽链的正确折叠和组装并非都能自发完成，在相当多的情况下是需要其他蛋白质分子的帮助，这类帮助蛋白包括分子伴侣（molecular chaperone）与折叠酶。新的观点在实质上并不和Anfinsen理论相矛盾，属于蛋白质折叠途径或折叠的识别和组装问题上的认识的完善 。 如果一级结构是肽链折叠形成功能蛋白质的特定三维结构的内因是第一要素；那么帮助蛋白质肽链正确折叠的外因是条件，外因要通过内因起作用；但如果没有适当的充分的条件，多肽链也不能折叠成为活性蛋白质。 蛋白质折叠的研究内容 蛋白质折叠的研究，狭义的定义就是研究蛋白质特定三维空间结构形成的规律、稳定性及与其生物活性的关系。 在概念上有热力学的问题和动力学的问题； 有在体外折叠和在细胞内折叠的问题；