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中国科学: 生命科学 2014 年 第44 卷 第5 期: 433 ~ 449 SCIENTIA SINICA Vitae SCIENCE CHINA PRESS 评 述 蛋白质折叠、动力学以及蛋白质-配体结合的 物理化学基础 ①③† ②③† ③④ ③④⑤* 李慧敏 , 谢月辉 , 刘次全 , 柳树群 ① 云南民族大学数学与计算机科学学院, 昆明 650500; ② 昆明医学院计算机教研室, 昆明 650031; ③ 云南大学生物资源保护与利用重点实验室, 教育部微生物资源重点实验室, 昆明 650091; ④ 中国科学院西南生物多样性实验室, 昆明 650223; ⑤ 云南省高校动物遗传多样性与进化重点实验室, 昆明 650091 † 同等贡献 * 联系人, E-mail: shuqunliu@ 收稿日期: 2013-08-18; 接受日期: 2013-09-17; 网络版发表日期: 2014-04-24 国家自然科学基金(批准号:、国家重点基础研究发展计划(批准号: 2013CB127500)、云南省创 新团队项目(批准号: 2011CI123)和云南大学骨干教师培养计划(批准号: XT412003)资助 摘要 蛋白质是生物体的重要组成部分并参与细胞内几乎所有的生物学过程. 随着越来越 关键词 多物种基因组序列的测定, 准确理解基因产物的功能并探索蛋白质功能多样性的原因, 已经 自由能图谱 熵-焓 成为当前的研究热点. 为了研究蛋白质的功能, 已有大量蛋白质的静态三维结构被测定. 但 非互补性 是, 蛋白功能最终受其动力学行为所控制, 这包括折叠过程、构象波动、分子运动以及蛋白质 粗糙性 -配体相互作用等. 基于自由能图谱理论, 本文深入讨论了蛋白质动力学的底层物理化学机制, 驱动力 并回答了以下问题: 蛋白质为什么能够折叠、以及如何折叠成其天然三维结构? 为什么蛋白 热力学 质的动力学特征是固有的? 其动力学行为如何控制蛋白质的功能? 讨论结果将有助于后基因 能力学 组时代生命科学研究中蛋白质结构-功能关系的理解. 蛋白质是由一条或多条氨基酸链组成的生物大 列包含了决定其三维结构的所有信息, 且蛋白质的 分子. 它们在生物体内执行各种各样的功能并参与 结构决定蛋白质的功能[1~3]. 高分辨率X-射线晶体衍 几乎所有的生物学过程, 包括催化反应、免疫应答、 射方法是结构生物学的重要研究手段, 该方法通过 DNA 复制、信号转导、分子转运、细胞黏附、细胞 测定大量的蛋白质结构, 极大促进了蛋白质结构-功 周期、基因表达调控、以及在肌肉组织和细胞骨架中 能关系研究[4]. 然而, 蛋白质本质上是一种“柔软的” 所行使的结构或力学功能. 因此, 研究、了解蛋白质 动态物质, 因此, 依靠静态的 X-射线晶体衍射结构 的功能, 对理解生物学过程以及生命的本质至关重要. 还无法全面解释、了解其功能. 物理学家认为蛋白质 结构生物学的中心法则是: 蛋白质的氨基酸序