蛋白质折叠与聚集.pdfVIP

蛋白質摺疊與聚集 文/張家靖 關鍵字： 似一階態轉變模型 (First-order-like state transition model) 、蛋白質摺疊(protein folding) 、熵驅動力(entropically force) 、直接摺 疊路徑(Direct folding path, off-path) 、過臨界點摺疊路徑(over-critical reaction path, on-path) 、擴散限制性聚集反應(diffusion limited aggregation) 。 摘要 蛋白質為由多種胺基酸，依不同比例聚合而形成特殊構型之鍊狀聚合物。蛋白質構型的變化與其功能之改 變有著密切的影響。蛋白質是如何由一無特定構型鬆散之鍊狀物摺疊至緊緻且具特殊構型之過程，與其間分子 內結構變化及分子間交互作用，則是我們所亟欲了解之課題。我們發現蛋白質整體摺疊反應與似一階態轉變模 型有著極高的吻合性。此外我們亦發現蛋白質在直接摺疊路徑中會發生聚集沉澱之現象，藉由實驗與模擬研究 發現，這類聚集沉澱過程與分子擴散限制性聚集反應有關。此一發現對研究蛋白質摺疊動力學有著重要的影響。 蛋白質：介觀(mesoscopic)系統： I. 蛋白質摺疊反應研究： 蛋白質為一富含大量胺基酸，由數百個至數千個 1. 蛋白質透過階段性溶液置換準靜過程(quasi-static 原子所組成的複雜生物巨分子。因此透過微觀的全原 process)逐步改變溶液環境而摺疊至自然態： 子解析方式將很難完整的分析將此系統瞭解。然而此 一分子並非一巨觀系統，所以蛋白質可以視為一個介 一般的摺疊研究，認為蛋白質的摺疊反應可能因 蛋白質種類之不同而有所差異。因此蛋白質的摺疊反 觀(mesoscopic)的系統[1]。然而蛋白質由未摺疊態到其 應是否能歸納出一個一體適用之反應機制，則是一極 自然態的構型轉變和統計力學中的一階相轉變模型有 具挑戰性之工作。為此我們挑戰前人既有之觀念，藉 其相似之處，似可運用統計力學之法則來觀察與分析 由研究蛋白質(尤其是擁有雙硫鍵之蛋白質)摺疊過程 此一介觀(mesoscopic)的系統，但是其中仍有部份差 中之構型與能量動態變化，嘗試歸納出蛋白質摺疊反 異。在統計熱力學中所謂之相的轉變，係在描述系統 應之普適機制[4] 。幸運地，在實驗過程中我們發現大 中各原子(分子)間之交互作用狀態，此一狀態會因應 部分的蛋白質可以透過階段性溶液置換準靜過程 環境狀態之改變而改變。同樣的蛋白質亦依遵循著類 似作用法則，但其交互作用變化發生在分子之內，使 (quasi-static process) ，逐步改變溶液環境而摺疊至其自 然態[3, 5~8] 。其詳細的原理與機制詳述如下。 其分子之結構(構型) 由未摺疊態(unfolding state)轉變 到一個被認為構形能量最低的摺疊狀態( 自然態, 依據前人之研究指出，蛋白質的結構會受到下列 native state) 。因此我們叫這種分子構型改變為態的轉 環境因素之影響，包括化學溶液[9] 、溫度[10] 、pH 值 變(state transition) [2,3] 。可是由於蛋白質的系統非常 [11] 、離子強度[12] 、電介值[13]及壓力[14]等。亦即 複雜，所以僅由單一的實驗研究方法，不