蛋白质折叠与折叠病幻灯片.ppt

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* 美国国立卫生研究院病毒和神经研究室主任,因发现神经性传染性疾病的新病因和传播新机制而获得1976年诺贝尔医学/生理学奖。 加德赛克在新几内亚岛发现了一种奇怪的疾病 ,当地的土著人称之为“kuru”。由于找不到病因,被当地人称为“终极巫术”。 Kuru在当地的含义是颤抖,因某种未知的寒冷或恐惧而颤抖。一旦Kuru的颤抖开始,就不可逆转,诅咒会越来越烈,直至死亡为止。Kuru的诅咒非常残酷:先是不可抑制的颤抖,然后丧失行走能力及无法言语,接着瘫痪。但中了巫术的人至死心智都很清醒,不会陷入昏睡状态,因此格外痛苦。 * 现有的遗传密码仅有从核酸序列到无结构的多肽链的信息传递,因此是不完整的,后一部分,即遗传信息传递密码的第二部分(简称第二遗传密码),是遗传信息从蛋白质中氨基酸序列到其空间结构之间的传递。 * 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,有的学者基于有些相似氨基酸序列的蛋白质具有不同的折叠结构,而另外一些不同氨基酸序列的蛋白质在结构上却惊人的相似,提出了mRNA的二级结构可能作为一种遗传密码从而影响蛋白质结构的假说,但目前为止,该假说还没有任何实验证据,只有一些纯数学论证。 那么,蛋白质的氨基酸序列究竟是如何确定其空间构象的呢?围绕这一问题科研人员已经进行了大量出色的工作,但迄今为止我们对蛋白质的折叠机制的认识仍然是不完整的,甚至有些方面还存在着错误的观点。 * 自从20世纪60年代,Anfinsen基于还原变性的牛胰RNase在不需其他任何物质帮助下,仅通过去除变性剂和还原剂就使其恢复天然结构的实验结果,提出了“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需的全部信息”的“自组装学说”以来,随着对蛋白质折叠研究的广泛开展,人们对蛋白质折叠理论有了进一步的补充和扩展。Anfinsen的“自组装热力学假说”得到了许多体外实验的证明,的确有许多蛋白在体外可进行可逆的变性和复性,尤其是一些小分子量的蛋白,但是并非所有的蛋白都如此。而且由于特殊的环境因素,体内蛋白质的折叠远非如此。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。 * Anfinsen 原理从根本上说是一个热力学原理, 其基本论点是“由氨基酸序列所确定的一种空间结构是在一定条件下从热力学角度看来最稳定的结构”. 这里应该指出两点. 首先是这一最稳定的结构是在一定条件下的最稳定的结构, 在其他条件下并不一定是最稳定的结构. 其次热力学上最稳定的结构并不一定是在动力学上最容易达到的结构. 图1 是一个说明这一原理的示意图. A 和B都是热力学上的稳定结构, 两者由一个较高的能障所隔开. 单纯从能量角度看来A 比B更为稳定, 但是从B 转化为A 需要克服一个较高的能障, 因此从动力学角度看来B 比A 更容易达到. 在变性蛋白(U)重新折叠时,更容易形成的是构象B 而不是更为稳定的A. 新生肽链在体内折叠时也有类似情况. 正因为动力学上最容易达到的状态不一定是热力学上最稳定的状态, 因此达到稳定状态的过程常常是不能自发完成的, 而需要其他分子即所谓分子伴侣的帮助. * 由于蛋白质分子结构本身的极端复杂性决定了结构预测不可能一蹴而就。会遇到在数学上难以解决的多重极小值问题,而逐级预测又受到二级结构预测精度的限制。因此必须解决这些困难,或者发展新的方法,将基于知识的预测方法与计算化学以及统计物理学结合起来,才有希望能破译“第二遗传密码”。 已经有人根据基因组的数据用统计方法重新估计了蛋白质折叠类型数目大约为1000种,显然,人类基因全序列的揭示必然为蛋白质结构预测、蛋白质相互作用的预测以及单核苷酸多态性的分子表型预测开辟前所未有的广阔天地。天津大学和中国科学院生物物理所的科学家已经活跃在蛋白质结构预测领域,并做出了优秀的研究成果。他们预测,蛋白质的种类虽然成千上万,但它们的折叠类型却只有有限的650种左右。 * 我们知道,多数蛋白质在体外是不稳定的,外界环境的变化,如温度、酸度等,都可以导致其空间结构的破坏和生物活性的丧失,但却并不破坏它的一级结构,这称为蛋白质的变性。对蛋白质变性作用的认识是我国科学家吴宪在三十年代基于他在国内的工作首先提出来的,长期以来已经为国际上广泛接受。变性的蛋白质往往成为一条伸展的肽链,由于一级结构仍然完整,根据Anfinsen原理它应该可以在一定的条件下重新折叠成原有的空间结构并恢复原有的活性。这就是长时间来在体外研究蛋白质折叠的基本模型。 我们知道,多数蛋白质在体外是不稳定的,外界环境的变化,如温度、酸度等,都可以导致其空间结

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