顺便学习一点关于“蛋白质折叠”的专业知识吧

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大家计算时有没有想过学些相关的知识呢？
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[此贴子已经被作者于2004-3-27 23:23:19编辑过]

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人类基因组图片
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用Ortep-3制作的三维分子艺术图像，12幅，均非常漂亮，1024*768，用作桌面很棒。
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一些微生物学动画
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DNA三个不同构形动画
以三维形式，演示了DNA分子三个不同构形的立体构象。
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蛋白质折叠具有惊人灵活性

　　未完成的蛋白质就像并不实用的地图棗它们往往不会按照同一种方式折叠两次。然而美国科学家的一项研究表明：某些蛋白质可在十亿分之几秒内紧密地折叠起来，而其他蛋白质则要耗费数毫秒才能卷缩成首选结构。这些各不相同的速度表明每种蛋白质都用自身偏好的方式进行折叠棗这一观点与认为每种蛋白质自始至终都按照同一规则折叠的传统观点相悖。

　　蛋白质必须折叠成合适的形状才能正确地发挥功能。然而折叠成精确、紧密的结构是一个复杂而容易出错的过程，发生折叠错误的蛋白质则会被送到细胞的再循环“垃圾箱”中。发生折叠错误的蛋白质过多会使再循环机制无法应付，导致废弃蛋白质不断积累，在极端情况下可能造成神经退行性疾病（如阿尔茨海默氏症、帕金森氏症和疯牛病）。

　　由于蛋白质折叠得如此之快，所以对其进行研究很困难。于是，费城宾夕法尼亚大学的Feng Gai带领一个化学家研究小组想出了一种聪明的方法，来研究这种快如闪电的变化。他们创造出一些极简单的蛋白质，它们可折叠成最普通的螺旋形状。研究者对每个蛋白质上的少量氨基酸均用碳－13作了标记，将它们放入水浴并用激光照射整个系统。激光对蛋白质加热十亿分之三秒，使其打开折叠。然后研究小组在蛋白质重新折叠时用红外光谱观察碳－13和其他原子之间化学键的变化情况。他们记录下一段“延长了的”信号，表明蛋白质以不同的速度棗所以极有可能通过不同的途径棗进行折叠。

　　Gai表示，如果蛋白质具有许多不同的途径可达到同样的最终状态，那么它可能会通过打开并使其重试来挽救折叠错误的蛋白质。他说，由于存在着成功的可能性，所以下一次这些蛋白质可能采取一条不同的途径折叠成正确的形状。然而斯坦福大学的化学家Vijay Pande告诫说，还很难预计这些用小分子蛋白质得出的结果在那些对多数生物过程十分重要的大分子蛋白质上将如何继续实现。

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浅谈蛋白质折叠的有关问题

作者：贾小羽  

[摘要] 本文对蛋白质折叠这一古老的领域的最新发展，尤其是分子伴侣的机理作了一番探讨，对一些新观点和新的实验事实作了介绍，并对一些实验实事作了一些思考，并提出了一些自己的看法。同时预测了结构生物学及技术手段的发展趋势。
[关键字] 生物大分子 分子伴侣 蛋白质的折叠 识别 结合

    生物大分子的结构与功能的研究是了解分子水平的先象的基础。没有对生物大分子的结构与功能的认识，就没有分子生物学。正如没有DNA双螺旋结构的发现，就没有遗传传达传递的中心法则，也就没有今天的分子生物学。结构分子以由第一分子进入对复和物乃至多亚基，多分子复和体结构研究。同时，过去难以研究的分子水平上的生命运动情况也随着研究的深入和技术手段的发展而逐渐由难点变为热点。蛋白质晶体学研究已从生物大分子静态（时间统计）的结构分析开始进入动态（时间分辨）的结构分析及动力学分析。第十三届国际生物物理大会的25个专题讨论会中有一半以上涉及蛋白质的结构与功能，而“结构与功能”又强调“动力学（Dynamics）”，即动态的结构或结构的运动与蛋白质分子功能的关系，以及对大分子相互作用的贡献。
    蛋白质折叠问题被列为“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，在这一领域中，近年来的新发现对新生肽段能够自发进行折叠的传统概念做了根本的修正。这其中，X射线晶体衍射和各种波谱技术以及电子显微镜技术等发挥了极其重要的作用。第十三届国际生物物理大会上，Nobel奖获得者Ernst在报告中强调指出，NMR用于研究蛋白质的一个主要优点在于它能极为详细的研究蛋白质分子的动力学，即动态的结构或结构的运动与蛋白质分子功能的关系。目前的NMR技术已经能够在秒到皮秒的时间域上观察蛋白质结构的运动过程，其中包括主链和侧链的运动，以及在各种不同的温度和压力下蛋白质的折叠和去折叠过程。蛋白质大分子的结构分析也不仅仅只是解出某个具体的结构，而是更加关注结构的涨落和运动。例如，运输小分子的酶和蛋白质通常存在着两种构象，结合配体的和未结合配体的。一种构象内的结构涨落是构象转变所必需的前奏，因此需要把光谱学，波谱学和X 射线结构分析结合起来研究结构涨落的平衡，构象改变和改变过程中形成的多种中间态，又如，为了了解蛋白质是如何折叠的，就必须知道折叠时几个基本过程的时间尺度和机制，包括二级结构（螺旋和折叠）的形成，卷曲，长程相互作用以及未折叠肽段的全面崩溃。多种技术用于研究次过程，如快速核磁共振，快速光谱技术（荧光，远紫外和近紫外圆二色）。

一、新生肽段折叠研究中的新观点

    长期以来关于蛋白质折叠，形成了自组装（self-assembly）的主导学说，因此，在研究新生肽段的折叠时，就很自然的把在体外蛋白质折叠研究中得到的规律推广到体内，用变性蛋白的复性作为新生肽段折叠的模型，并认为细胞中新合成的多肽链，不需要别的分子的帮助，不需要额外能量的补充，就应该能够自发的折叠而形成它的功能状态。
    1988年，邹承鲁明确指出，新生肽段的折叠在合成早期业已开始，而不是合成完后才开始进行，随着肽段的延伸同时折叠，又不断进行构象的调整，先形成的结构会作用于后合成的肽段的折叠，而后合成的结构又会影响前面已形成的结构的调整。因此，在肽段延伸过程中形成的结构往往不一定是最终功能蛋白中的结构。这样，三维结构的形成是一个同时进行着的，协调的动态过程。九十年代一类具有新的生物功能的蛋白，分子伴侣（Molecular chaperone）的发现，以及在更广泛意义上说的帮助蛋白质折叠的辅助蛋白(Accessory protein) 的提出，说明细胞内新生肽段的折叠一般意义上说是需要帮助的，而不是自发进行的。

二、蛋白质分子的折叠和分子伴侣的作用

    蛋白质分子的三维结构，除了共价的肽键和二硫键，还靠大量极其复杂的弱次级键共同作用。因此新生肽段在一边合成一边折叠过程中有可能暂时形成在最终成熟蛋白中不存在不该有的结构，他们常常是一些疏水表面，它们之间很可能发生本不应该有的错误的相互作用而形成的非功能的分子，甚至造成分子的聚集和沉淀。按照自组装学说，每一步折叠都是正确的，充分的，必要的。实际上折叠过程是一个正确途径和错误途径相互竞争的过程，为了提高蛋白质生物合成的效率的，应该有帮助正确途径的竞争机制，分子伴侣就是这样通过进化应运而生的。它们的功能是识别新生肽段折叠过程中暂时暴露的错误结构的，与之结合，生成复和物，从而防止这些表面之间过早的相互作用，阻止不正确的非功能的折叠途径，抑制不可逆聚合物产生，这样必然促进折叠向正确方向进行。（从哲学的观点说，似乎很容易驳斥自组装学说，它违背了矛盾的普遍性原理，试想，如果蛋白质的每一步折叠均是正确的，充分的，必要的，岂不是在无任何矛盾的前提下，完成了复杂的最稳定构象的形成，即完成了由量变到质变的伟大飞跃，从无活性的肽链变成有活性的功能蛋白，这显然是违背哲学基本原理的。换一个角度想，生物进化的过程本来就充满着不定向的变异，这些变异中有适应环境的，也有不适应环境的，“物竞天择”，自然的选择淘汰了那些不适应的，保留了那些适应的。蛋白质分子的折叠不也与此类似吗？我想，蛋白质的一级结构只是肽链折叠并形成功能蛋白的特定三维结构的内因，实际上，多肽链在形成活性蛋白的每一步，都有潜在的可能形成“不正确”的折叠，如果没有象分子伴侣或其它帮助蛋白等外部因素的作用，多肽链也永远不能折叠成为活性蛋百。）

三，分子伴侣的作用机制

    分子伴侣的作用机制实际上就是它如何与靶蛋白识别，结合，又解离的机制。有的分子伴侣 具高度专一性，如一些分子内分子伴侣，还有细菌Pseudomonas cepacia的酯酶，有它自己的“私有分子伴侣”。它是由基因limA编码的，与酯酶的基因LipA只隔3个碱基，可能是进化过程中发生的基因分裂造成的。而一般的分子伴侣识别特异性不高，它是怎样识别需要它帮助的对象的呢？现在只能说分子伴侣识别非天然构象，而不去理会天然的构象。由于在天然分子中，疏水残基多半位于分子的内部而形成疏水核，去折叠后就可能暴露出来，或者在新生肽段的折叠过程中，会暂时形成在天然构象中本应该存在于分子内部的疏水表面，因此认为分子伴侣最有可能是与疏水表面相结合，如硫氰酸酶（Rhodanese）分子α-helix的疏水侧面。但是只有β-sheet结构的蛋白质才可为分子伴侣识别。
    最近关于识别机制有较大的进展。Bip是内质网管腔内的分子伴侣，用一种affinity panning的方法检查Bip与有随机序列的十二肽结合的特异性，结果发现，Hy-(W/X)-Hy-X-Hy-X-Hy motif与Bip j结合最强，Hy最多的是Trp、Leu、Phe，即较大的疏水残基。一般来说，2-4个疏水残基就足够进行结合。还有一种较普遍的说法是分子伴侣识别所谓熔球体结构（moltenglobule）。另一方面，分子伴侣本身与肽结合部位的结构分析最近也有些进展。譬如，PapD的晶体结构表明，多肽结合在它的 β-sheet区。GroEL中，约40kD的153-531结构域是核苷酸的结合区。
    分子伴侣作用的第二步是与靶蛋白形成复合物。非常盛行的一种模型认为分子伴侣常常以多聚`体形式而形成中心空洞的结构，用电子显微镜已经观察到由二圈层圆面包圈形组成的十四体GroEL分子和一个一层圆面包圈的七体GroES分子协同作用形成中空的非对称笼状结构（cage model），推测靶蛋白可以在与周围环境隔离的中间空腔内不受干扰的进一步折叠。但是不久前一个日本实验室发现GroEL的一个亚基，甚至其N端去除78个氨基酸残基的50kD片段，已经不能再组装成十四体结构，都有确定的分子伴侣功能。由此，我想:也许环状分子伴侣并非每个部位都是有效的结合部位，也就是说，该二层圆面包圈组成的十四体GroEL分子只有一个或若干个部位能够与疏水残基或所谓的熔球体结构结合，而其余部位起识别作用，就像一个探测器一样，整个十四体GroEL分子以圈层或笼状结构”包裹”在多肽链的主链上，以旋进方式再多肽链的链体上运动，一旦环状多聚体的某一识别部位发现疏水结构或所谓的熔球体结构等新生肽链折叠过程中暂时暴露的错误结构，经信号转导，多聚体的结合部位便与之结合，生成复合物，抑制不正确的折叠。以上完全是我个人的猜想，是基于上述两个试验现象的矛盾而试图作一番解释。至于为什么假设以旋进方式在多肽链上运动，我并没有相应的根据，只是觉得这应该是一个动态过程，因此作了一番狂妄的假想,另外，我觉得也许可以用X射线衍射来探测一下分子伴侣GroEL和GroES组成的笼状结构，看看它的a×b×c是否足以容纳多肽链的某一段，或者它的内部和外部的疏水性质和其他一些物化性质如何，也许可以找到支持或驳斥上述假设的证据。
    以上谈的都是蛋白质的分子伴侣。不久前又出现了一个新名词“DNA chaperones”，DNA分子伴侣，这种分子伴侣是与DNA相结合并帮助DNA折叠的。在这种复合物中，DNA分子包围在蛋白质分子的表面，既是高度有序的，又是在一定程度上结构已有所改变的。DNA与蛋白的这种相互作用对DNA的转录，复制以及重组都十分重要;或如在核小体中，对DNA的包装是必须的。DNA在溶液中的结构有相当的刚性，必须克服一个能障才能转变成它的蛋白复合物中的结构，分子伴侣的作用就是帮助DNA分子进行折叠和扭曲，从而把DNA稳定在一个适合于和蛋白结构的特定构型中。这种结合是协同的，可逆的在形成复合物之后便解离下来。因此，不论是DNA分子伴侣还是蛋白分子伴侣，都与DNA和蛋白的相互作用有关，与基因调控有关，看来，分子伴侣确实与最终阐明中心法则当前主要问题有密切关系。

四、分子伴侣和酶的区别

    与分子伴侣不同，以确定为帮助蛋白质折叠的酶目前只有两个，一个是蛋白质二硫键异构酶(protein disulfide isomerase，PDI); 另一个是肽基脯氨酸顺反异构酶(peptidyl prolyl cis-trans isomerase，PPI)。以PDI为例，众所周知，蛋白质分子中的二硫键与新生肽段的折叠密切相关，对维系蛋白质分子的结构稳定性和功能发挥也有重要作用。PDI定位在内质网管腔内，含量丰富，催化蛋白质分子内巯基与二硫键之间的交换反应。同时，它是目前发现的最为突出的多功能蛋白，除了二硫键的异构酶的基本功能外，它还是脯氨酸-4-羟化酶的α亚基;又是微粒体内甘油三酯转移蛋白复合物的小亚基，还是一种糖基化位点结合蛋白(gkycisylation site binding protein)等。其中，最引人注目的还是它有与多肽结合的能力，可以结合具有不同序列，长度和电荷分布的肽，特异性较低，主要是与肽的主链相作用，但对巯基尚有一些偏爱。按照分子伴侣的定义，一般认为PDI和分子伴侣是两类不同的帮助蛋白，但是我国上海生物物理研究所最近提出不同的看法，认为蛋白质二硫键异构酶也具有分子伴侣的功能。
    蛋白质分子中天然二硫键的形成要求这些在肽链上往往处于不相邻位置的巯基，首先通过肽链一定程度的折叠，才能相互接近到可以正确形成二硫键的位置。肽链的自身折叠是一个慢过程，而蛋白质二硫键异构酶催化蛋白质天然二硫键的形成却是一个快过程。另一方面，蛋白质二硫键异构酶具有低特异性的与各种不同肽链相结合的能力，在内质网中以极高的浓度存在，又是是一个钙结合蛋白，是一个能被磷酸化的蛋白，这些都已经符合了分子伴侣的条件。因此他们推测蛋白质二硫键异构酶很可能首先通过它与伸展的，或部分折叠的肽段的结合，阻止错误的折叠途径，促进正确的中间物生成，帮助肽链折叠是相应的巯基配对，从而是正确的二硫键得以形成;然后催化巯基的氧化或二硫键的异构而形成天然二硫键。他们认为蛋白质二硫键异构酶的酶活性与它的分子伴侣功能不是相互排斥，而是密切相关，协调统一的。分子伴侣与帮助新生肽链折叠的酶之间，大概不应该，也不能够划一条绝对的分界线。我想:酶的最主要特性就是催化生化反应，分子伴侣的主要作用是与新生肽段的错误构象结合，从而阻止肽链不正确的非功能的折叠途径，促使其向正确的折叠方向反应，这难道不可以理解成间接的催化肽链的折叠吗?从表观上看，抑制不正确的折叠途径等于加快了正确反应的速度。所以，我本人也很赞成他们的观点。最近的试验已经为这一假说提供了很好的证据。PDI明显抑制变性的甘油醛-3-磷酸脱氢酶在复性股过程中的严重聚合，有效的提高它的复性效率，与典型的分子伴侣GroE系统对甘油醛3-磷酸脱氢酶复性的效应极其相似。

五、分子伴侣的结构

    目前唯一解出晶体结构的分子伴侣是E.coli的PapD，帮助鞭毛蛋白折叠的分子伴侣。还有HSP70的N端结构域，即ATP结合域也以有晶体结构。用电子显微镜已经清楚的看到了GroEL的十四聚体和GroEL的七聚体的四级结构， 象两个圆形中空的面包圈叠在一起，用NMR以及各种溶液构象变化是研究分子伴侣作用机制的有效手段。

六、分子伴侣研究的实际应用

    分子伴侣的研究成果必然会大大加深我们对生命现象的认识，同时也一定会增加我们与自然斗争的能力和自身生存的能力。由于分子伴侣在生命活动的各个层次都具有重要作用，它的突变和损伤也必定会引起疾病，因此可以期望运用分子伴侣的知识来治疗所谓的”分子伴侣病”。另一方面，利用对分子伴侣的研究成果从根本上提高基因工程和蛋白工程的成功率，也必将对大幅度提高人类生活水平起重要作用。

　

[ 参 考 书 目]

1. 李宝健 主编，面向21世纪生命科学发展前沿， 广东科技出版社，1996年11月第一版：93-104页
2．郝柏林 刘寄星 主编，理论物理与生命科学，上海科学技术出版社，1997年12月第一版：29-58页
3．中国生物物理代表团，从第十三届国际生物物理大会看生物物理学研究的现状和趋势， 生物物理学报，1999年 第十五卷 第四期：826-827 页

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医学科学的六个新课题

中国工程院院士 巴德年

二、蛋白质折叠病

　　最近发现，即使蛋白质的一级结构正常，即氨基酸的排列次序没有错误，但蛋白质的二级结构、乃至立体结构异常也可导致疾病，这类疾病叫蛋白质折叠病，如"疯牛病"、老年痴呆、囊性纤维性变、家族性淀粉样变、家族性高胆固醇血症、白内障等。蛋白质折叠错误的研究更具理论和应用价值。它与基因表达有什么关系?生物体以什么机制控制蛋白质折叠?折叠错误的蛋白质在生物体内怎样被识别，怎样被处理，怎样才沉积下来形成疾病?有什么好办法控制蛋白质折叠或使已折叠错误的蛋白质恢复正常等等，这些都有待研究。

　　作为一个蛋白质的抗原决定簇，是该蛋白质立体折叠后所显现出来的一组氨基酸。对于自身的正常蛋白质，机体不发生免疫反应。可以推测，当蛋白质折叠错误时，其显现出来的抗原决定簇就有可能改变，从而在体内就有被免疫系统识别和反应的可能，这是我的推测，也是一个设想，也许蛋白质折叠病是临床免疫学的一个新领域。

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蛋白质的折叠：破译“第二遗传密码”（一）





　　中国科学院生物物理研究所生物大分子国家重点实验室 王志珍

　　导读

　　您知道蛋白质折叠吗？这是一个很新的词。新到什么程度？您可以上网到著名的不列颠百科全书网站检索一下proteinfolding（即蛋白质折叠），还没有相应的解释。

　　您知道“蛋白质折叠病”吗？疯牛病、老年性痴呆症、囊性纤维病变、家族性高胆固醇症、家族性淀粉样蛋白症、某些肿瘤、白内障等等都是“折叠病”。就是相关蛋白质的三维空间结构异常。这种三维空间结构异常是由于致病蛋白质分子通过分子间作用感染正常蛋白质而造成的。请注意，致病蛋白质分子与正常蛋白质分子的构成完全相同，只是空间结构不同。

　　您知道蛋白质折叠有多复杂吗？美国“科学美国人”曾经载文称，用当今最快的计算机模拟计算蛋白质折叠，要花一百年！而当今最快的计算机已经达到每秒几万亿甚至十几万亿次浮点运算的高速了。

　　对于生命奥秘的探索，将贯穿新世纪乃至新千年人类的历史。而蛋白质折叠，就是其中的一大课题。

　　请您认真阅读王志珍研究员的这篇文章。不要害怕肽键、肽链、分子伴侣这类专业名词，因为它们与您、您的健康息息相关。读完这篇文章，这些专业名词将成为您的朋友。

　　提要

　　研究蛋白质的折叠，是生命科学领域的前沿课题之一。蛋白质是一种生物大分子，基本上是由20种氨基酸以肽键连接成肽链。肽链在空间卷曲折叠成为特定的三维空间结构，包括二级结构和三级结构二个主要层次。有的蛋白质由多条肽链组成，每条肽链称为亚基，亚基之间又有特定的空间关系，称为蛋白质的四级结构。所以蛋白质分子有非常特定的复杂的空间结构。

　　通过“蛋白质结构预测”破译“第二遗传密码”，是蛋白质研究最后几个尚未揭示的奥秘之一。天津大学和中国科学院生物物理所的科学家已经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。我国科学家在分子伴侣和折叠酶方面有特色的研究成果，也已经赢得了国际同行的注意。

　　外界环境的变化可以导致蛋白质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（氨基酸序列），这称为蛋白质的变性。变性的蛋白质往往成为一条伸展的肽链，在一定的条件下可以重新折叠成原有的空间结构并恢复原有的活性。对蛋白质变性作用的认识是我国科学家吴宪在三十年代首先提出的。 蛋白质异常的三维空间结构可以引发疾病，疯牛病、老年性痴呆症、囊性纤维病变、家族性高胆固醇症、家族性淀粉样蛋白症、某些肿瘤、白内障等等都是“折叠病”。造成疯牛病的Prion病蛋白可以感染正常蛋白而在蛋白质之间传染。研究蛋白质的折叠问题不仅具有重大的科学意义，而且在医学和在生物工程领域具有极大的应用价值。


　　1分子生物学的中心法则

　　五十年代初运用X射线衍射技术解出了生命遗传物质脱氧核糖核酸（DNA）分子的三维空间结构，阐明了生物遗传的分子基础，揭示了这个最主要的生命活动的本质，从而开创了在分子水平上认识生命现象的新学科———分子生物学。分子生物学的出现是经典生物学转变成近代生物学的里程碑。 尽管自然界的生物物种千千万万，生命现象繁杂纷飞，在分子水平研究生命，使我们认识到各种生命现象的基本原理却是高度一致的！从最简单的单细胞生物到最高等的人类，它们最基本最重要的组成物质都是蛋白质和核酸。核酸是生物体遗传信息的携带者，所有生物体能世代相传，就是依靠核酸分子可以精确复制的性质。蛋白质则是生命活动的主要承担者。所有的生命活动，呼吸、运动、消化……甚至感知、思维和学习，无一例外是依靠蛋白质来完成的。 蛋白质是一种生物大分子，基本上是由20种氨基酸以肽键连接成肽链。肽键连接成肽链称为蛋白质的一级结构。不同蛋白质其肽链的长度不同，肽链中不同氨基酸的组成和排列顺序也各不相同。肽链在空间卷曲折叠成为特定的三维空间结构，包括二级结构和三级结构二个主要层次。有的蛋白质由多条肽链组成，每条肽链称为亚基，亚基之间又有特定的空间关系，称为蛋白质的四级结构。所以蛋白质分子有非常特定的复杂的空间结构。每一种蛋白质分子都有自己特有的氨基酸的组成和排列顺序，由这种氨基酸排列顺序决定它的特定的空间结构，这就是荣获诺贝尔奖的著名的Anfinsen原理。蛋白质分子只有处于它自己特定的三维空间结构情况下，才能获得它特定的生物活性；三维空间结构稍有破坏，就很可能会导致蛋白质生物活性的降低甚至丧失。

　　二十世纪生物学领域最重要的成就之一，是继DNA双螺旋结构的发现总结出分子生物学的中心法则，揭示生命遗传信息传递的方向和途径。近半个世纪以来对阐明中心法则有关问题有杰出贡献而获得诺贝尔奖的学者先后多达34位。分子生物学的中心法则简单表达如下：

　　分子生物学的中心法则中，DNA和核糖核酸（RNA）的复制、DNA转录成RNA、RNA逆转录成DNA以及以信使RNA为模板翻译成多肽链的过程和机制基本上已经阐明。但从多肽链折叠成蛋白质的过程，即所谓“新生肽的折叠”问题，是中心法则至今留下的空白，又是从“遗传信息”到“生物功能”的关键环节，有待我们在21世纪去解决。

　　2蛋白质折叠与“折叠病”

　　人们对由于基因突变造成蛋白质分子中仅仅一个氨基酸残基的变化就引起疾病的情况已有所了解，即所谓“分子病”，如地中海镰刀状红血球贫血症就是因为血红蛋白分子中第六位的谷氨酸突变成了颉氨酸。现在则发现蛋白质分子的氨基酸序列没有改变，只是其结构或者说构象有所改变也能引起疾病，那就是所谓“构象病”，或称“折叠病”。

　　大家都知道的疯牛病，它是由一种称为Prion的蛋白质的感染引起的，这种蛋白质也可以感染人而引起神经系统疾病。在正常机体中，Prion是正常神经活动所需要的蛋白质，而致病Prion与正常Prion的一级结构完全相同，只是空间结构不同。这一疾病的研究涉及到许多生物学的基本问题。一级结构完全相同的蛋白质为什么会有不同的空间结构，这与Anfinsen原理是否矛盾？显然这里有蛋白质的能量和稳定性问题。

　　从来认为蛋白结构的变化来自于序列的变化，而序列的变化来自于基因的变化，生命信息从核酸传递到蛋白。而致病Prion的信息已被诺贝尔奖获得者普鲁辛纳证明不是来自基因的变化，致病蛋白Prion导致正常蛋白Prion转变为致病的折叠状态是通过蛋白分子间的作用而感染！这种相互作用的本质和机制是什么？仅仅改变了折叠状态的分子又如何导致严重的疾病？这些问题都不能用传统的概念给予满意的解释，因此在科学界引起激烈的争论，有关研究的强度和竞争性也随之大大增强。

　　由于蛋白质折叠异常而造成分子聚集甚至沉淀或不能正常转运到位所引起的疾病还有老年性痴呆症、囊性纤维病变、家族性高胆固醇症、家族性淀粉样蛋白症、某些肿瘤、白内障等等。由于分子伴侣在蛋白质折叠中至关重要的作用，分子伴侣本身的突变显然会引起蛋白质折叠异常而引起折叠病。随着蛋白质折叠研究的深入，人们会发现更多疾病的真正病因和更针对性的治疗方法，设计更有效的药物。现在发现有些小分子可以穿越细胞作为配体与突变蛋白结合，从而使原已失去作战能力的突变蛋白逃逸“蛋白质质量控制系统”而“带伤作战”。这种小分子被称为“药物分子伴侣”，有希望成为治疗“折叠病”的新药。 新生肽的折叠问题或蛋白质折叠问题不仅具有重大的科学意义，除了上面提到的在医学上的应用价值外，在生物工程上具有极大的应用价值。基因工程和蛋白工程已经逐渐发展成为产值以数十亿美元计的大产业，进入21世纪后，还将会有更大的发展。但是当前经常遇到的困难，是在简单的微生物细胞内引入异体DNA后所合成的多肽链往往不能正确折叠成为有生物活性的蛋白质而形成不溶解的包含体或被降解。这一“瓶颈”问题的彻底解决有待于对新生肽链折叠更多的认识。（待续）
　 新华网 　

碧城仙

蛋白质的折叠：破译“第二遗传密码”（二）





　　3蛋白质折叠和“第二遗传密码”

　　蛋白质折叠的研究，比较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、稳定性和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；蛋白质在体外折叠和在细胞内折叠的问题；有理论研究和实验研究的问题。这里最根本的科学问题就是多肽链的一级结构到底如何决定它的空间结构？既然前者决定后者，一级结构和空间结构之间肯定存在某种确定的关系，这是否也像核苷酸通过“三联密码”决定氨基酸顺序那样有一套密码呢？有人把这设想的一级结构决定空间结构的密码叫作“第二遗传密码”。

　　如果说“三联密码”已被破译而实际上已成为明码，那么破译“第二遗传密码”正是“蛋白质结构预测”从理论上最直接地去解决蛋白质的折叠问题，这是蛋白质研究最后几个尚未揭示的奥秘之一。“蛋白质结构预测”属于理论方面的热力学问题。就是根据测得的蛋白质的一级序列预测由Anfinsen原理决定的特定的空间结构。蛋白质氨基酸序列，特别是编码蛋白质的核苷酸序列的测定现在几乎已经成为常规技术，从互补DNA（cDNA）序列可以根据“三联密码”推定氨基酸序列，这些在上一世纪获得重大突破的分子生物学技术，大大加速了蛋白质一级结构的测定。目前蛋白质数据库中已经存有大约17万个蛋白的一级结构，但是测定了空间结构的蛋白大约只有1．2万个，这中间有许多是很相似的同源蛋白，而真正不同的蛋白只有1000多个。随着人类基因组计划的胜利完成，解读了人类DNA的全序列，蛋白质一级结构的数据增长必定会出现爆炸的态势，而空间结构测定的速度远远滞后，因此二者之间还会形成更大的距离，这就更需要进行蛋白质结构的预测。

　　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。目前结构预测的方法大致可分为两大类。一类是假设蛋白质分子天然构象处于热力学最稳定，能量最低状态，考虑蛋白质分子中所有原子间的相互作用以及蛋白质分子与溶剂之间的相互作用，采用分子力学的能量极小化方法，计算出蛋白质分子的天然空间结构。第二类方法是找出数据库中已有的蛋白质的空间结构与其一级序列之间的联系总结出一定的规律，逐级从一级序列预测二级结构，再建立可能的三维模型，根据总结出的空间结构与其一级序列之间的规律，排除不合理的模型，再根据能量最低原理得到修正的结构。这也就是所谓“基于知识的预测方法”。但是，第一类方法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”。 另一方面，和以往只能利用存入蛋白质数据库的数据进行预测相比，人类DNA的全序列的测定给予蛋白质结构预测更自然的、信息量更大得多的数据库，因此可用基于同源性的重复循环技术非常可靠地灵敏地进行结构预测。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，这和早期的理论估计是一致的。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。

　　蛋白质折叠第二个根本的科学问题是具有完整一级结构的多肽链又是如何折叠成为它特定的高级结构？这是一个折叠的动力学的问题，长期以来，主要用体外的实验方法研究，虽然已有四五十年，但至今尚未解决。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Anfinsen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。

　　现在知道，绝大多数蛋白质从一条伸展的肽链，折叠成有其特定结构的、有活性的蛋白质，并不是一步完成的，而要经过许多折叠的中间状态。含有多个亚基的蛋白质分子，亚基间的相互作用使之组装成复杂蛋白分子。研究人员用实验方法，特别是近年来发展的快速测定方法去追踪蛋白质重折叠的全过程，尽可能捕捉折叠过程中的每一个中间状态。不同阶段的折叠速度不同，有的比较慢，比较容易发现和捕捉；但有的非常快，必须要有特殊的设备配合各种测试技术去进行研究。最近有人尝试大幅度降低温度使折叠速度减慢而得以追踪。最终，人们要定量地描述整个折叠的动态过程，拍出一部蛋白质折叠的电影来，但这必然要经过一个长时间的艰苦的工作。 4细胞内的蛋白质折叠

　　尽管多年来体外蛋白质折叠研究为揭示蛋白质折叠的本质提供了大量信息，但细胞内蛋白质的生物合成，一个广义的蛋白质折叠问题，是一个比试管内蛋白质折叠复杂得多的多的过程。蛋白质的多肽链都是在细胞内的一种由多种蛋白质和核糖核酸所组成的被称为核糖体的复合物上，以信使核糖核酸为模板，从氨基末端开始，按照三联密码，一个氨基酸一个氨基酸加上去而合成出来的。现在比较一致的看法认为，这种新合成出来的多肽链（称为新生肽）在合成过程中长度不断增加，并在延伸的同时也在进行着折叠，而不是在合成完成脱离核糖体后再自发折叠成为蛋白质。所以上面介绍的在体外用变性伸展肽链的重折叠研究蛋白质折叠的模型看来并不是研究细胞内蛋白质折叠的理想模型。由于每个信使核糖核酸可以同时携带多个核糖体，而每个核糖体上的多肽链的延伸程度又是不同的，所以核糖体上的多肽链的合成同步化是目前研究新生肽折叠的关键问题，但一直没有解决。

　　我们实验室暂时绕过这个障碍，制备一系列从氨基末端开始具有不同长度的肽段，比较研究它们的构象作为模型，对新生肽在合成延伸的同时也在进行着折叠的观点已经提供了大量信息。从核糖体上合成出来的肽链还需经过与翻译同时进行的和翻译完成后的化学加工，如形成二硫键，完成糖基化作用、羟基化作用、磷酸化作用等化学修饰。化学修饰往往与肽链的折叠密切相关，没有化学修饰的肽链往往不能完成正确折叠。

　　新生肽还要被运送到细胞的特定部位，“各就各位”才能发挥它特定的生物功能：例如进入细胞核中的核蛋白与DNA组成染色体；进入线粒体的蛋白参与能量代谢；组成膜的蛋白以及分泌到细胞外的蛋白必须进入内质网，先进行加工再继续转运等等。这些转运都有一个穿越膜结构，甚至是多次越膜的过程。有完整空间结构的蛋白分子是不能越膜的，因此在转运过程中折叠过多的分子必须解开折叠后才能越膜。此外，多亚基蛋白必须进行组装。有些蛋白质，如一些酶和激素，以前体形式合成后还要经过水解除去某一段序列后才能成熟为有活性的分子。所有这些都包含在新生肽成熟为功能蛋白的全过程中，每一步都涉及新生肽链的构象变化、折叠和调整。 在试管中做蛋白质折叠实验的条件往往人为简化或不得不简化，与新生肽在细胞内折叠的条件有质的或量的差别。所有的细胞中都存在着大量的蛋白质、核酸、多糖等各种生物大分子，它们大约占用细胞容积的20－30％，总浓度高达每升80－200克，因此任何一种大分子都处于一个充满其他大分子的“拥挤”环境中，使得任何一个大分子的实际可及空间大大减少，这种情况对所有大分子之间的反应在热力学和动力学上都有很大的影响。最近，有人呼吁，在体外研究蛋白质折叠必须考虑模拟细胞内的“拥挤”环境。我们实验室在这方面的研究已经得到国际同行的注意。此外，某一种蛋白在某一时刻在细胞内的局部浓度可以非常高，这样高浓度的蛋白质在试管中必然发生聚集而不可能完成折叠。所以，在体外进行的实验，为了提高蛋白折叠效率，并且有利于进行分析，实验所用的蛋白浓度总是很低的；温度也常在37摄氏度以下，有时低到10摄氏度以下，以减缓反应速度。溶液成分也尽量简单，便于分析。 5分子伴侣蛋白和折叠酶

　　最近15年来，由于发现一些蛋白质的折叠必须在另一些蛋白质存在时才能正确完成的现象，对蛋白质折叠的概念产生了革命性的全新认识，“自发折叠”的经典概念发生了转变和更新，这是蛋白质折叠研究中的大事。现在认为新生肽在细胞内的折叠和成熟在多数情况下是不能自发完成的，而是需要别的蛋白质帮助的。这个新概念并不与Anfinsen原理相矛盾，而是在动力学的观点上完善了Anfinsen学说。一个在热力学上可以成立的反应由于动力学的能障等问题在实际上未必可以完成，但在别的蛋白质帮助下可以克服能障而得以进行。

　　目前已认识到的在细胞内帮助新生肽链折叠的蛋白有二类：一类称为分子伴侣蛋白，另一类是催化与折叠直接有关的化学反应的酶，又称折叠酶。分子伴侣显然是一种具有新功能的蛋白，近年来已经鉴定到越来越多新的分子伴侣蛋白或已知蛋白的新的分子伴侣活性。它们的精细三维结构、结构与功能的关系、它们帮助生物大分子折叠的机制都在活跃的研究之中；特别是有些蛋白的分子伴侣活性和在同一分子上的其他生物活性之间的关系以及在生命活动中的协作和调控更引起人们的兴趣。现在发现，不仅蛋白质的折叠需要分子伴侣的帮助，DNA分子和RNA分子的折叠也往往需要分子伴侣的帮助，因为功能DNA和RNA分子，特别是它们与蛋白质形成的复合物都要有一定的构象。DNA和RNA分子本身具有较大的刚性，不容易折叠或在折叠过程中容易发生折叠错误，因此需要DNA分子伴侣或RNA分子伴侣帮助它们折叠而形成特定的构象。另一方面，不仅蛋白质，现在发现有一些核酸和磷脂也能发挥分子伴侣的作用；更有趣的是最近发现核糖体也有分子伴侣活性。有些生物大分子在成熟过程中需要一系列的分子伴侣在不同的阶段给予帮助才能完成最终的折叠。另外，有一些小分子物质对某些蛋白质在体外的折叠有帮助作用，被称之为“化学分子伴侣”。我国科学家在分子伴侣和折叠酶方面的有特色的研究成果已经赢得了国际同行的注意。

　　新生肽在细胞中折叠和成熟的过程由于转录或翻译出现了错误，或受到各种环境刺激而损伤，并非能百分之百地完成。为提高蛋白质生物合成的效率，处理掉不能继续正确折叠的或错误折叠的“次品”或“废品”，防止这些“垃圾”的堆积而危害正常生命活动，生命的进化使细胞获得了一种“蛋白质质量控制系统”。这种系统是由分子伴侣和靠消耗三磷酸腺苷的能量而发挥作用的特定的蛋白水解酶组成。分子伴侣帮助新生肽正确折叠；而特定的蛋白水解酶把不能继续正确折叠的或错误折叠的“垃圾”水解成小分子。这里的科学问题是质量控制系统到底如何进行质量控制？有人借用了医院里诊断病人应该送到哪种病房作什么治疗的机制（triage）来描述细胞的蛋白质质量控制体系的作用机理。关键是如何“诊断”和区分什么样的新生肽“病人”可以送到分子伴侣“病房”进行治疗和拯救，而什么样的新生肽“病人”已“无可救药”，只能送给蛋白水解酶去处理。细胞内新生肽“病人”的命运主要是由分子伴侣处理“病人”的能力和速度在动力学上来决定的。尚未治好的新生肽“病人”可能获得再治疗的机会，但也可能不幸送到蛋白水解酶那里去了；还有一种可能性就是形成聚集，聚集体是抗水解的。如果形成有规则的聚集体，即所谓“淀粉样纤维”。一些神经系统退化疾病，如老年性痴呆症、帕金森氏病、亨廷顿氏病就是由此造成的。

　　在21世纪，人类在解决了新生肽折叠的问题，解决了基因调控的问题后，应该就可以说全面地最终地阐明了分子生物学的中心法则，那时人类对自身的认识又将有一个新的飞跃。

作者简介

王志珍，女，中国科学院生物物理研究所生物大分子国家重点实验室研究员、博士生导师。曾在胰岛素和胰岛素受体的结构与功能关系以及胰岛素作用机制方面做过研究。近年来主要从事蛋白质折叠、折叠酶和分子伴侣方面的研究。曾获国家自然科学二等奖，中国科学院自然科学一等奖、二等奖等，获“国家有突出贡献的中青年专家”称号。
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碧城仙

科学家研究蛋白质作用的原理



　　新华网北京９月１９日电　在成功破译人类基因组密码之后，科学家们又开始对人体细胞蛋白质的分析研究。

　　德国科学家估计,人类的每个基因中都含有将近１０种不同的蛋白质，而且这些蛋白质的形式和功能都各不相同。慕尼黑技术大学的安格莉卡·格尔格教授１７日在慕尼黑举行的一次蛋白质学年会上指出，一个基因控制一种蛋白质的假设早已站不住脚，每个基因操纵的蛋白质数量众多，而且形式各异，现在摆在科学家面前的任务就是要研究基因与蛋白质之间的相互作用与关系。

　　科学家们强调，蛋白质学研究在治疗例如癌症等疾病起着一个重要的作用。（完）

　　 新华网 　　

碧城仙

蛋白质折叠的多样化

2003-3-20
蛋白质似乎各有个的折叠方式。一篇发表在最新一期美国《国家科学院院刊》(PNAS)上的新研究揭示了只有几纳米长的单个蛋白质是如何折叠、呈现出最终形状的。研究证明即使是最终形状一样的蛋白质也是通过不同的路线折叠出来的。

蛋白质是所有生活细胞的功能组件。它们开始是形状随机的氨基酸链，之后扭曲折叠成明确的三维结构，这个结构决定了它们的功能。当蛋白质折叠过程出错时，就会导致包括癌症在内的多种疾病产生。

几十年来，科学家一直在思索蛋白质是如何折叠的。他们一直认为这个问题的答案只有通过观察个体蛋白的折叠过程才能获得。但由于蛋白质形状极小，又处于不断变化之中，因而观察蛋白质折叠面临着严峻的挑战。

现在，由Weizmann研究所化学物理部的Gilad Haran博士领导的研究小组用他们实验室开发出的一项新技术首次观察到蛋白质折叠的动态过程。蛋白质分阶段慎重地折叠。它们根据折叠早期阶段做出的决定、周围环境以及它们它们自身的条件，在折叠过程中临时做出各个决定。这个结果证实了近10年来理论科学家的怀疑：蛋白质分子折叠成同一形状的路线是各不相同的，折叠过程中形成无数中间形状。而更早期，盛行的理论则是通向每一形状的道路只有一条。

过去，科学家曾试图固定蛋白折叠的过程，从而慢慢研究静态的每一步折叠，但这往往会改变蛋白质的性质。而Weizmann研究小组的这个新技术使得观察蛋白质折叠的动态过程成为可能，可以称得上是独一无二的“蛋白质探险”。科学家们的解决方案是将蛋白“诱骗”到小泡中，蛋白质在小泡中可以自由移动，完全没有意识到科学家划定的界限。这些小泡是由脂质构成的（也是形成生活细胞膜的物质），约100纳米宽。因此这些小泡比蛋白质大得多，但又足够窄，能够被聚焦的激光束完全照射到（激光束约为300纳米宽）。小泡被附着到干净的玻璃表面，里面的内容可以长时间观察到。

来源：生物通

alen

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