【生化】蛋白质折叠原理:蛋白质结构的形成方式

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蛋白质折叠原理:

蛋白质结构的形成方式

每种蛋白质都是独特的氨基酸序列,其中大多数折叠成独特的构象。构象是蛋白质的原生结构,对生物活性至关重要。我们人类含有超过50,000种不同类型的蛋白质。

蛋白质通过蛋白质折叠获得其生物活性结构。第一个蛋白质折叠实验(Anfinsen的实验)是在一种叫做核糖核酶A(RNase A)的蛋白质上进行的,这种蛋白质是一种降解RNA的124-氨基酸酶。RNase A 由 4 种双硫键(S-S) 在其活跃状态下共同持有。当把尿素和甲醇(mercaptoethanol)溶液加入含有酶的溶液,双硫键被还原成cysteines,改变了酶的结构,从而使RNase A失去了其功能:由于脱硫键的交叉链接丢失,它展开到催化非活动状态。相反,当减少试剂被去除时,脱硫交叉链路正确重新链接,酶回到其催化活性原生状态。

然而,体外折叠与体内的过程大不相同。蛋白质体外研究表明,折叠状态和展开状态之间有很好的平衡。这是因为稍微稳定的蛋白质是执行生物功能所需的动态分子,例如控制自身和其他蛋白质的可用性、细胞事件的精确时间(如信号、传输)。在某些情况下,它们必须能够降级并易于创建,以保持快速的周转率。有些酶需要结构灵活性。天然蛋白质折叠的发生是由于疏水作用:蛋白质通过掩埋其疏水残留物而折叠。疏水效应(水的自联倾向和排除非极性分子)有助于埋葬非极性residues,例如Ala、Val、Leu等。从水中形成蛋白质中的"疏水核心"。因此,带电和极侧链留在蛋白质表面并与水相互作用。因此,疏水核心稳定折叠的酸盐。

此外,天然蛋白质折叠不太可能是随机的结果,而是必须需要步骤。沿着折叠通路(从展开状态到折叠状态的过渡),蛋白质可以采用中间体来帮助折叠过程。中间体的结构可能有所不同:它们可以是土生土长的或"熔融的球状"-- 有一些二级结构,但几乎没有形成良好的第三级结构。中间体很难进行实验性研究,因为它们通常存在时间很短,数量也很少。因此,由于缺乏直接观察,几乎没有发现折叠过程模式的证据。所以在描述折叠过程时,有三种经典机制被提出,即框架模型、疏水崩溃模型和核凝结机制 (framework model, hydrophobic collapse model and nucleation-condensation mechanism)。

框架模型指出,折叠构象的形成首先源于二次结构元素的形成,然后是将这些类型的次要结构组装到原生状态。

疏水崩溃模型反而考虑了疏水的影响。是疏水力促使初级结构的疏水性崩溃形成中间体。然后,二次结构的生长产生最终的折叠构象。

核凝结机制与上述理论有着不同的角度。该机制不使用典型的核(core),这是在地面状态(ground state)下存在的结构构件,但它使用扩散,扩展区域(diffuse, extended region),这是在过渡状态观察到的。它指出,在过渡状态形成之前,展开状态首先经历了疏水力的核凝结,它既表现出二级结构又具有三级结构的特点,代表了速度限制步骤。最后,分层组装蛋白质,形成折叠的原生构象。

但如上所述,蛋白质不是静态结构,而是内在的动态分子:多肽链可以在其展开和折叠状态以及折叠过程中(如中间体)中采样不同的构象。沿着折叠路径,有许多合奏(ensemble)("状态state")使折叠发生。折叠漏斗 (folding funnels) 适当地描述了折叠如何放在这些动态分子上,并可以使用生物物理、生化、结构和计算方法在体外、细胞内和核糖体上进行研究。

(因本人不知道中文中对一些学术术语的表达,即便是我自己写的但也不会翻译,所以英文全靠机翻翻译成中文,虽然有标明原英文,有些错误在所难免,专业术语还应以中文教科书翻译为准?;骨肓陆?。)

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