蛋白質(zhì)折疊問(wèn)題探討

1、蛋白質(zhì)折疊問(wèn)題探討         08-09-15 11:03:00     作者：未知    編輯：Studa_hasgo122摘要：生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能的研究是了解分子水平的先象的基礎(chǔ)。沒(méi)有對(duì)生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能的認(rèn)識(shí)，就沒(méi)有分子生物學(xué)。正如沒(méi)有DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，就沒(méi)有遺傳傳達(dá)傳遞的中心法則，也就沒(méi)有今天的分子生物學(xué)。結(jié)構(gòu)分子以由第一分子進(jìn)入對(duì)復(fù)和物乃至多亞基，多分子復(fù)和體結(jié)構(gòu)研究。同時(shí)，過(guò)去難以研究的分子水平上的生命運(yùn)

2、動(dòng)情況也隨著研究的深入和技術(shù)手段的發(fā)展而逐漸由難點(diǎn)變?yōu)闊狳c(diǎn)。蛋白質(zhì)晶體學(xué)研究已從生物大分子靜態(tài)（時(shí)間統(tǒng)計(jì)）的結(jié)構(gòu)分析開始進(jìn)入動(dòng)態(tài)（時(shí)間分辨）的結(jié)構(gòu)分析及動(dòng)力學(xué)分析。第十三屆國(guó)際生物物理大會(huì)的25個(gè)專題討論會(huì)中有一半以上涉及蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能，而“結(jié)構(gòu)與功能”又強(qiáng)調(diào)“動(dòng)力學(xué)（Dynamics）”，即動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與蛋白質(zhì)分子功能的關(guān)系，以及對(duì)大分子相互作用的貢獻(xiàn)。關(guān)鍵字：蛋白質(zhì)；生物大分子；分子伴侶；折疊問(wèn)題Abstract: Biological macromolecule's structure and the function research is understands

3、 the molecular level the first alike foundation. Not to biological macromolecule's structure and the function understanding, does not have the molecular biology. Just like does not have the DNA double helix structure discovery, has not inherited the transmission transmission the central dogma, a

4、lso does not have today's molecular biology. The structure member by enters by the first member to restores peace the thing and even the multi-Asian base, the multi-members restore peace the body structural research. At the same time, studied with difficulty in the past in molecular level life m

5、ovement situation also along with research thorough and technological means development, but became the hot spot gradually by the difficulty. Protein crystallography research already from biological macromolecule static state (time statistics) the structure analysis starts enters dynamic (time resol

6、ution) the structure analysis and dynamics analysis. In the 13th session of international biophysics congress's 25 symposium has more than 50% to involve the protein the structure and the function, but “the structure and the function” also emphasize “dynamics (Dynamics)”, namely dynamic structur

7、e or structure movement and protein member function relations, as well as to macro-molecule interaction contribution. key words: Protein; Biological macromolecule; Molecular companion; Folding question 前言    蛋白質(zhì)折疊問(wèn)題被列為“21世紀(jì)的生物物理學(xué)”的重要課題，它是分子生物學(xué)中心法則尚未解決的一個(gè)重大生物學(xué)問(wèn)題。從一級(jí)序列預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)分子的三級(jí)結(jié)構(gòu)并

8、進(jìn)一步預(yù)測(cè)其功能，是極富挑戰(zhàn)性的工作。研究蛋白質(zhì)折疊，尤其是折疊早期過(guò)程，即新生肽段的折疊過(guò)程是全面的最終闡明中心法則的一個(gè)根本問(wèn)題，在這一領(lǐng)域中，近年來(lái)的新發(fā)現(xiàn)對(duì)新生肽段能夠自發(fā)進(jìn)行折疊的傳統(tǒng)概念做了根本的修正。這其中，X射線晶體衍射和各種波譜技術(shù)以及電子顯微鏡技術(shù)等發(fā)揮了極其重要的作用。第十三屆國(guó)際生物物理大會(huì)上，Nobel獎(jiǎng)獲得者Ernst在報(bào)告中強(qiáng)調(diào)指出，NMR用于研究蛋白質(zhì)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)在于它能極為詳細(xì)的研究蛋白質(zhì)分子的動(dòng)力學(xué)，即動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與蛋白質(zhì)分子功能的關(guān)系。目前的NMR技術(shù)已經(jīng)能夠在秒到皮秒的時(shí)間域上觀察蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，其中包括主鏈和側(cè)鏈的運(yùn)動(dòng)，以及在各種不同

9、的溫度和壓力下蛋白質(zhì)的折疊和去折疊過(guò)程。蛋白質(zhì)大分子的結(jié)構(gòu)分析也不僅僅只是解出某個(gè)具體的結(jié)構(gòu)，而是更加關(guān)注結(jié)構(gòu)的漲落和運(yùn)動(dòng)。例如，運(yùn)輸小分子的酶和蛋白質(zhì)通常存在著兩種構(gòu)象，結(jié)合配體的和未結(jié)合配體的。一種構(gòu)象內(nèi)的結(jié)構(gòu)漲落是構(gòu)象轉(zhuǎn)變所必需的前奏，因此需要把光譜學(xué)，波譜學(xué)和X 射線結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來(lái)研究結(jié)構(gòu)漲落的平衡，構(gòu)象改變和改變過(guò)程中形成的多種中間態(tài)，又如，為了了解蛋白質(zhì)是如何折疊的，就必須知道折疊時(shí)幾個(gè)基本過(guò)程的時(shí)間尺度和機(jī)制，包括二級(jí)結(jié)構(gòu)（螺旋和折疊）的形成，卷曲，長(zhǎng)程相互作用以及未折疊肽段的全面崩潰。多種技術(shù)用于研究次過(guò)程，如快速核磁共振，快速光譜技術(shù)（熒光，遠(yuǎn)紫外和近紫外圓二色）。一、新生

10、肽段折疊研究中的新觀點(diǎn)    長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于蛋白質(zhì)折疊，形成了自組裝（self-assembly）的主導(dǎo)學(xué)說(shuō)，因此，在研究新生肽段的折疊時(shí)，就很自然的把在體外蛋白質(zhì)折疊研究中得到的規(guī)律推廣到體內(nèi)，用變性蛋白的復(fù)性作為新生肽段折疊的模型，并認(rèn)為細(xì)胞中新合成的多肽鏈，不需要?jiǎng)e的分子的幫助，不需要額外能量的補(bǔ)充，就應(yīng)該能夠自發(fā)的折疊而形成它的功能狀態(tài)。    1988年，鄒承魯明確指出，新生肽段的折疊在合成早期業(yè)已開始，而不是合成完后才開始進(jìn)行，隨著肽段的延伸同時(shí)折疊，又不斷進(jìn)行構(gòu)象的調(diào)整，先形成的結(jié)構(gòu)會(huì)作用于后合成的肽段的折疊，而后合成的結(jié)

11、構(gòu)又會(huì)影響前面已形成的結(jié)構(gòu)的調(diào)整。因此，在肽段延伸過(guò)程中形成的結(jié)構(gòu)往往不一定是最終功能蛋白中的結(jié)構(gòu)。這樣，三維結(jié)構(gòu)的形成是一個(gè)同時(shí)進(jìn)行著的，協(xié)調(diào)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。九十年代一類具有新的生物功能的蛋白，分子伴侶（Molecular chaperone）的發(fā)現(xiàn)，以及在更廣泛意義上說(shuō)的幫助蛋白質(zhì)折疊的輔助蛋白(Accessory protein) 的提出，說(shuō)明細(xì)胞內(nèi)新生肽段的折疊一般意義上說(shuō)是需要幫助的，而不是自發(fā)進(jìn)行的。二，分子伴侶的作用機(jī)制    分子伴侶的作用機(jī)制實(shí)際上就是它如何與靶蛋白識(shí)別，結(jié)合，又解離的機(jī)制。有的分子伴侶 具高度專一性，如一些分子內(nèi)分子伴侶，還有細(xì)菌P

12、seudomonas cepacia的酯酶，有它自己的“私有分子伴侶”。它是由基因limA編碼的，與酯酶的基因LipA只隔3個(gè)堿基，可能是進(jìn)化過(guò)程中發(fā)生的基因分裂造成的。而一般的分子伴侶識(shí)別特異性不高，它是怎樣識(shí)別需要它幫助的對(duì)象的呢？現(xiàn)在只能說(shuō)分子伴侶識(shí)別非天然構(gòu)象，而不去理會(huì)天然的構(gòu)象。由于在天然分子中，疏水殘基多半位于分子的內(nèi)部而形成疏水核，去折疊后就可能暴露出來(lái)，或者在新生肽段的折疊過(guò)程中，會(huì)暫時(shí)形成在天然構(gòu)象中本應(yīng)該存在于分子內(nèi)部的疏水表面，因此認(rèn)為分子伴侶最有可能是與疏水表面相結(jié)合，如硫氰酸酶（Rhodanese）分子-helix的疏水側(cè)面。但是只有-sheet結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)才可為分

13、子伴侶識(shí)別。    最近關(guān)于識(shí)別機(jī)制有較大的進(jìn)展。Bip是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)管腔內(nèi)的分子伴侶，用一種affinity panning的方法檢查Bip與有隨機(jī)序列的十二肽結(jié)合的特異性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Hy-(W/X)-Hy-X-Hy-X-Hy motif與Bip j結(jié)合最強(qiáng)，Hy最多的是Trp、Leu、Phe，即較大的疏水殘基。一般來(lái)說(shuō)，2-4個(gè)疏水殘基就足夠進(jìn)行結(jié)合。還有一種較普遍的說(shuō)法是分子伴侶識(shí)別所謂熔球體結(jié)構(gòu)（moltenglobule）。另一方面，分子伴侶本身與肽結(jié)合部位的結(jié)構(gòu)分析最近也有些進(jìn)展。譬如，PapD的晶體結(jié)構(gòu)表明，多肽結(jié)合在它的 -sheet區(qū)。GroEL中，約

14、40kD的153-531結(jié)構(gòu)域是核苷酸的結(jié)合區(qū)。    分子伴侶作用的第二步是與靶蛋白形成復(fù)合物。非常盛行的一種模型認(rèn)為分子伴侶常常以多聚'體形式而形成中心空洞的結(jié)構(gòu)，用電子顯微鏡已經(jīng)觀察到由二圈層圓面包圈形組成的十四體GroEL分子和一個(gè)一層圓面包圈的七體GroES分子協(xié)同作用形成中空的非對(duì)稱籠狀結(jié)構(gòu)（cage model），推測(cè)靶蛋白可以在與周圍環(huán)境隔離的中間空腔內(nèi)不受干擾的進(jìn)一步折疊。但是不久前一個(gè)日本實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)GroEL的一個(gè)亞基，甚至其N端去除78個(gè)氨基酸殘基的50kD片段，已經(jīng)不能再組裝成十四體結(jié)構(gòu)，都有確定的分子伴侶功能。由此，我想:也許環(huán)狀

15、分子伴侶并非每個(gè)部位都是有效的結(jié)合部位，也就是說(shuō)，該二層圓面包圈組成的十四體GroEL分子只有一個(gè)或若干個(gè)部位能夠與疏水殘基或所謂的熔球體結(jié)構(gòu)結(jié)合，而其余部位起識(shí)別作用，就像一個(gè)探測(cè)器一樣，整個(gè)十四體GroEL分子以圈層或籠狀結(jié)構(gòu)”包裹”在多肽鏈的主鏈上，以旋進(jìn)方式再多肽鏈的鏈體上運(yùn)動(dòng)，一旦環(huán)狀多聚體的某一識(shí)別部位發(fā)現(xiàn)疏水結(jié)構(gòu)或所謂的熔球體結(jié)構(gòu)等新生肽鏈折疊過(guò)程中暫時(shí)暴露的錯(cuò)誤結(jié)構(gòu)，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，多聚體的結(jié)合部位便與之結(jié)合，生成復(fù)合物，抑制不正確的折疊。以上完全是我個(gè)人的猜想，是基于上述兩個(gè)試驗(yàn)現(xiàn)象的矛盾而試圖作一番解釋。至于為什么假設(shè)以旋進(jìn)方式在多肽鏈上運(yùn)動(dòng)，我并沒(méi)有相應(yīng)的根據(jù)，只是覺(jué)得這應(yīng)該是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，因此作了一番狂妄的假想,另外，我覺(jué)得也許可以用X射線衍射來(lái)探測(cè)一下分子伴侶GroEL和GroES組成的籠狀結(jié)構(gòu)，看看它的a×b×c是否足以容納多肽鏈的某一段，或者它的內(nèi)部和外部的疏水性質(zhì)和其他一些物化性質(zhì)如何，也許可以找到支持或駁斥上述假設(shè)的證據(jù)。    以上談的都是蛋白質(zhì)的分子伴侶。不久前又出現(xiàn)了一個(gè)新名詞“DNA chaperones”，DNA分子伴侶，這種分子伴侶是與DNA相結(jié)合并幫助DNA折疊的。在這種復(fù)合物中，DNA分子包圍在蛋白質(zhì)分子的表面，既是高度有序的，又是在一定程度上結(jié)構(gòu)已有所