蛋白质的结构转换

许多不相关的蛋白质含有相同的短肽序列却形成不同的空间构象. 结构转换广泛存在于蛋白质折叠和功能过程中, 具有重要的生物学意义. 综述了Serpin和EF-Tu的失活、血细胞凝集素的激活、蛋白酶成熟、亚基装配和蛋白质淀粉样化等过程中肽链同源肽段的结构转换模式, 并讨论了它在理解蛋白质折叠机理和“构象病”病因中的应用.     

蛋白质的错误折叠与疾病

蛋白质是生物体内一切功能的执行者.人体内的任何功能,从催化化学反应到抵御外来侵略都是蛋白质作用的结果.蛋白质折叠是生命活动的最基本过程,近年发现蛋白质的错误折叠可以导致一些疾病.蛋白质的错误折叠与疾病的关系已成为分子生物学新的研究前沿.介绍了细胞内保证蛋白质正常功能的“质量控制”系统,重点讨论了翻译后的质量控制、与蛋白质错误折叠有关的一些疾病和治疗这一类疾病的原则方法.     

蛋白质工程和蛋白质折叠

蛋白质一级结构决定着高级结构。蛋白质肽链在适宜条件下会自动卷曲形成其相应的高级结构,即自动发生蛋白质折叠,其自动发生的原因和过程仍不十分清楚,但是随着蛋白质工程的日益兴起,这些与折叠有关的问题也愈显重要,就此已有文章进行过讨论[1,2]。反之,如把新兴的蛋白质工程手段(尤其是基因定点诱变技术)应用来研究这些折叠问题,必将推动蛋白质折叠的研究。本文将就蛋白质折叠与蛋白质工程相互影响的一些例子进行讨论。     

肽链的折叠方式不是蛋白质多样性的直接原因

从蛋白质的分子结构、翻译后的蛋白质质量控制、蛋白质结构预测方法 3个方面阐述肽链的折叠方式不是引起蛋白质结构和功能多样性的直接原因:在氨基酸序列确定的情况下,肽链的折叠方式是保守的;肽链一旦折叠错误,蛋白质质量控制系统会对其进行纠正或降解清除,若质量控制失败,错误折叠的蛋白质便会引起疾病;从氨基酸序列出发利用分子力学模拟方法和建模软件预测蛋白质三维构象的研究技术侧面印证了氨基酸序列确定的肽链其折叠方式具有保守性。     

蛋白质构象病

蛋白质的空间结构又称为三维结构或构象（conformation）,特定的空间构象是蛋白质发挥其各种功能的结构基础。由于蛋白质担负着复杂的生化反应,因此在生物合成以后,蛋白质本身也经历着复杂的生理过程;蛋白质自翻译以后,需进行一系列的翻译后过程,包括跨膜转运、修饰加工、折叠复性、生化反应、生物降解等,这些过程都伴随着蛋白质的结构转换。随着对疯牛病的研究,人们发现：蛋白质分子的氨基酸序列虽不改变,但其空间结构或构象的改变也能引起疾病。同时,越来越多的研究表明,一些遗传性疾病是由于基因突变导致了蛋白质的错误折叠,这些突变并不直接影响蛋白质的功能结构域,但由于蛋白质的错误折叠,干扰了其正确运输,形成对细胞有毒性作用的聚积物。     

蛋白质结构与功能中的结构域

结构域是蛋白质亚基结构中的紧密球状区域.结构域作为蛋白质结构中介于二级与三级结构之间的又一结构层次,在蛋白质中起着独立的结构单位、功能单位与折叠单位的作用.在复杂蛋白质中,结构域具有结构与功能组件与遗传单位的作用.结构域层次的研究将会促进蛋白质结构与功能关系、蛋白质折叠机制以及蛋白质设计的研究.     

蛋白质的氧化重折叠

经过近几十年来广泛而深入的研究,蛋白质氧化重折叠的机制已得到相当详细的阐明。1在已研究过的蛋白质中,大多数蛋白质都是沿着多途径而非单一、特定的途径进行氧化重折叠,这与折叠能量景观学说是一致的。2正是氨基酸残基间的天然相互作用而不是非天然的相互作用控制蛋白质的折叠过程。这一结论与含非天然二硫键的折叠中间体在牛胰蛋白酶抑制剂（BPTI）折叠中所起的重要作用并非相互排斥,因为后者仅仅是进行链内二硫键重排的化学反应所必需,与控制肽链折叠无直接关系。3根据对BPTI的研究,二硫键曾被认为仅仅具有稳定蛋白质天然结构的作用,既不决定折叠途径也不决定其三维构象。这一观点不适用于其它蛋白质。对凝乳酶原的研究表明,天然二硫键的形成是恢复天然构象的前提。天然二硫键的形成与肽键的正确折叠相辅相成,更具有普遍意义。4在氧化重折叠的早期,二硫键的形成基本上是一个随机过程,随着肽链的折叠二硫键的形成越来越受折叠中间体构象的限制。提高重组蛋白质的复性产率是生物技术领域中的一个巨大的挑战。除了分子聚集外,在折叠过程中所形成的二硫键错配分子是导致低复性率的另一个主要原因。氧化重折叠机制的阐明为解决此问题提供了有益的启示。如上所述,在折叠的后期,二硫键的形成决定于折叠中间体的构象,类天然、有柔性的结构有利于天然二硫键形成和正确折叠,具有这类结构的分子为有效的折叠中间体,最终都能转变为天然产物;而无效折叠中间体往往具有稳定的结构,使巯基、二硫键内埋妨碍二硫键重排,并因能垒的障碍不利于进一步折叠。因此,降低无效折叠中间体的稳定性使之转变为有效折叠中间体是提高含二硫键蛋白质复性率的一条基本原则,实验证明,碱性pH、低温、降低蛋白质稳定性的试剂、蛋白质二硫键异构酶、改变蛋白质一级结构是实现这一原则的有效手段。此外,这里还就氧化重折叠的基础和应用研究的前景进行了讨论。     

怎样理解β—折叠属于蛋白质二级结构

不少中学生物学教师对β-折叠划为蛋白质二级结构提出疑问,疑问的主要点是:蛋白质的二级结构是指一条多肽链的折叠盘绕方式,而β-折叠(不论是平行的或是反平行的)都是两条以上肽链折叠盘绕而成,一条与两条以上显然是不相等的。而所有研究蛋白质的论著都毫无置疑地把β-折叠列为二级结构,这应该怎样理解呢?本文试浅析如下: 二级结构的概念和特征蛋白质的分子量很大(约六千到一百万之间)。结构十分复杂。为了研究的方便,1952年Linderstrφm—Lang首先将蛋白质的结构划     

蛋白质折叠识别方法综述

蛋白质折叠识别算法是蛋白质三维结构预测的重要方法之一,该方法在生物科学的许多方面得到卓有成效的应用。在过去的十年中,我们见证了一系列基于不同计算方式的蛋白质折叠识别方法。在这些计算方法中,机器学习和序列谱-序列谱比对是两种在蛋白质折叠中应用较为广泛和有效的方法。除了计算方法的进展外,不断增大的蛋白质结构数据库也是蛋白质折叠识别的预测精度不断提高的一个重要因素。在这篇文章中,我们将简要地回顾蛋白质折叠中的先进算法。另外,我们也将讨论一些可能可以应用于改进蛋白质折叠算法的策略。     

核磁共振技术在蛋白质领域的应用

简要叙述了核磁共振技术(NMR)在蛋白质领域的研究及应用。NMR法通过测定蛋白质在稀溶液状态下反应位点的特定参数来计算蛋白质的三级结构,并可深入了解一定时间范围内化学反应和蛋白质构象转变的动力学过程。通过NMR对抗原决定簇和抗体CDR作图,可以分析其一级结构和三维构象;对抗原抗体动力学的分析,对于设计基因疫苗、检测细胞表面抗原提呈以及分析抗原抗体复合物的构象变化也有着重要意义。     

未折叠蛋白质的普遍初始热力学亚稳态

探索和理解蛋白质折叠问题一直是分子生物学、结构生物学和生物物理学的终极挑战.未折叠的蛋白质应该存在一种普遍初始热力学亚稳态,否则无法解释蛋白质是如何在剧烈的热振动干扰下完成快速精确折叠的.本文通过分析水溶液环境和蛋白质折叠的相关性,揭示了一种由水分子屏蔽效应引起的未折叠蛋白质的普遍初始热力学亚稳态,该亚稳态的存在是水溶液环境中水分子的物理性质决定,并赋予未折叠蛋白质抵抗热扰动和避免错误折叠的能力.我们通过研究已发表的实验数据和建立分子模型,找到了该初始热力学亚稳态存在的相关证据,并推测了该亚稳态导致蛋白质精确折叠的相关物理学机制.     

从量子跃迁观点对蛋白质折叠速率的统计分析

理解蛋白质折叠速率是探明蛋白质结构和折叠机制物理基础的关键.蛋白质折叠速率的温度依赖关系是当前一个未解决的难题.假定蛋白质折叠是一个分子构象间的量子跃迁,导出了一个蛋白质折叠速率的解析公式.由此公式出发,计算了资料库中二态蛋白质的折叠速率和研究了它们的温度依赖性.从第一性原理出发,对实验给出的16个二态蛋白质折叠速率的非阿列尼乌斯(non-Arrhenius)温度关系给予成功解释,进而预测了这些蛋白质解折叠速率的温度依赖关系.依据量子折叠理论,给出了一个预测二态蛋白质折叠速率的统计公式,用于65个蛋白的资料库,理论和实验比较的相关系数为0.73.此外,理论还给出了与实验结果一致的最大和最小折叠速率估计.     

电化学方法在蛋白质去折叠研究中的应用

蛋白质的正确折叠是实现其生物功能的保证,研究蛋白质去折叠路径及其在外部干扰下的构象变化,对揭示其折叠路径和机理至关重要,这也是分子生物学研究中的核心问题之一。与常用的光谱方法相比,电化学方法可通过蛋白或探针的氧化还原过程获得蛋白质折叠/去折叠的热力学和动力学信息,逐渐受到科学工作者的关注。     

蛋白质的折叠

重点介绍了蛋白质折叠的热力学控制学说和动力学控制学说,简单介绍了几种蛋白质折叠模型并分析了多肽链在体内进行快速折叠的原因。     

蛋白质折叠的不可逆热力学理论与能级相图理论

蛋白质折叠指没有任何固定结构形式的蛋白质多肽链经过复杂作用,转化成活性蛋白质结构的物理学过程。蛋白质折叠的理论研究是理论生物学的基本内容。它对蛋白质工程、蛋白质结构的预测、蛋白质结构与功能的关系、生物疾病的发生机理等有重大的科学指导意义。蛋白质折叠的传统理论是Anfinsen提出的。目前有两种不同的热力学理论:蛋白质折叠的不可逆热力学理论与能级相图理论。本文重点分析、讨论了蛋白质折叠的不可逆热力学(irreversible thermodynamics)理论和能级相图(energy landscape)理论的共同点与分歧。     

mRNA环结构对蛋白质折叠速率的影响

前期的相关研究发现mRNA二级结构中存在对蛋白质折叠速率的重要影响因素.而mRNA二级结构中普遍存在着各种复杂的环结构,这些环结构是否对蛋白质折叠速率也有重要的影响呢?不同的环结构对蛋白质折叠速率的影响是否相同呢?基于此想法,建立了一个包含mRNA内部环、发夹环、膨胀环和多分支环等环结构信息和相应蛋白质折叠速率的数据库.对于数据库中的每一个蛋白质,计算了mRNA二级结构中各种环结构碱基含量、配对碱基含量及单链碱基含量等参量,分析了各参量与相应蛋白质折叠速率的相关性.结果显示,各种环结构碱基含量与蛋白质折叠速率均呈极显著或显著正相关.说明mRNA环结构对蛋白质折叠速率有重要的影响.进一步,把蛋白质按照不同折叠类型或不同二级结构类型分组后,对每一组蛋白质重复上述的分析工作.结果表明,对不同类蛋白质,mRNA的各种环结构对其相应蛋白质折叠速率的影响存在着显著差异.上述研究将为进一步开展有关mRNA和蛋白质折叠速率的研究奠定理论基础.     

邹承鲁先生与中国蛋白质折叠研究

<正>邹承鲁先生是近代中国生物化学的奠基人之一，一生致力于蛋白质结构与功能关系的研究，在细胞色素与呼吸链酶系、人工合成胰岛素、酶活性不可逆抑制动力学、酶活性部位的柔性以及蛋白质折叠和分子伴侣等不同领域都做出了重大贡献。1964年我从中国科学技术大学生物物理系毕业，被分配到中国科学院生物物理研究所。后有幸在邹先生实验室工作近20年，在邹先生的指导和帮助下，对胰岛素A、B链相互作用、蛋白质折叠以及帮助蛋白质折叠的分子伴侣和折叠酶开展了一些研究工作。     

蛋白质-配体柔性对接综述

蛋白质与配体的相互作用在药物发现与筛选、功能食品开发等方面,都具有重要的科学意义。研究蛋白质-配体对接的目的在于通过已知配体和目标蛋白质的三维结构,运用计算手段来预测和评估蛋白质-配体复合物的三维构象,从而更好地理解蛋白质-配体之间的相互作用。随着已解析蛋白质单体结构的数量和计算能力的不断增加,蛋白质-配体对接也越来越现实并可靠。作者对蛋白质-配体柔性对接过程中所涉及的蛋白质的柔性、配体的准备、构象空间的采样方法、打分函数及其后期处理等方面进行了综述。     

非泛素依赖地降解蛋白质研究进展

如何识别和选择性降解蛋白质是细胞生命过程中非常重要的环节,泛素-蛋白酶体需能降解途径的发现,揭示了蛋白质在细胞内选择性降解的普遍方式,成为研究焦点.然而,很少关注蛋白酶体以非泛素依赖方式降解蛋白质的可能性.近年来,已发现不少蛋白质被蛋白酶体以非泛素依赖方式降解.该途径涉及降解某些短寿命的调节蛋白、错误折叠蛋白、衰老蛋白和氧化蛋白,以及新合成蛋白的"质量控制",并涉及病理过程如癌症、神经退行性疾病,所以具有非常重要的生理和病理作用.总结了近一二十年来发现的一些具有代表性的被蛋白酶体以非泛素依赖方式降解的蛋白质,并重点论述了其作用的分子机制,以期以点带面地展示这一领域的研究概况.     

核磁共振波谱法在蛋白质三维结构解析中的应用

蛋白质特定的三维结构与其生物功能密切相关,因此,研究蛋白质的三维结构有助于揭示其生物功能机制。将核磁共振（NMR）波谱法应用于研究溶液状态下蛋白质的三维结构,能够更加准确地揭示蛋白质结构与生物功能之间的关系。本文综述了NMR解析蛋白质三维结构的理论和技术方法,以及NMR结合其他生物物理手段,并辅以分子建模计算法研究蛋白质三维结构的研究进展和最新方法,为精准解析蛋白质的三维结构提供思路及策略。