绘制蛋白折叠过度状态的能级图谱

　　

生物通报道：Rice大学物理学家最近获得了一种研究蛋白折叠详细过程的新途径，可用于探测折叠过程需要多少能量，在蛋白折叠科学领域有广泛的应用性。由于发现阿尔茨海莫氏症、帕金森氏症等疾病与蛋白的错误折叠有重要相关性，因此蛋白折叠科学在过去的十年中积累了大量数据。这一成果将刊登于最新一期《Physical Review Letters》杂志。

文章作者、物理学和天文学副教授Ching-Hwa Kiang说：“我们认为这种方法适用于任何蛋白，有很多人致力于研究这个问题（蛋白折叠），每当我们在科学会议上对我们的工作做报告时都会引起强烈反响。”

如果说DNA是生命的蓝图，那么蛋白则是依据这些蓝图构建的机器。所有活体细胞都是依据其DNA序列将氨基酸串联在一起合成蛋白的。蛋白的一级结构为线形，如同珍珠串，每个氨基酸代表一颗珍珠。然而，弄清氨基酸的排列顺序对研究蛋白的功能并没有多大的指导意义，因为每个蛋白在一级结构形成的瞬间（通常不过一秒）便折叠为三维结构。三维结构决定了蛋白的功能。

通过测量蛋白折叠为最终形状所需要的自由能，研究人员希望更多了解一些氨基酸序列影响蛋白功能的机制，以及某些疾病中蛋白折叠出错的原因。

在其折叠和未折叠状态中间的一点上，蛋白像一架处于轨道最高点的过山车，需要一定的能量才能翻越，到达终点——最终的折叠状态。如果缺少翻越最高点的能量，蛋白会退回到部分折叠或者错误折叠的状态。

Kiang与研究生Nolan Harris利用这些能级（energy states）得到了某种类似于过山车轨道的图谱。这是目前唯一能够揭示蛋白必需越过的能障（energy barrier）的斜坡和最高点的方法。

“其它实验方法给研究人员一张最初和最终能级——两个平衡状态的十分清晰的图像，” Kiang说，我们的方法有助于填补中间发生的事件，即系统处于折叠和未折叠之间时。

Kiang与Harris以蛋白Titin中叫做127的片段为研究对象。此肽段含有89个氨基酸。Harris将上千个完整的、折叠的127悬浮在稀盐溶液中，直到蛋白沉淀在容器的底部。原子力显微镜（atomic force microscope ，AFM）的探针反复沾入溶液中。AFM的探针只有几原子宽，探入溶液后，随着探针的提起，其随机捕的127会被以线状、未折叠的形状提出。

Harris测量每次127未折叠时施加在悬臂上的力。为了获得能量图谱，他编写了一个混合名为“Jarzynski equality”的统计力学等式的软件。该等式将从折叠事件中的不平衡能量与沿着轨道从折叠状态到未折叠状态的平衡剖面（equilibrium profiles，生物通编者译）联系起来。

研究受到美国国家科学基金会、美国国立卫生研究院、Welch基金会和Hamill基金会的资助。（生物通 小粥）

蛋白质折叠研究的概况

    在生物体内，生物信息的流动可以分为两个部分：第一部分是存储于DNA序列中的遗传信息通过转录和翻译传入蛋白质的一级序列中，这是一维信息之间的传递，三联子密码介导了这一传递过程；第二部分是肽链经过疏水塌缩、空间盘曲、侧链聚集等折叠过程形成蛋白质的天然构象，同时获得生物活性，从而将生命信息表达出来；而蛋白质作为生命信息的表达载体，它折叠所形成的特定空间结构是其具有生物学功能的基础，也就是说，这个一维信息向三维信息的转化过程是表现生命活力所必需的。

    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。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相似的现象，提出了mRNA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，该假说尚没有任何实验证据，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是不完整的，甚至有些方面还存在着错误的观点。

    在这方面作出重要贡献的典型研究实例是美国C.B.安芬森小组关于牛胰核糖核酸酶的变性和复性的研究。牛胰核糖核酸酶含有124个氨基酸残基,由8个巯基配对组成4对二硫键。可以计算出酶分子中8个巯基组成4对二硫键的可能方式有105种,这就提供了一个定量估算复性重组的指标。在温和的碱性条件下,8摩尔的浓脲和大量巯基乙醇能使四对二硫键完全还原，整个分子变为无规则卷曲状，酶分子变性。透析去除脲，在氧的存在下，二硫键重新形成，酶分子完全复性，二硫键中成对的巯基都与天然一样，复性分子可以结晶且具有与天然酶晶体相同的X射线衍射花样，从而证实，酶分子在复性过程中,不仅能自发地重新折叠,而且只选择了105种二硫键可能配对方式中的一种。