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浅谈蛋白质折叠的有关问题 | |||||
作者:佚名 论文来源:本站原创 点击数: 更新时间:2008-12-6 | |||||
[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。 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。 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。 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。)
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。
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。 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 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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