蛋白質(zhì)折疊與折疊病

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1、蛋 白 質(zhì) 折 疊 與 折 疊 病 n 您 知 道 蛋 白 質(zhì) 折 疊 嗎 ？ n 您 知 道 “ 蛋 白 質(zhì) 折 疊 病 ” 嗎 ？ n 您 知 道 蛋 白 質(zhì) 折 疊 有 多 復(fù) 雜 嗎 ？ 蛋 白 質(zhì) 折 疊 的 定 義 蛋 白 質(zhì) 憑 借 相 互 作 用 在 細(xì) 胞 環(huán) 境 (特 定 的酸 堿 度 、 溫 度 等 )下 自 己 組 裝 自 己 ， 這 種自 我 組 裝 的 過(guò) 程 被 稱(chēng) 為 蛋 白 質(zhì) 折 疊 蛋 白 質(zhì) 折 疊 問(wèn) 題 是 生 命 科 學(xué) 領(lǐng) 域 的 前 沿 課 題 之 一 ，并 且 被 列 為 “ 21世 紀(jì) 的 生 物 物 理 學(xué) ” 的 重 要 課 題 ，它

2、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 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 。 蛋 白 質(zhì) 折 疊 問(wèn) 題 為 什 么 會(huì) 稱(chēng) 為當(dāng) 今 生 物 學(xué) 領(lǐng) 域 中 的 研 究 熱 點(diǎn) 之 一 ？n 破 譯 生 命 的 另 一 半 遺 傳 密 碼 ， 完

3、 善 中 心 法 則n 蛋 白 質(zhì) 分 子 設(shè) 計(jì) 及 蛋 白 質(zhì) 工 程 的 需 要n 越 來(lái) 越 多 的 基 因 工 程 產(chǎn) 物 需 要 復(fù) 性 復(fù) 活 ， 要求 蛋 白 質(zhì) 折 疊 的 理 論 及 技 術(shù) 作 為 指 導(dǎo) 研究的源動(dòng)力 disease 免疫 病毒 庫(kù) 魯 病 (Kuru)瘋 牛 病研 究 背 景 卡 里 頓 加 德 賽 克 美 國(guó) 國(guó) 立 衛(wèi) 生 研 究院 病 毒 和 神 經(jīng) 研 究室 主 任 ， 因 發(fā) 現(xiàn) 神經(jīng) 性 傳 染 性 疾 病 的新 病 因 和 傳 播 新 機(jī)制 而 獲 得 1976年 諾貝 爾 醫(yī) 學(xué) /生 理 學(xué) 獎(jiǎng) 。 加 德 賽 克 在 新 幾 內(nèi) 亞

4、 島 發(fā)現(xiàn) 了 一 種 奇 怪 的 疾 病 ， 當(dāng) 地的 土 著 人 稱(chēng) 之 為 “ kuru” 。由 于 找 不 到 病 因 ， 被 當(dāng) 地 人稱(chēng) 為 “ 終 極 巫 術(shù) ” 。 Kuru在 當(dāng) 地 的 含 義 是 顫抖 ， 因 某 種 未 知 的 寒 冷 或 恐懼 而 顫 抖 。 一 旦 Kuru的 顫 抖開(kāi) 始 ， 就 不 可 逆 轉(zhuǎn) ， 詛 咒 會(huì)越 來(lái) 越 烈 ， 直 至 死 亡 為 止 。Kuru的 詛 咒 非 常 殘 酷 ： 先 是不 可 抑 制 的 顫 抖 ， 然 后 喪 失行 走 能 力 及 無(wú) 法 言 語(yǔ) ， 接 著癱 瘓 。 但 中 了 巫 術(shù) 的 人 至 死心 智 都

5、很 清 醒 ， 不 會(huì) 陷 入 昏睡 狀 態(tài) ， 因 此 格 外 痛 苦 。 蛋 白 質(zhì) 折 疊 研 究 的 背 景 遺 傳 信 息 的 傳 遞 DNA RNA Proteins肽 鏈 有 活 性 的 蛋 白質(zhì) 天 然 構(gòu) 象實(shí) 質(zhì) 上 是 多 肽 鏈遺 傳 信 息 的 傳 遞 應(yīng) 該 是 從 核 苷 酸 序 列 到 有 完 整 結(jié)構(gòu) 的 功 能 蛋 白 質(zhì) 的 全 過(guò) 程 。 蛋 白 質(zhì) 折 疊 研 究 的 概 況n 20世 紀(jì) 60年 代 ， 安 芬 森 （ Anfinsen） 基 于 還 原變 性 的 牛 胰 RNase的 研 究 提 出 “ 自 組 裝 學(xué) 說(shuō) ” n Ellis 于

6、1987年 提 出 了 蛋 白 質(zhì) 折 疊 的 “ 輔 助 性 組 裝學(xué) 說(shuō) ” 。 n mRNA的 二 級(jí) 結(jié) 構(gòu) 可 能 作 為 一 種 遺 傳 密 碼 從 而影 響 蛋 白 質(zhì) 結(jié) 構(gòu) 的 假 說(shuō) n 那 么 ， 蛋 白 質(zhì) 的 氨 基 酸 序 列 究 竟 是 如 何 確 定 其 空間 構(gòu) 象 的 呢 ？ 牛 胰 核 糖 核 酸 酶 的 一 級(jí) 結(jié) 構(gòu)二硫鍵 變 性 劑 巰 基乙 醇復(fù) 性牛 胰 核 糖 核 酸 酶 的 變 性 和 復(fù) 性 蛋 白 質(zhì) 折 疊 的 研 究 內(nèi) 容n 蛋 白 質(zhì) 折 疊 的 研 究 ， 狹 義 的 定 義 就 是 研 究 蛋白 質(zhì) 特 定 三 維 空 間 結(jié)

7、 構(gòu) 形 成 的 規(guī) 律 、 穩(wěn) 定 性及 與 其 生 物 活 性 的 關(guān) 系 。n 在 概 念 上 有 熱 力 學(xué) 的 問(wèn) 題 和 動(dòng) 力 學(xué) 的 問(wèn) 題 ；n 蛋 白 質(zhì) 在 體 外 折 疊 和 在 細(xì) 胞 內(nèi) 折 疊 的 問(wèn) 題 ； n 有 理 論 研 究 和 實(shí) 驗(yàn) 研 究 的 問(wèn) 題 。 蛋 白 質(zhì) 折 疊 的 研 究 內(nèi) 容n 最 根 本 的 科 學(xué) 問(wèn) 題 就 是 多 肽 鏈 的 一 級(jí) 結(jié) 構(gòu) 到 底 如何 決 定 它 的 空 間 結(jié) 構(gòu) ？n 既 然 前 者 決 定 后 者 ， 一 級(jí) 結(jié) 構(gòu) 和 空 間 結(jié) 構(gòu) 之 間 肯定 存 在 某 種 確 定 的 關(guān) 系 ， 這 是

8、否 也 像 核 苷 酸 通 過(guò)“ 三 聯(lián) 密 碼 ” 決 定 氨 基 酸 順 序 那 樣 有 一 套 密 碼 呢 ？n 后 來(lái) ， 有 人 把 這 設(shè) 想 的 一 級(jí) 結(jié) 構(gòu) 決 定 空 間 結(jié) 構(gòu) 的密 碼 叫 作 “ 第 二 遺 傳 密 碼 ” 。 第 二 遺 傳 密 碼n 完 整 的 提 法 應(yīng) 該 是 遺 傳 密 碼 的 第 二 部 分 ， 即 蛋 白 質(zhì) 中 氨基 酸 序 列 與 其 空 間 結(jié) 構(gòu) 的 對(duì) 應(yīng) 關(guān) 系 ， 國(guó) 際 上 稱(chēng) 之 為 第 二遺 傳 密 碼 或 折 疊 密 碼n Anfinsen原 理 ：n 自 發(fā) 折 疊 概 念 的 轉(zhuǎn) 變 (有 幫 助 的 肽 鏈 的

9、 自 發(fā) 折 疊 和 組 裝 ) n 三 聯(lián) 密 碼 的 解 決n 國(guó) 外 對(duì) 蛋 白 質(zhì) 折 疊 的 研 究 第 二 遺 傳 密 碼 的 特 點(diǎn)n 簡(jiǎn) 并 性n 在 第 一 遺 傳 密 碼 中 有 所 謂 “ 簡(jiǎn) 并 性 ” ， 即 同 一 AA可 以 由 不 同 密 碼 子 所 編 碼 ， 如 CGA 和 AGC 都 編碼 為 Arg， UCC 和 AGU都 編 碼 為 Ser等 。n 第 二 密 碼 也 同 樣 有 簡(jiǎn) 并 性 。 現(xiàn) 在 已 經(jīng) 知 道 有 很 多氨 基 酸 序 列 不 同 的 肽 鏈 可 以 有 極 為 相 似 甚 至 相 同的 空 間 結(jié) 構(gòu) ， 這 就 是 第 二

10、 密 碼 的 簡(jiǎn) 并 性 。 簡(jiǎn) 并 性 的 證 據(jù)n 1、 不 同 生 物 體 中 執(zhí) 行 相 同 功 能 的 蛋 白 質(zhì) 有 AA序列 上 的 差 異 , 但 卻 有 相 同 的 整 體 空 間 結(jié) 構(gòu) 。n 例 如 ： 線(xiàn) 粒 體 Cytc的 AA序 列 已 經(jīng) 測(cè) 定 ， AA殘 基 數(shù) 均 在104 左 右 , 但 僅 在 21個(gè) 位 置 上 的 AA在 不 同 生 物 體 的 Cytc 是 完 全 相 同 的 ， 但 是 所 有 Cytc 的 整 體 空 間 結(jié) 構(gòu) 卻 是 非 常相 似 的 。n 另 外 ， 兩 個(gè) 在 功 能 上 完 全 無(wú) 關(guān) 的 蛋 白 質(zhì) ， 卵 類(lèi) 黏蛋

11、 白 的 第 三 結(jié) 構(gòu) 域 和 核 糖 體 結(jié) 構(gòu) 蛋 白 L7/L12 的 C-末 端 部分 在 AA序 列 上 僅 有 3%相 同 , 卻 具 有 幾 乎 完 全 相 同 的 空 間結(jié) 構(gòu) 。 2、 化 學(xué) 修 飾n 改 變 側(cè) 鏈 性 質(zhì) ， 包 括 大 小 、 極 性 、 電 荷 、 氫 鍵 形成 能 力 等 的 影 響 。n 晶 體 衍 射 結(jié) 構(gòu) 分 析 的 結(jié) 果 表 明 ： 在 分 子 內(nèi) 部 引 入大 小 不 同 的 疏 水 基 團(tuán) 的 結(jié) 果 ， 只 不 過(guò) 是 使 某 些 側(cè)鏈 基 團(tuán) 在 位 置 上 有 所 重 排 ， 但 并 不 影 響 分 子 的 總體 結(jié) 構(gòu) 。

12、 3、 定 點(diǎn) 突 變 研 究n 定 點(diǎn) 突 變 技 術(shù) 的 建 立 為 蛋 白 質(zhì) 結(jié) 構(gòu) 功 能 關(guān) 系 研 究提 供 了 極 大 的 方 便 。 例 如 ： 金 黃 色 葡 萄 球 菌 核 酸酶 是 研 究 得 最 多 的 蛋 白 之 一n 結(jié) 果 表 明 ： 某 些 個(gè) 別 鍵 的 破 壞 并 不 能 對(duì) 結(jié) 構(gòu) 起 到?jīng)Q 定 性 的 作 用 ， 所 以 個(gè) 別 殘 基 的 單 獨(dú) 替 換 不 會(huì) 對(duì)分 子 的 總 體 構(gòu) 象 產(chǎn) 生 明 顯 的 影 響 。 甚 至 把 整 段 序列 用 相 同 殘 基 構(gòu) 成 的 序 列 所 取 代 ， 生 物 活 性 都 沒(méi)有 明 顯 影 響 。

13、多 意 性n 某 些 相 同 的 氨 基 酸 序 列 還 可 以 在 不 同 條 件 下 決 定 不 同 的 空間 結(jié) 構(gòu) ， 這 種 情 況 可 以 稱(chēng) 之 為 第 二 遺 傳 密 碼 的 多 意 性 。n 例 如 ， Prusiner對(duì) 天 然 型 和 感 染 型 朊 病 毒 (prion)的 研 究 。天 然 型 朊 病 毒 (PrPc)在 正 常 動(dòng) 物 體 內(nèi) 存 在 , 不 導(dǎo) 致 疾 病 , 而感 染 型 的 朊 病 毒 (PrPSC)則 導(dǎo) 致 某 些 神 經(jīng) 性 疾 病 , 并 導(dǎo) 致 天然 型 朊 病 毒 轉(zhuǎn) 變 為 感 染 型 的 朊 病 毒 。 初 步 研 究 表 明

14、天 然 型朊 病 毒 主 要 為 -螺 旋 結(jié) 構(gòu) , 而 感 染 型 的 朊 病 毒 卻 主 要 為 -折 疊 結(jié) 構(gòu) . 全 局 性n 第 二 密 碼 必 須 把 蛋 白 分 子 作 為 一 個(gè) 全 局 來(lái) 考 慮 ， 這就 從 根 本 上 決 定 了 第 二 密 碼 的 復(fù) 雜 性 ， 它 不 可 能 像第 一 密 碼 那 樣 有 簡(jiǎn) 單 的 一 對(duì) 一 的 關(guān) 系 。 某 些 蛋 白 C-末 端 少 數(shù) 氨 基 酸 的 去 除 , 或 側(cè) 鏈 基 團(tuán) 的 翻 譯 后 修 飾 ，有 時(shí) 都 可 以 對(duì) 整 體 構(gòu) 象 和 功 能 產(chǎn) 生 重 大 影 響 。 n 在 新 生 肽 鏈 合 成

15、 過(guò) 程 中 ， 后 形 成 的 肽 段 可 以 影 響已 經(jīng) 形 成 的 肽 段 的 構(gòu) 象 從 而 造 成 對(duì) 分 子 整 體 的 影響 。 以 上 這 些 情 況 可 以 稱(chēng) 之 為 第 二 密 碼 的 全 局 性 ，全 局 性 決 定 了 第 二 密 碼 的 復(fù) 雜 性 。n 第 二 密 碼 的 全 局 性 還 體 現(xiàn) 在 環(huán) 境 對(duì) 分 子 結(jié) 構(gòu) 的 影響 上 ， 水 分 子 對(duì) 于 維 系 蛋 白 質(zhì) 一 定 的 空 間 結(jié) 構(gòu) 有重 要 作 用 。 蛋 白 質(zhì) 折 疊 的 研 究 內(nèi) 容n 破 譯 “ 第 二 遺 傳 密 碼 ” 正 是 “ 蛋 白 質(zhì) 結(jié) 構(gòu) 預(yù) 測(cè) ”從 理

16、 論 上 最 直 接 地 去 解 決 蛋 白 質(zhì) 的 折 疊 問(wèn) 題 ， 這是 蛋 白 質(zhì) 研 究 最 后 幾 個(gè) 尚 未 揭 示 的 奧 秘 之 一 n “ 蛋 白 質(zhì) 結(jié) 構(gòu) 預(yù) 測(cè) ” 屬 于 理 論 方 面 的 熱 力 學(xué) 問(wèn) 題 。 n 蛋 白 質(zhì) 折 疊 第 二 個(gè) 根 本 的 科 學(xué) 問(wèn) 題 是 具 有 完 整 一級(jí) 結(jié) 構(gòu) 的 多 肽 鏈 又 是 如 何 折 疊 成 為 它 特 定 的 高 級(jí)結(jié) 構(gòu) ？n 這 是 一 個(gè) 折 疊 的 動(dòng) 力 學(xué) 的 問(wèn) 題 ， 長(zhǎng) 期 以 來(lái) ， 主 要用 體 外 的 實(shí) 驗(yàn) 方 法 研 究 ， 雖 然 已 有 四 五 十 年 ， 但至 今 尚

17、 未 解 決 。 n 絕 大 多 數(shù) 蛋 白 質(zhì) 從 一 條 伸 展 的 肽 鏈 ， 折 疊 成 有 其特 定 結(jié) 構(gòu) 的 、 有 活 性 的 蛋 白 質(zhì) ， 并 不 是 一 步 完 成的 ， 而 要 經(jīng) 過(guò) 許 多 折 疊 的 中 間 狀 態(tài) 。 細(xì) 胞 內(nèi) 的 蛋 白 質(zhì) 折 疊n 1988年 ， 鄒 承 魯 明 確 指 出 ， 新 合 成 出 來(lái) 的 多 肽 鏈（ 稱(chēng) 為 新 生 肽 ） 在 合 成 過(guò) 程 中 長(zhǎng) 度 不 斷 增 加 ， 并在 延 伸 的 同 時(shí) 進(jìn) 行 著 折 疊 ， 而 不 是 在 合 成 完 成 脫離 核 糖 體 后 再 自 發(fā) 折 疊 成 為 蛋 白 質(zhì) 。 n

18、 在 新 生 肽 成 熟 為 功 能 蛋 白 的 全 過(guò) 程 中 ， 每 一 步 都涉 及 新 生 肽 鏈 的 構(gòu) 象 變 化 、 折 疊 和 調(diào) 整 。 蛋 白 質(zhì) 折 疊 機(jī) 制 的 理 論 模 型n 框 架 模 型 （ Framework Model）n 疏 水 塌 縮 模 型 （ Hydrophobic Collapse Model）n 擴(kuò) 散 -碰 撞 -粘 合 機(jī) 制 （ Diffusion-Collision-Adhesion Model） n 成 核 -凝 聚 -生 長(zhǎng) 模 型 （ Nuclear-Condensation-Growth Model） n 拼 版 模 型 （ J

19、ig-Saw Puzzle Model） 框 架 模 型 （ Framework Model）n P. S. Kim 和 R. L. Baldwin 于 1982 年 提 出 ， 假 設(shè) 蛋 白質(zhì) 的 局 部 構(gòu) 象 依 賴(lài) 于 局 部 的 氨 基 酸 序 列 。 在 多 肽 鏈 折 疊過(guò) 程 的 起 始 階 段 , 先 迅 速 形 成 不 穩(wěn) 定 的 二 級(jí) 結(jié) 構(gòu) 單 元 ； 隨 后 這 些 二 級(jí) 結(jié) 構(gòu) 靠 近 接 觸 , 從 而 形 成 穩(wěn) 定 的 二 級(jí) 結(jié) 構(gòu)框 架 ； 最 后 ， 二 級(jí) 結(jié) 構(gòu) 框 架 相 互 拼 接 ， 肽 鏈 逐 漸 緊 縮 ，形 成 了 蛋 白 質(zhì) 的

20、三 級(jí) 結(jié) 構(gòu) 。 這 個(gè) 模 型 認(rèn) 為 即 使 是 一 個(gè) 小分 子 的 蛋 白 也 可 以 一 部 分 一 部 分 的 進(jìn) 行 折 疊 , 其 間 形 成的 亞 結(jié) 構(gòu) 域 是 折 疊 中 間 體 的 重 要 結(jié) 構(gòu) 。 疏 水 塌 縮 模 型 （ Hydrophobic Collapse Model）n 該 模 型 中 ， 疏 水 作 用 力 在 蛋 白 質(zhì) 折 疊 過(guò) 程 中起 決 定 性 作 用 。 疏 水 片 段 首 先 聚 集 在 一 起 ，然 后 進(jìn) 一 步 聚 集 長(zhǎng) 大 ， 形 成 蛋 白 中 間 體 ， 進(jìn)而 形 成 高 級(jí) 結(jié) 構(gòu) 擴(kuò) 散 -碰 撞 -粘 合 機(jī) 制

21、（ Diffusion-Collision-Adhesion Model）n 該 模 型 認(rèn) 為 蛋 白 質(zhì) 的 折 疊 起 始 于 伸 展 肽 鏈 上 的 幾 個(gè)位 點(diǎn) ， 在 這 些 位 點(diǎn) 上 生 成 不 穩(wěn) 定 的 二 級(jí) 結(jié) 構(gòu) 單 元 或者 疏 水 簇 ， 主 要 依 靠 局 部 序 列 的 3-4個(gè) 殘 基 間 的 相 互作 用 來(lái) 維 系 。 它 們 以 非 特 異 性 布 朗 運(yùn) 動(dòng) 的 方 式 擴(kuò) 散 、碰 撞 、 相 互 黏 附 ， 導(dǎo) 致 大 的 結(jié) 構(gòu) 生 成 并 因 此 而 增 加了 穩(wěn) 定 性 。 進(jìn) 一 步 的 碰 撞 形 成 具 有 疏 水 核 心 和 二 級(jí)

22、結(jié) 構(gòu) 的 類(lèi) 熔 球 態(tài) 中 間 體 的 球 狀 結(jié) 構(gòu) 。 球 形 中 間 體 調(diào)整 為 致 密 的 、 無(wú) 活 性 的 類(lèi) 似 天 然 結(jié) 構(gòu) 的 高 度 有 序 熔球 態(tài) 結(jié) 構(gòu) 。 最 后 無(wú) 活 性 的 高 度 有 序 熔 球 態(tài) 轉(zhuǎn) 變 為 完整 的 有 活 力 的 天 然 態(tài) 。 成 核 -凝 聚 -生 長(zhǎng) 模 型 （ Nuclear-Condensation-Growth Model）n 肽 鏈 中 的 某 一 區(qū) 域 可 以 形 成 “ 折 疊 晶 核 ” ， 以 它們 為 核 心 ， 整 個(gè) 肽 鏈 繼 續(xù) 折 疊 進(jìn) 而 獲 得 天 然 構(gòu) 象 。所 謂 “ 晶 核 ”

23、 實(shí) 際 上 是 由 一 些 特 殊 的 氨 基 酸 殘 基形 成 的 類(lèi) 似 于 天 然 態(tài) 相 互 作 用 的 網(wǎng) 絡(luò) 結(jié) 構(gòu) ， 這 些殘 基 間 不 是 以 非 特 異 的 疏 水 作 用 維 系 的 ， 而 是 由特 異 的 相 互 作 用 使 這 些 殘 基 形 成 了 緊 密 堆 積 。 晶核 的 形 成 是 折 疊 起 始 階 段 限 速 步 驟 。 拼 版 模 型 （ Jig-Saw Puzzle Model）n 此 模 型 的 中 心 思 想 就 是 多 肽 鏈 可 以 沿 多 條 不 同 的途 徑 進(jìn) 行 折 疊 ， 在 沿 每 條 途 徑 折 疊 的 過(guò) 程 中 都 是

24、天 然 結(jié) 構(gòu) 越 來(lái) 越 多 ， 最 終 都 能 形 成 天 然 構(gòu) 象 。n 折 疊 速 度 快n 影 響 小 幫 助 新 生 肽 折 疊 的 蛋 白 （ 輔 助 蛋 白 ）n 分 子 伴 侶n 折 疊 酶n 分 子 內(nèi) 伴 侶 分 子 伴 侶 -蛋 白 質(zhì) 的 保 姆 n 分 子 伴 侶 ： (Chaperone或 molecular chaperone,也 可 譯 為 侶 伴 蛋 白 )，是細(xì)胞內(nèi)的一類(lèi)保守蛋白質(zhì)，可識(shí)別肽鏈的非天然構(gòu)象，促進(jìn)各功能域和整體蛋白質(zhì)的正確折疊。 主 要 類(lèi) 型 1.熱 休 克 蛋 白 (heat shock protein, H SP) H SP70、 H

25、 SP40和 G reE族 等 2.伴 侶 素 (chaperonins) G roEL和 G roES家 族 熱 休 克 蛋 白 促 進(jìn) 蛋 白 質(zhì) 折 疊 的 基 本 作 用 結(jié)合 保 護(hù) 待 折 疊 多 肽 片 段 ， 再 釋 放 該 片 段 進(jìn) 行 折 疊 。 形成 H SP70和 多 肽 片 段 依 次 結(jié) 合 、 解 離 的 循 環(huán) 。 HSP40結(jié) 合 待 折疊 多 肽 片 段 HSP70-ATP復(fù) 合 物 HSP40- HSP70-ADP-多 肽 復(fù) 合 物 ATP水 解G rpE ATPADP復(fù) 合 物 解 離 ， 釋 出 多 肽 鏈 片 段 進(jìn) 行 正 確 折 疊 伴 侶

26、素 G roEL/G roES系 統(tǒng) 促 進(jìn) 蛋 白 質(zhì) 折 疊 過(guò) 程 伴 侶 素 的 主 要 作 用 為 非 自 發(fā) 性 折 疊 蛋 白 質(zhì) 提 供 能 折 疊 形 成 天然 空 間 構(gòu) 象 的 微 環(huán) 境 。 折 疊 酶n 蛋 白 質(zhì) 多 膚 鏈 的 折 疊 過(guò) 程 中 ， 還 需 要 酶 的 催 化 ，稱(chēng) 之 為 折 疊 酶 。 它 們 催 化 與 蛋 白 質(zhì) 折 疊 直 接 有 關(guān)的 、 對(duì) 形 成 功 能 構(gòu) 象 所 必 需 的 共 價(jià) 鍵 變 化 ， 幫 助蛋 白 質(zhì) 正 確 折 疊 。 折 疊 酶 類(lèi) 型n (1) 蛋 白 質(zhì) 二 硫 鍵 異 構(gòu) 酶 PDI (Protein

27、disulfide isomerase)n (2) 肽 基 脯 氨 酰 順 反 異 構(gòu) 酶 PPI (Peptidyl prolyl cis/trans isomerase) 蛋 白 二 硫 鍵 異 構(gòu) 酶 (PDI) 真 核 生 物 的 PDI在 內(nèi) 質(zhì) 網(wǎng) 腔 活 性 很 高 ， 細(xì) 菌 中 的 類(lèi) 似 物 是Dsb家 族 ， 位 于 細(xì) 菌 外 周 質(zhì) (periplasm)， 在 肽 鏈 中 催 化 錯(cuò)配 二 硫 鍵 斷 裂 并 形 成 正 確 二 硫 鍵 連 接 ， 最 終 使 蛋 白 質(zhì) 形 成熱 力 學(xué) 最 穩(wěn) 定 的 天 然 構(gòu) 象 。 通 過(guò) 催 化 巰 基 與 二 硫 鍵

28、的 交 換反 應(yīng) ， 從 而 催 化 蛋 白 質(zhì) 二 硫 鍵 的 形 成 、 還 原 （ 斷 裂 ） 或 重排 （ 異 構(gòu) 化 ） 。 在 蛋 白 質(zhì) 折 疊 過(guò) 程 中 ， 主 要 催 化 含 有 二 硫鍵 的 膜 蛋 白 或 分 泌 蛋 白 的 正 確 折 疊 。 肽基脯氨酰順?lè)串悩?gòu)酶 (PPI) PPI廣 泛 分 布 于 各 種 生 物 體 及 各 種 組 織 中 ， 多 數(shù) 定 位 于 胞漿 ， 但 也 存 在 于 大 腸 桿 菌 的 外 周 質(zhì) 、 紅 色 面 包 霉 的 線(xiàn) 粒體 基 質(zhì) 、 酵 母 、 果 蠅 和 哺 乳 動(dòng) 物 的 內(nèi) 質(zhì) 網(wǎng) 。 肽基脯氨酰順?lè)串悩?gòu)酶是蛋白質(zhì)三

29、維構(gòu)象形成的限速酶，在 細(xì) 胞 中通 過(guò) 非 共 價(jià) 鍵 方 式 ， 穩(wěn) 定 扭 曲 的 酰 胺 過(guò) 度 態(tài) ， 而 催 化 肽基 脯 氨 酰 順 反 式 的 相 互 轉(zhuǎn) 變 。在肽鏈合成后需形成順式構(gòu)型時(shí)，可使多肽在各脯氨酸彎折處形成準(zhǔn)確折疊。 n PDI和 PPI不 僅 可 以 起 到 折 疊 酶 的 催 化 作 用 ，而 且 具 有 防 止 折 疊 中 間 體 聚 集 的 類(lèi) 似 分 子 伴 侶的 功 能 。n 王 志 珍 等 最 早 提 出 PDI是 分 子 伴 侶 的 假 說(shuō) 并 驗(yàn)證 了 PDI的 這 一 功 能 分 子 內(nèi) 伴 侶 (intramolecular chaperon

30、es)n 1987年 ， Ikemura發(fā) 現(xiàn) 枯 草 桿 菌 素 (subtilisin)的 折疊 需 要 前 肽 (propeptide)的 幫 助 。 這 類(lèi) 前 肽 常 位 于信 號(hào) 肽 與 成 熟 多 肽 之 間 ， 在 蛋 白 質(zhì) 合 成 過(guò) 程 中 與其 介 導(dǎo) 的 蛋 白 質(zhì) 多 肽 鏈 是 一 前 一 后 合 成 的 ， 并 以共 價(jià) 鍵 相 連 接 ， 是 成 熟 多 肽 正 確 折 疊 所 必 需 的 ，成 熟 多 肽 完 成 折 疊 后 即 通 過(guò) 水 解 作 用 與 前 肽 脫 離 。Shinde和 Inouye將 這 類(lèi) 前 肽 稱(chēng) 為 分 子 內(nèi) 伴 侶 。 蛋

31、白 質(zhì) 折 疊 病 （ fold disease)n 蛋 白 質(zhì) 分 子 的 氨 基 酸 序 列 沒(méi) 有 改 變 ， 即 一 級(jí)結(jié) 構(gòu) 正 常 ， 只 是 其 二 級(jí) 結(jié) 構(gòu) 、 乃 至 立 體 結(jié) 構(gòu)（ 構(gòu) 象 ） 異 常 也 可 導(dǎo) 致 疾 病 ， 這 類(lèi) 疾 病 稱(chēng) 為“ 構(gòu) 象 病 ” ， 或 稱(chēng) “ 折 疊 病 ” 從 本 質(zhì) 上 講分 子 伴 侶 突 變 引 起 的 疾 病蛋 白 折 疊 、 轉(zhuǎn) 運(yùn) 異 常 引 起 的 疾 病 從 機(jī) 制 上 講質(zhì) 量 控 制 系 統(tǒng) 滯 留 （ retaining）折 疊 異 常 質(zhì) 量 控 制 系 統(tǒng) -滯 留 許 多 編 碼 基 因 的 細(xì)

32、微 突 變 如 點(diǎn) 突 變 或 個(gè) 別 氨 基酸 的 缺 失 ， 編 碼 蛋 白 還 具 有 絕 大 部 分 生 物 活 性 ， 只是 出 現(xiàn) 蛋 白 產(chǎn) 物 極 細(xì) 微 的 折 疊 異 常 ， 卻 可 導(dǎo) 致 疾 病的 發(fā) 生 。 部 分 原 因 是 “ 質(zhì) 控 系 統(tǒng) ” 在 發(fā) 揮 作 用 ： 蛋白 產(chǎn) 物 極 細(xì) 微 的 折 疊 異 常 ， 雖 然 對(duì) 活 性 影 響 不 大 ，卻 可 以 被 分 子 伴 侶 等 識(shí) 別 而 滯 留 在 內(nèi) 質(zhì) 網(wǎng) ， 不 能 實(shí)現(xiàn) 正 常 的 轉(zhuǎn) 位 、 轉(zhuǎn) 運(yùn) 或 分 泌 ， 從 而 不 能 到 達(dá) 生 理 位置 執(zhí) 行 正 常 的 功 能 ， 導(dǎo)

33、 致 疾 病 發(fā) 生 。 典 型 例 子 ： 1 抗 胰 蛋 白 酶 缺 陷 病1抗 胰 蛋 白 酶 發(fā) 生 突 變 時(shí) ， 僅 有 15% 的 蛋 白 質(zhì) 分泌 出 來(lái) ， 其 余 全 部 滯 留 在 內(nèi) 質(zhì) 網(wǎng) （ ER） 中 。 這 種滯 留 的 原 因 部 分 是 由 ER 的 分 子 伴 侶 calnexin 介導(dǎo) 了 折 疊 異 常 的 突 變 蛋 白 的 聚 集 。 而 異 常 產(chǎn) 物 的聚 集 大 大 妨 礙 了 細(xì) 胞 的 正 常 活 動(dòng) ， 導(dǎo) 致 肝 硬 化（ cirrhosis） 或 肺 氣 腫 （ emphysema） 的 發(fā) 生 。 當(dāng) 然 ， 并 不 是 所 有

34、的 蛋 白 折 疊 異 常 都 導(dǎo) 致定 位 異 常 。 有 些 蛋 白 質(zhì) 錯(cuò) 誤 折 疊 后 相 互 聚 集 ，常 形 成 抗 蛋 白 水 解 酶 的 淀 粉 樣 纖 維 沉 淀 ， 產(chǎn) 生毒 性 而 致 病 ， 表 現(xiàn) 為 蛋 白 質(zhì) 淀 粉 樣 纖 維 沉 淀 的病 理 改 變 。這 類(lèi) 疾 病 包 括 ： 人 紋 狀 體 脊 髓 變 性 ?。?Creutzfeldt-Jakob disease, CJD） 、 老 年 癡呆 癥 （ Alzheimers） 、 亨 停 頓 舞 蹈 病(Huntingtons disease, HD)、 瘋 牛 病 等 等 。 瘋 牛 病n 牛 海 綿

35、狀 腦 病 (bovine spongiform encephalopathy, BSE): 俗 稱(chēng) 瘋 牛 病 (mad cow disease) :1986年 首 次 在 英 國(guó) 報(bào) 道 。 該 病潛 伏 期 4 5年 ， 發(fā) 病 初 期 表 現(xiàn) 為 體 質(zhì) 變 差 ， 體重 減 輕 ， 產(chǎn) 奶 量 下 降 等 非 特 異 性 癥 狀 。 隨 后 神經(jīng) 系 統(tǒng) 癥 狀 逐 步 明 顯 ， 出 現(xiàn) 小 腦 共 濟(jì) 失 調(diào) 、 震顫 等 ， 由 于 病 牛 常 表 現(xiàn) 出 感 覺(jué) 過(guò) 敏 、 恐 懼 甚 至狂 亂 ， 因 此 俗 稱(chēng) “ 瘋 牛 病 ” 。 瘋 牛 病 中 的 蛋 白 質(zhì) 構(gòu)

36、象 改 變瘋 牛 病 是 由 朊 病 毒 蛋 白 (prion protein, PrP)引起 的 一 組 人 和 動(dòng) 物 神 經(jīng) 退 行 性 病 變 。正 常 的 PrP富 含 -螺 旋 ， 稱(chēng) 為 PrPc。PrPc在 某 種 未 知 蛋 白 質(zhì) 的 作 用 下 可 轉(zhuǎn) 變 為 -折 疊 的 PrPsc， 從 而 致 病 。PrPc -螺 旋 PrPsc -折 疊正 常 瘋 牛 病 研 究 蛋 白 質(zhì) 折 疊 的 意 義n 蛋 白 質(zhì) 折 疊 機(jī) 制 的 闡 明 將 揭 示 生 命 體 內(nèi) 的第 二 套 遺 傳 密 碼 ， 這 是 它 的 理 論 意 義 。 n 蛋 白 質(zhì) 高 級(jí) 結(jié) 構(gòu)

37、 的 預(yù) 測(cè) 蛋 白 質(zhì) 折 疊 研 究 的 潛 在 應(yīng) 用 前 景 n 折 疊 機(jī) 制 的 闡 明 對(duì) 包 涵 體 的 復(fù) 性 會(huì) 有 重 要 幫助 。n 按 照 自 己 意 愿 設(shè) 計(jì) 我 們 需 要 的 、 具 有 特 定 功能 的 蛋 白 質(zhì) 。 蛋 白 質(zhì) 折 疊 研 究 的 潛 在 應(yīng) 用 前 景n 深 入 了 解 蛋 白 質(zhì) 折 疊 與 錯(cuò) 誤 折 疊 的 關(guān) 系 對(duì) 于 某 些疾 病 的 致 病 機(jī) 制 的 闡 明 以 及 治 療 方 法 的 尋 找 將 大有 幫 助 。 n 基 因 組 序 列 的 發(fā) 展 使 我 們 得 到 了 大 量 的 蛋 白 質(zhì) 序列 ， 結(jié) 構(gòu) 信

38、息 的 獲 得 對(duì) 于 揭 示 它 們 的 生 物 學(xué) 功 能是 十 分 重 要 的 。 n 已 知 某 相 對(duì) 分 子 質(zhì) 量 為 240000的 蛋 白 質(zhì) 多 肽 鏈的 一 些 節(jié) 段 是 螺 旋 ， 另 一 些 節(jié) 段 是 折 疊 ，其 分 子 長(zhǎng) 度 為 5.06 10-5cm,求 分 子 中 螺 旋和 折 疊 的 百 分 率 （ 2003年 西 南 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 考 研題 ） 有 一 長(zhǎng) 鏈 多 肽 ， 其 側(cè) 鏈 上 有 30個(gè) 羧 基（ pKa=4.3） ， 10個(gè) 咪 唑 基 （ pKa=7.0） ， 15個(gè)-氨 基 （ pKa=10） ,設(shè) C-末 端 -羧 基 的 pKa=3.5，N-末 端 -氨 基 的 pKa=9.5， 計(jì) 算 此 多 肽 的 等 電點(diǎn) 。 （ 2002年 中 國(guó) 科 技 大 學(xué) 考 研 題 ）