蛋白质折叠：从线性链到功能结构的转变

蛋白质折叠：从线性链到功能结构的转变

蛋白质折叠是生物化学领域的一个核心概念，它描述了蛋白质从线性氨基酸链到其功能性的三维结构的转变过程。这一过程不仅决定了蛋白质的结构，还直接影响其功能。本文将详细介绍蛋白质折叠的定义、过程、结构层次、驱动力以及研究蛋白质折叠的实验技术。

蛋白质折叠

蛋白质折叠是一个物理过程，通过该过程，蛋白质链获得其天然的三维结构，这种结构通常与其生物功能相关。这是一个快速且可重复的过程，其中多肽链从一个随机的线圈状态折叠成其特征性的、具有功能的三维结构。

当蛋白质从mRNA序列翻译成氨基酸的线性链时，它最初以未折叠的多肽或无规卷曲的形式存在，缺乏稳定的三维结构。随着多肽链在核糖体上的合成，折叠过程就开始了，甚至在翻译过程中就已经开始。氨基酸之间的相互作用最终形成了清晰的三维结构，即折叠的蛋白质，也称为天然状态。

蛋白质的最终三维结构完全由其氨基酸序列（一级结构）决定，这被称为Anfinsen信条。正确的三维结构对于蛋白质的功能至关重要，尽管某些蛋白质的部分区域可以保持展开状态。无法正确折叠的蛋白质通常会失去功能，而在某些情况下，错误折叠的蛋白质可能会获得新的、有时是有毒的功能。例如，神经退行性疾病和其他疾病往往与错误折叠的蛋白质形成的淀粉样蛋白原纤维的积累有关。许多过敏反应也是由于蛋白质折叠异常导致的，因为免疫系统可能无法识别这些异常结构。

蛋白质的变性是从折叠状态到未折叠状态的转变过程，这在烹饪、烧伤、蛋白病等情况下经常发生。

折叠过程所需的时间因蛋白质而异。在细胞外研究中，最慢的折叠蛋白可能需要数分钟或数小时才能完成折叠，这主要由于脯氨酸异构化，且在完成之前需要经过多个中间状态。相比之下，长度不超过一百个氨基酸的非常小的单结构域蛋白通常可以在一个步骤中完成折叠，毫秒级的时间尺度是常态，最快的已知蛋白质折叠反应甚至可以在几微秒内完成。

蛋白质折叠的过程

主要结构

蛋白质的主要结构及其线性氨基酸序列决定了其天然构象。特定氨基酸残基及其在多肽链中的位置是决定因素，蛋白质的某些部分紧密折叠在一起并形成其三维构象。氨基酸组成不如序列重要。然而，折叠的基本事实仍然是，每种蛋白质的氨基酸序列都包含指定天然结构和达到该状态的途径的信息。这并不是说几乎相同的氨基酸序列总是相似地折叠。构形也因环境因素而异。相似的蛋白质会根据发现的位置折叠不同。

二级结构

二级结构的形成是蛋白质呈现其天然结构所需要的折叠过程的第一步。二级结构的特征是被称为α螺旋和β折叠的结构，由于它们被分子内的氢键所稳定，因此折叠迅速，如Linus Pauling首次表征的。分子内氢键的形成为蛋白质稳定性提供了另一个重要的贡献。α螺旋是通过骨架的氢键结合形成螺旋形。β折叠片是一种骨架，骨架在其自身上方弯曲以形成氢键的形式。氢键在肽键的酰胺氢和羰基氧之间。存在反平行β折叠的片和平行β折叠的片，其中与平行片形成的倾斜的氢键相比，反平行β片中的氢键的稳定性更强，因为它具有理想的180度角的氢键。

三级结构

α螺旋和β折叠的薄片本质上可以是两亲的，或者包含亲水部分和疏水部分。二级结构的这种特性有助于蛋白质的三级结构，在该结构中会发生折叠，从而使亲水侧面向蛋白质周围的水性环境，而疏水侧面向蛋白质的疏水核心。二级结构在层次结构上让位于三级结构的形成。一旦蛋白质的三级结构通过疏水相互作用形成并稳定下来，两个半胱氨酸之间就可能形成二硫键形式的共价键残留物。蛋白质的三级结构涉及一条多肽链；然而，折叠的多肽链的其他相互作用导致四级结构的形成。

四元结构

三级结构可能会让位给某些蛋白质中的四级结构，这通常涉及已经折叠的亚基的“组装”或“共组装”。换句话说，多个多肽链可以相互作用形成功能完整的季蛋白。

蛋白质折叠的驱动力

折叠是一种自发过程，主要由疏水相互作用，分子内氢键的形成，范德华力引导，并且与构象熵相反。折叠的过程通常始于共翻译，使N末端的蛋白质的开始而折叠C-末端的蛋白质的部分仍然被合成由核糖体; 但是，蛋白质分子在生物合成过程中或之后可能会自发折叠。这些大分子可能被视为“自身折叠”，其过程还取决于溶剂（水或脂质双层）、盐的浓度、pH、温度、辅因子和分子伴侣的可能存在。

蛋白质的折叠能力会受到可能受限的弯曲角度或构象的限制。这些蛋白质折叠的允许角度用称为Ramachandran图的二维图进行描述，并以psi和phi允许旋转角度进行描述。

研究蛋白质折叠的实验技术

尽管可以通过突变研究得出有关蛋白质折叠的推论，但通常，用于研究蛋白质折叠的实验技术依赖于蛋白质的逐渐展开或折叠以及使用标准的非晶体学技术观察构象变化。

X射线晶体学

X射线晶体学是试图破译折叠蛋白质的三维构型的更有效和重要的方法之一。为了能够进行X射线晶体学分析，所研究的蛋白质必须位于晶格内。为了将蛋白质放入晶格中，必须有一种合适的结晶溶剂，在溶液中获得过饱和水平的纯蛋白质，并在溶液中沉淀出晶体。一旦蛋白质结晶，X射线束就可以通过晶格集中，这将使束衍射或向各个方向向外发射。这些射出的光束与封闭在其中的蛋白质的特定三维构型相关。X射线与周围蛋白质晶体晶格中各个原子周围的电子云相互作用，并产生可辨别的衍射图。只有通过将电子密度云与X射线的幅度相关联，才能读取此模式，并得出有关使该方法复杂化的相位或相角的假设。没有通过称为傅立叶变换的数学基础建立的关系因此，“相位问题”将使预测衍射图非常困难。诸如多重同构置换之类的新兴方法利用重金属离子的存在将X射线衍射成更可预测的方式，从而减少了涉及的变量数量并解决了相位问题。

荧光光谱法

荧光光谱法是研究蛋白质折叠状态的高度灵敏的方法。苯丙氨酸（Phe）、酪氨酸（Tyr）和色氨酸（Trp）这三种氨基酸具有固有的荧光特性，但由于它们的量子产率，实验上仅使用Tyr和Trp足够高以提供良好的荧光信号。Trp和Tyr都被280 nm波长激发，而只有Trp被295 nm波长激发。由于它们的芳香特性，经常发现Trp和Tyr残基完全或部分掩埋在蛋白质的疏水核中，两个蛋白质结构域之间的界面或寡聚蛋白质的亚基之间的界面。在这种非极性环境中，它们具有很高的量子产率，因此具有很高的荧光强度。一旦破坏蛋白质的三级或四级结构，这些侧链就会更暴露于溶剂的亲水环境中，并且其量子产率降低，从而导致荧光强度降低。对于Trp残基，其最大荧光发射波长也取决于其环境。

通过测量荧光发射强度或最大发射波长随变性值的变化，荧光光谱法可用于表征蛋白质的平衡展开。变性剂可以是化学分子（尿素、盐酸胍）、温度、pH、压力等。不同但不连续的蛋白质状态（即天然状态、中间状态、未折叠状态）之间的平衡取决于变性剂值。因此，它们的平衡混合物的整体荧光信号也取决于该值。这样就获得了一种将总蛋白信号与变性值相关的曲线。平衡展开的概况可以使人们能够检测和识别展开的中间体。Hugues Bedouelle已开发出通用方程式，以从这些轮廓中获得表征同聚或异聚蛋白，直至三聚体和可能的四聚体的展开平衡的热力学参数。荧光光谱可以与快速混合设备组合使用，以测量蛋白质折叠动力学，生成人字形图并进行Phi值分析。