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蛋白质折叠动力学参数预测研究 摘要 在生物信息学中，序列、结构和功能是蛋白质研究的三大信息源。序列与结构之间 的关系构成了蛋白质折叠问题。蛋白质折叠动力学参数的预测是蛋白质折叠问题中极具 挑战性的研究课题。 蛋白质折叠速率与序列预测的二级结构之间的显著相关性意味着折叠速率在很大 程度上取决于氨基酸序列。我们提出了一种利用氨基酸的性质从序列预测蛋白质折叠速 率的方法，它不需要任何二级结构预测和结构拓扑的信息。残基对折叠速率的贡献用残 基的q 值表示。对于一个给定的残基，n 依赖于氨基酸的性质( 氨基酸柔性和氨基酸对 二级结构的倾向性) 。我们的研究对最新双态蛋白质实验测定的折叠速率的相关性达到 了8 2 ，这意味着蛋白质的氨基酸序列是决定折叠速率和机理的重要因素。 我们通过引入“折叠排斥势能”的概念构建了一种蛋白质折叠模型。即，假设蛋白 质内的氨基酸残基之间存在着一种排斥力，它阻碍着蛋白质氨基酸序列中相隔较远的任 意两个残基彼此靠拢到一个接触点。排斥势能越大，折叠能垒就越高，折叠速率就越慢。 仿照分子间相互作用的l e a r d - j o n e s 模型和m o r s c 模型来分别计算这种折叠势垒。对 双态蛋白质、多态蛋白质和短肽进行计算的结果表明，“折叠排斥势能”与去折叠速率 常数和活化自由能之间具有强相关性( 相关系数高于0 8 0 ) 。这意味着蛋白质结构中接触 着的残基是影响折叠动力学的主要因素。 拉氏构象图形象地标示出了蛋白质两面角中和p 的立体化学允许值。在拉氏构象 图中，我们不考虑具体的二级结构分布，只计算所有( 谚p ) 到( 0 ，0 ) 之间的总距离。 进而。分析了总距离与折叠速率常数、去折叠速率常数和活化自由能的相关性( 相关系 数也高于o 8 0 ) 。 关键词：蛋白质折叠，折叠动力学参数的预测，氨基酸序列，折叠排斥势能，折叠 速率，去折叠速率，活化自由能，两面角 中图分类号：q 6 l ；q 5 l p r e d i c t i o o fl 【i n e t i cp a r a m e t e r sf o rp r o t e i nf o l d i n g a b s t r a c t t h e r ea 豫t i l r c em a i ni n f o 姗a t i o ns o u r c e so fb j o i n f 0 咖a t i c s ：s e q u e n c e ，s 仉l c n l r e 粕d f i l n c t i o n n d t e i nf o l d i i l gp m b l c mf b c u s e so nt l l em l a t i o n s h i pb c t 、v 啪t l l e q u 佃c e 柚dt i l e s n c t u r e i ，r e d i c t i o no f p r o t e i i l - f o l d i n gb n c t i cp i 舯e t e r si sa c h a i l e n g ei n 廿i ep r o t e i nf o l d i n g p r o b l e i n t h es i g n m c 锄tc o r r e l a t i o nb e 似，a mp r o t e i n f o i d i n gr a t e s 锄dm es e q u e n c e - p m d i c t e d s e c o n d a r ys t n l c t i i r es u 黯e s t st l l a tf o l d i n gm t e sa 糟i a f g e l yd e t e 珊i n e db yt l l ea m i n o i d s e q u e n c e h e 化，w ep 他n tam c t h o df o rp 咒d i c t i i i g 也ef o l d i n g 瑚主e so fp r o t e i n sf b m s e q u e n c e su s i n gt l l e m 订i l i s i cp r o p e r t i e so f 锄i t l o i d s ，w h i c hd o e sn o tr e q u i 锄y i n f o m a t i o no n c o n d a l ys 仉l c t i l p r c d i c t i o na n d u c t i i l 训t o p o l o g y 1 1 b ec o f 州b u t i o no f r c s i d u et ot i l ef o l d i n gr a t ei se x p 他s db yt h e 他s i d u e snv a l f 0 rag i v 曲m s i d u e ，i 乜q d e p e n d so nt 1 1 e 锄i i i o i dp r o p e r t i e s ( 蛐i n o i dn e x i b i l i t y 锄dp 糟f e r e n c eo f 廿l e 锄i n o i d f o rs c c o n d a r y 曲m c t i i s ) o u ri r e s t i g a t i o na c h i e v e s8 2 c o r m i a t i o nw i mf o l d i n gm l c s d e t e m l i n e de x p e r i m e n t a l i y 白rs 妇p l e ，胁s t a t ep r o t e i n ss t i l d i e db yn o w ，s u g g e s t i i l gt i i a tt i l e a m i n oa c i ds e q u e n c eo fap r o t e i i li s 蚰i m p o r t a n td e t e m i n 如to f 也ep r o t e i n f o l d m gr 砒e 粕d m e c h 柚i s m w eb u i l dam o d e lo fp r o t e i i if o l d i n gb yi n 打o d u c i i l g 他c o n c 印to f 一c a l l e d “f o l d i n g r c p u l s i v ep o t e n t i a l ”n 锄e l y 、v c 嬲s 啪et l l a t 廿l e 他i st 1 1 e 心p u l s i v ef b r b e c w e e n 姗i n o i d r c s i d u ep a i r si nt l l ep m t e i l lm o l u l e ，w h i c ht l l i sf b r c ep c v c n t sm e 明y “，or c s i d u e s ，w h i c h o c c u r 伽印a r ti nm e 锄i n o i d q u e n c eo f t h ep r 0 把i l l ，c o m et o g e t l l e ri nac o n t a c t a s 廿l e r e p u l s i v ep o t e n t i a li si n c r 髓s e dt l l em t eo ff o l d i n gi sm l l c hs l o w 盯b e c 跚t l l ef o i d i n gb a r r i e r i si n c r e 站e d n 博p o t e n t i “i sc a l c u l a t e db y 也el 锄l a r d j o n e s 玎k ea n dm o r 辩1 i k ef o r m u l 髂， r c s p e c t i v e l y f o rt w o - s t a t ep r o t c m s ，m u l t i s t a _ t cp r o t c i n s 舭ds b o np e p t i d e ，t l l er c s u l t ss h o w m a tt l l e ma r es n _ 0 n gc o n l a t i o n sb e t w e e nt t l ep o t e n t i a l 粕du n f o l d i l l gr a t ea sw e ua sg i b b s f h ee n e r g yo f t i v a t i o n ( c o r m l a t i o nc o e f f i c i 朋t sa mm o mt l l a no 8 0 ) ，s u g g e s t i n gt l l a t i n t e r - r e s i d u ei i l t e m c t i o ni s 锄i m p ( 1 咖l td e t e 加i i l 柚to f k i l l e t i cp 砌e t e 幅o f p r o t e i nf o l d i n g r 锄a c h a n d 珊p l o th e l p st ov i s u a i 注et l l es t e r e o c h e m i s 臼y 岬i s s i b l ev a l u eo fp m t e i n d i l l e d m la n g l e 口粕d 舅i nr a m a c h a n d i 锄p l o t ，w ec o n s i d e rt h es 吼o f d i s t a n c e sb e t w e 啦t l l e p o i n t ( 谚p ) a n dt h ep o i n t ( 0 ，0 ) 柚d 廿l ed i s 晡b u t i o no f s e c o n d a 科s h u c t l l r ei si g n o 刚t h e n ， t h ec o r l a t i o nb e t w e e nt h et 0 诅ld i s t 锄c e 锄dt 量l em t ec o n s 诅n to f 岛l d i n g ，u n f o l d i i i go rg i b b s 舭ee n e r g yo f a c t i v a t i o ni s 舳a l y 缱d ( c o r f _ e l a t i o nc 伍c i 锄t sa a l s om o t h 觚o 8 0 ) k e y w o r d s ：i ，r o t e i nf o l d i n g ，p r c d i c t i o no ff o l d i n g “n c t i cp a r 锄e t e r s ，锄i n oa c i ds e q u 锄c e ， f o l d i n gm p u l s i v ep o t e n t i a i ，f o l d i n g 馏把，吼f o l d m gr a t e ，g i b b s 疗e n e r g yo f a c t i v a t i o n 第一章引言 c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 生物学在2 0 世纪取得了惊人瞩目的进展，数理科学广泛而又深刻地渗入了生物学， 全面改变了现代生物学的面貌。当前人类基因组计划u m 趾g e n o m ep j 毗h g p ) 中 的人类d n a 全序列的测定已经完成，下一步就是要了解所有这些基因的功能是什么，以 及它们是怎样发挥这些功能的“。于是人们关注的焦点开始转向蛋白质和蛋白质组学 ( p r o t e o m i c s ) 睁。7 j 。蛋白质组学是通过在蛋白质水平上对细胞或机体基因表达的整体蛋白 质的定量研究，来揭示生命的过程和解释基因表达控制的机制。 目前有关蛋白质科学的研究主要围绕着以下几个方面展开：蛋白质折叠 纠4 】、蛋白 质结构的测定和预测【15 。1 9 】、蛋白质结构与功能的关系犯”。其中关于蛋白质折叠的研究 是目前最为活跃的领域之一。蛋白质折叠问题是中心法则中至今尚未解决的难题，是生 物学中在2 l 世纪有待解决的一个重大问题。 1 1 蛋白质结构 天然蛋白质均具有独特而稳定的构象，蛋白质的空间结构是体现生物功能的基础。 构象是指分子内各原子或基团之间的立体关系。构象的改变是由于单键的旋转而产生 的，并不需要有共价键的变化。随着人们对蛋白质分子结构的知识的积累，构象的层次 又增加了新的内容，如蛋白质的四级结构，在二级结构和三级结构之间又增加了超二级 结构和结构域。 蛋白质是含有一个或几个多肽链的生物组装体，氨基酸残基首尾相连，通过肽键形 成多肽链。蛋白质的结构一共分四级： ( 1 ) 一级结构( p r i m a r ys n w t i l 哟指组成多肽链的线性氨基酸序列。一级结构是蛋 白质分子结构的基础，包含着结构的全部信息，影响着蛋白质分予构象的所有层次。蛋 白质的共价键结构包括肽链的数目、端基的组成、氨基酸捧列顺序和二硫键的位置等， 它是全部原子和连接它们价键的特性。 1 9 6 9 年，国际纯粹和应用化学协会( i u p a c ) 规定，一级结构专指氨基酸排列顺序， 以此与共价键结构有所区别。第一个被测定一级结构的蛋白质是牛胰岛素( 总共只有5 1 个氨基酸和2 条肽链) ，它是由s 姐g e r 耗时8 年于1 9 5 5 年完成的。1 9 6 7 年发现了3 个 核苷酸决定一个氨基酸的三联体遗传密码删p l e tg e n e t i cc o d e ) ，这样不但解决了核酸和 蛋白质之间的信息传递关系，而且为通过测定核酸序歹i 来测定蛋白质的一级结构打下了 基础。1 9 6 6 年美国全国生物医学研究基金会州b i ) 的d a y h o f r 发表了由她编辑的第 一个蛋白质序列核结构集。自1 9 6 7 年e d m 蛆等人发明蛋白质序列自动分析法以来， 蛋白质序列测定的速度大大加快。1 9 9 3 年l o 月s w i s s - p r o t 第2 7 版就已经收集了 3 33 2 9 个序列。目前已知氨基酸序列的蛋白质分子己超过1 0 00 0 0 个。 ( 2 ) 二级结构( s e c o n d a 呵s 蛐c t u r e ) 一条肽链中，除侧链r 以外的部分称为肽链的 主链骨架。蛋白质的二级结构指多肽的主链骨架在盘绕折叠时依赖氢键维持固定而形成 第一章 | 言 豹有规律的空闻摊布，侮括无规则的卷曲结构( 嘲d o mc o i l ) 。 1 9 5 1 年科学家们提出了两个结构模型，分别是旺螺旋似m e l i ) ( ) 和降折叠结构 ( p s t r u c t u r e ) 。0 l - 螺旋结构是一个类似棒状的结构，紧密卷曲的多肽链构成了棒状的中心， 赁链伸出至g 螺凝捧列的辨嚣，其稳定主要楚依靠链内豹氢键。争拆叠结梅又称为参折叠 片( p s h e e t ) ，蟊是肽链主链或某一肽段的一种相当伸展的结构。p 折叠片的形成一般需 要两条或者两条以上的肽链共同参与，即两条或者多条几乎完全伸展的多肽链侧向聚集 在一起，相邻驮链主链上的氨基和羟基之闯形成有靛尉的氢键，维持这种片层结构的稳 定。在多肽链中，经常见到约1 8 0 。转弯结构，这样的结构就是回折。通常有两种形式的 回折，即争转角( 阻t u m ) 和p 转角 一 n atnioi i 口，_ l t ，n _ 【 h n ”n n ，a n o 口 弘v_l，n 口啦 墓一 h 一 譬 h _ 【 崎 n 世 n n _ l 母 n 1 1 o 一 呐 幛一 2 _ 【_ 【 _ l 一 一 o _ 【 山0 1 i o n h 口口 t o o n o o o n _ l n o l n o n n n o ” a i o l o n 黔口 葛o 口 n n t n i n h n n ” ”_ t n n n o i h o n 口是n q n 胬口 n n 0 - 一 n n n n 一 。 n _ o _ n n n n o n o_【n a m n n i i ” i o _ o n n i ” n n = t n o n n = 目 。 口 盈_【nn - ”h n o n o t ，t t n t h o i o i n n ， ” o ，鲁_l_【n 第二章以氨基酸滓列预测取悉蟹自质的折叠速率 2 1 2 模型 一个蛋白质的折叠速率与它的氨基酸序列有关，意味着此折叠速率常数能够从氨基 酸的一些性质中预测出来。因此，每一个氮基酸残蒸郝是一个拆叠的纂元。 蛋白质结构的柔健包括蛋白质中所有原子的热运动和静态无序性的程度。蹶子位移 参数( b 因子) 给出了由实验确定的一个蛋白质结构可变程度的表征。氮基酸柔性已经 慝来度量残基黠陆因子豹贡献。相爱，氮鏊酸的剐惶( 硒霹定义必： 只= l 一， 1 2 - 1 】 其中，腿对一个刚性和个柔饿邻居的氨基酸柔性。 二级结构哥分为觏熬的二级缩构( 。【- 螺旋、p 折叠片和豳折转角) 耩不规则的区域 ( 无规线团) 。根据l e v i t t 所述，氨纂酸的构象倾向性分别以残纂在0 1 螺旋、p 折叠片和回 折转角二级结构中出现豹归一纯频率( 严、妒和，“) 来表示。同样，我们定义了另一 个反映氨基酸对所有规则二级结构的憎厌性的参数( d ) 来作为阻碍或不愿形成a 螺 旋、阻折叠片和回折转角二级结构的一种度曩。d 篮计算如下： d = q ( i 一，4 ) + 4 2 ( 1 一p 声) + 如( 1 一p 鼬) ， 弪- 2 1 其中，严、p p 和p “是利用所有二级结构排布配以权熏处理的天然氨基酸出现在m 螺旋、 争折煮片和回折转角中的频率【7 2 】。系数口l 、纯和口3 对所有氨基酸都有相同的值，它们来 鑫对实验测定的折叠速率静叛合。 双态折叠是“全无垒有”的转换阱】。蛋白质的二级结构和天然结构几乎同时恢复 形成。在尝试用氨基酸性质来描述爨白质折叠动力学之前，在这意义上的两个参数应该 被考虑。未折豢的蛋白质通常是一条高运动性的无规链。在掇叠过程中束缚孤子的运 动和形成二级结构均需要跨越自由能垒，而那些既不愿意运动，又不偏好任何二级结构 的残纂数量豹域加剡瘵利子提高折叠速率。嚣挖，对于绘定的氨基醴，它豹q 毽等于震 和d 德的加和，即： q = r + d 【2 3 l 钢妇，对于瓣氨酸，取l 。= l o 9 5 = 0 。0 5 ，三 a l 。一o 7 5 ( 1 一1 2 5 ) + 1 2 ( 1 一o 8 9 ) + o 6 ( 1 一o 7 8 ) = 0 0 8 ，o h = 0 0 5 十0 0 8 = o 1 3 。表2 - 2 罗列出了由r 、和尸值得 出的2 0 种天然氨基酸的剐性震、二级结构偿厌性d 和可折叠性n 。 衰2 2 2 0 种天然氨基酸在j 双态折叠蛋白质中的可折叠性 t h b 2 也-a m 打l oa c i df o l d a b i l m e so f 2 0n 咖r a l l yo 。c f 缸ga m 沁i 凼j l it w o - s t 砒ef o l 曲l g p r o t e 证s 1 2 第二章以氨基酸序列预测双鸯蛋鑫质的折叠速率 g l y 1 0 4趣0 4o 。5 7o 9 31 “o 0 2* o 0 2 h i so 9 5o 0 51 2 51 0 4o 6 9- 0 0 5o 1 1 e 0 8 9 0 1 l0 9 41 4 l0 5 lo 1 5o 0 5 l 浑s l o s0 8| 2 40 8 l 0 9 6 o 0 7。0 l l e u0 9 60 0 41 3 21 0 3o 5 9一o 0 30 0 1 m e t o 8 6o 1 41 4 3 0 9 9o 3 9o 0 6o 1 9 a s n1 0 10 1 0 lo 8 7o 。黼1 2 8o 1 00 p 1 0 8o 0 8o 6 0o 7 l1 9 l0 1 00 0 2 g h 1 0 3o 0 3 1 2 4o 8 20 9 7o 0 5o 0 3 a r 垡 1 0 3- 0 o 辨1 0 2 o 3 8 o 0 60 0 3 s e r1 0 5- 0 0 5o 8 2o 9 61 3 3- o 0 2- 0 0 6 t h f1 0 5。0 5o 8 l1 1 31 0 3o ，0 3母o s 、，a l o 9 3o 0 7 o 8 81 4 8o 4 7 0 1 7o 1 0 t r 口0 9 2o 0 81 0 31 1 5o 。7 5o 0 5o 0 3 聱盯o 9 30 0 70 7 51 2 51 。5- e 1 40 0 7 用相应的氨基酸可折叠性替代蛋白质序列，一个蛋白质的氨基酸序列就可表秀詈为残 基q 狗穿列， n l ，踢，【h ，其中是这个蛋鑫震中的残蒸数。将这些n 值相加，我 们就得到了这个蛋白质所有残基的总可折豢性匹n ) 。 2 2 结采与量孪论 为了考察折叠速率对氨基酸可折叠性的依赖性，我们利用了4 0 个非同源双态小蛋 自质的数据库中鑫实验测定的拆爨速率常数的对数值p 蒜) 。p b 与q 之闯的线性关系 由最小二乘拟合给出： p = 4 4 7 + 3 8 7 x n i 2 卅 其相关系数( ，) 为o 。s 2 0 ( 图2 1 ) ，餐用学生f - 检验得到非常低晒值，这意味藿在双态 蛋白质中，氨基酸可折藏性之和是折叠速率重要的决定性因素。比较方程【2 - 2 】和【2 卅， 我们发现矾= o + 7 5 、砚= 1 2 和啦= o 。6 ，它们的物理意义与每一个残基在二级结构轴上 的轮廓长度一致。 但是，多杰蛋白质的p 七f 和n 间的关联是较弱的( ，= o 5 3 ；| p = o 0 l ：数据未写出) 。 它已经显示出，氨基酸豹柔性和：级结构颤囱性对蛋鑫质折叠速率的决定性只限于双态 蛋白质，而不适于预测多态蛋白质。与双态蛋白质不问，折叠速率被发现随着氨基酸稳 定性的升高而下降。这种负相关则表明，将在多态蛋白质中加入高n 值的残基非但不能 提高折叠速率，反而会降 磊它。 盟然氨基酸可折叠性为许多蹑白质的实验数据提供了好的模型，但仍有少量糙白质 不符合线性关系。莱姆关节炎可交表面抗原( 1 l 8 w ) 是一个大蛋白质( 链长= 3 4 8 ) ， 它的预测值远火于实测俊。而t c 5 b 构造的色氨酸笼状微型蛋白质( 1 l 2 y ) 作为一个短 肽( 链长= 2 0 ) 则恰好相反。 1 3 第二章以氨基酸序列颡测双态蟹鑫质的折叠速率 t 一 2 1 0 。 矗 苫 2 o 童 舯。t 摹 冉描 o n 0 5 由1 5”z 5 隔2 - 1 只基于序列和氮基酸性质的信息一组双态蛋白质的折叠速率能准确预测出来。对于4 0 个简单的双态蛋白质，氨基酸可折叠性( 锄与折叠速率常数的自然对数0 轴之间的关联。直线表 示相关系数为o 8 2 的线性拉会。 f i 蛋2 - 1 t h el b l d i n g 坩忙so f as c to f t w o * s 嘶p i 哪e 缸sc 蛆b e8 c c i 耽t e l yp j 诚d e ds o t e l y0 nt h eb a s i so f ah o w l e d g eo f t l l o i rs e q 嘲c e 8 蝴d 锄i n o i dp f o p e n i e s t h cc 们i a 廿b c a i n i n o 舵i df o l 血b i l i 竹 ( n ) 柚dt h en a t u r a ll o g 舡制b mo f f c 蛐g 佩ec o b s t a n “曾如) 曲4 0s i f l m l e ，t w o _ s t a 钯p r o t e i n s ，t b es 自隐i p 扯 l i a ef 嗣珊s 翻绺u n e 瓣五tw i 出c o r l 蟹l 鲥o ac o c 登i c i e n 担o f 氆8 2 在此，我们已经观察到了对双态蛋白质实验测定的折叠速率与氨基酸可折叠性之间 统计一曼显著豹线性关系。擞一个蛋白质序弼中添加或除去不同的氨基酸残基将会使折叠 速率产生不同的变化。o 给出了折叠速率对残基敏感性的一种度量。 每一个氦基媛婀可折叠性可从氨基馥柔性和氨基敬对螺旋、争折叠片和回拆转角 的倾向性估计出来。有较大柔性和= 级结构倾向性的氨萋酸一般有较低的氨基酸w 折叠 性。氨基酸按照它们可折叠性递减的排列顺序为：c y sm e ta l aa s ng l ug l na 雌t r pp h e p r o l e u h i s l y s g l y a 罐l l e s 盯跏熊f l 。蒸手表2 2 中的氨黧数稳定性，氨基黢可分 为3 个种类：c y s m c t a l a a s n g i u g l n a f 9 1 印p l l e p r o l 曲被定义为加速折叠的氨基酸， l y s g l y a s p i l e s e r t y r l l l rv a l 被定义为抑制折叠的氨基酸，只有h i s 对折叠速率没有影 响。 用氮基酸热运动和二级结构的形成来理解双态蛋白质的折叠是可彳亍的。从震面上 看，氨基酸可折叠性的概念是自相矛盾的。流行的观点是：刚性残基通常处于只饿的二 级结构单元中，而柔性的残基处于柔性环域中。但是，我们的结果表明，氨基酸柔性帮 对柔性环域的倾向性在折叠速率预测中却是相互抵消的相反的趋势。在一定范围内，这 些矛鹰可用这样的解释柬调和，即未折叠和天然状态闻的非常震要的差别是蛋白质链豹 有序性。刚性残基会增加来折叠链的有序性，而憎厌刚性二级结构的残纂会降低天然状 态的有序性，结果产生了更小自由能垒和更快的折叠。除去了由氨基酸所加强的构象约 1 4 第二章以氨基酸序列预测双态蛋白质的折叠速率 柬很可能是通过增加窄分布的构象系综的熵值来升高过渡状态能垒的。 值得注意的是，半胱氨酸和甲硫氨酸有着很高的正。值，这暗示它们在折叠反应中 是高效催化剂。半胱氨酸形成二硫桥，从而抑制了热运动和二级结构形成。甲硫氨酸通 常出现在蛋白质链的n 端，即在环域中。大多数b 因子特别高的残基不在链的两端。 我们的理论可以为工程蛋白质的折叠动力学提供一般性原理。在一个蛋白质序列 中插入或剔除绝对值i q l 较高的残基能够改变它们的折叠速率。但事实上，蛋白质折 叠的信息潜藏在它的氨基酸序列中。相同的氨基酸根据所处的结构环境不同可能起着不 同的作用。例如，在蛋白质a p o _ c r a b p 中3 个脯氨酸残基( p r 0 3 9 、p r 0 8 5 和p r o l 0 5 ) 对 折叠速率的影响是不同的。如果我们利用氨基酸的构成表示蛋白质一级序列。那么序列 的排列顺序的效应都将丧失了。因此，因为该模型并没有考虑并不使残基数量发生变化 的那些残基顺序的重排，所以它不可避免地存在着不精确性。 1 5 第三章以排斥势能预测蛋白质去折叠速率和活化自由能 c h a p t e r3 p r e d i c t i o no fp r o t e i nu n l b i d i n gr a t ea n dg i b b sf h e e n e r g yo f a c t i v a t i o nf r o m 他p u l s i v ep o t e n t i a lb e “，e e nr e s i d u 髑 近年来，单结构域小蛋白质折叠的实验数据呈现快速增长势头。最新研究结果表明 一些小蛋白质的折叠速率与自然状态下的拓扑有关，也就是能从接触着的残基之间的平 均序列间隔来预测折叠速率。这一重要发现是由b a i c 盯和他的同事做出的”2 刈。他们观 察到了双态蛋白质折叠速率与它们自然状态的拓扑之间的强关联。b a k e f 等人用序列上f 与，残基之间的接触点的平均间隔i ，一，i 来表征拓扑复杂性，并定义为“接触参量” n t a c to r d e r ，简写为c o ) 。序列上邻近残基相互接触( 低c o ) 的蛋白质要比那些在序 列上间隔较远的残基接触( 高c o ) 的蛋白质的折叠得更快。由于这些蛋白质的折叠和功 能千差万别，故这一关联的酱适性就意味着能够从几何上解释不同蛋白质折叠速率间的 差异。 本章尝试构建一种蛋白质折叠模型，认为蛋白质内所有的氨基酸残基都存在着近程 排斥力，折叠过程中残基必须跨越这些排斥力的“势垒”才能相互靠，所以排斥势能是 决定折叠速率的关键因素。借鉴分子间相互作用的l c n n a r d j o n e s 模型和m o r s e 模型描 述了折叠势垒的强度，并对蛋白质的去折叠速率和活化吉布斯自由能进行了相关性分 析。 3 - 1 材料与方法 3 1 1 蛋白质的去折叠速率常数 蛋白质受到某些物理因素如熟、紫外照射、高压和表面张力等或化学因素如有机溶 剂、脲、盐酸胍、酸、碱等的影响，会发生蛋白质的变性。变性作用不涉及共价键的断 裂，蛋白质的一级结构保持完好，但高级结构被破坏，天然构象解体。此过程即去折叠 过程。小分子蛋白质去折叠转变是可逆的，在周围环境的诱导下，小分子蛋白质发生去 折叠，当将环境刺激因素去掉后，去折叠的蛋白质又可以再折叠。 同样有个表征去折叠过程难易程度的常数去折叠速率常数幻，在此，我们收 集到了2 8 个蛋白质的去折叠速率常数5 2 j 8 脚一，见表3 1 。其中含有1 8 个双态蛋白质， 8 个多态蛋白质，以及2 个二聚体蛋白质。 1 6 篓三童墼蓬堡茎篓墨鳖墨皇璧垫圭堑塞垄皇塑竖丝i i 盟 表3 - 1 2 8 个蛋自质的去折叠速率常数 h k3 - 1 t 施f o l 击a gm t ec o n 蛐m 担o f 2 sp r 0 把妇s 一- 塑唑堕塑竺她竺j 望地盟粤 lc t e 咖赫d o m 痢胁n p g k 确m e s 协l e l p h p 2 1 9 五l 2 l y s o 巧m e ( 1 i e g g w h i t e ) 秣的黼l e a h 媾的，蝉 s 5 4 t e n d 蛳i s t a t 5 印l i c s 嘲a lp f o | e 遮u l a 6 m q s c i e a c p 7 b a m a 8 f x b p l 2 9 u b i q i l j t i n w i l d t y p e 1 0 c d 2 ，p h 7 门 l ls md 血哪3 l 【i n 1 2 u b i q u 胁w i l d 帅e 1 3 c h e y t t 灿黜箸黑矿堍 1 5 t 如鹪c m 5 。 一个含有h 个氨基酸残基的蛋白质，“总排斥势能”( 日为： e ：y 三 磊，町 使用m 札a b 编程实现上述算法。 算过程： c l e a r j m =