蛋白质折叠与“折叠病”和“第二遗传密码”.doc

蛋白质折叠与“折叠病”和“第二遗传密码”江苏省金湖中学欣向宏蛋白质是一种生物大分子，由20多种氨基酸以肽键连接成多肽链。多肽链上氨基酸的组成和排列方式称为蛋白质的一级结构。不同蛋白质肽链的长度不同，一级结构也不同。肽链在空间卷曲折叠成为特定的三维空间结构，包括二级结构和三级结构二个主要层次。有的蛋白质由多条肽链组成，每条肽链称为亚基，亚基之间又有特定的空间关系，称为蛋白质的四级结构。所以蛋白质分子有非常特定的复杂的空间结构。蛋白质分子的一级结构决定它的特定的空间结构，这就是荣获诺贝尔奖的著名的。Anfinsen原理。蛋白质分子只有处于它自己特定的三维空间结构情况下，才能获得它特定的生物活性，三维空间结构稍有破坏，就很可能会导致蛋白质生物活性的降低甚至丧失。 外界环境的变化可以导致蛋白质空间结构的破坏和生物活性的丧失，但却并不破坏它的一级结构(氨基酸序列)，称为蛋白质的变性。变性的蛋白质往往成为一条伸展的肽链，在一定的条件下可以重新折叠成原有的空间结构井恢复原有的活性，对蛋白质变性作用的认识是我国科学家吴宪在三十年代首先提出的。蛋白质异常的三维空间结构可以引发疾病，疯牛病、老年性痴呆症、囊性纤维病变，家族性高胆固醇症、家族性淀粉样蛋白症、某些肿瘤、白内障等等都是“折叠病”。造成疯牛病的Prion病蛋白可以感染正常蛋白而在蛋白质之间传染。研究蛋白质的折叠问题不仅具有重大的科学意义，而且在医学和在生物工程领域具有极大的应用价值。通过“蛋白质结构预测”破译“第-二遗传密码”，是当今蛋白质研究的热点课题之一。现有的研究表明，尽管蛋白质的种类成千上万，但它们的折叠类型却只有有限的650种左右。1 蛋白质折叠与“折叠病” 人们对由于基因突变造成蛋白质分子中仅仅一个氨基酸残基的变化就引起疾病的情况已有所了解，即所谓“分子病”，如地中海镰刀状红血球贫血症就是因为血红蛋白分子中第六位的谷氨酸突变成了颉氨酸。现在发现蛋白质分子的氨基酸序列没有改变，只是其结构或者说构象有所改变也能引起疾病，那就是所谓“构象病”，或称“折叠病”。 大家都知道的疯牛病，是由一种称为Prion的蛋白质的感染引起的。在正常机体中，Prion是正常神经活动所需要的蛋白质，而致病Prion与正常Prion的一级结构完全相同，只是空间结构不同。这一疾病的研究涉及到许多生物学的基本问题。一级结构完全相同的蛋白质为什么会有不同的空间结构，这与Anfinsen原理是否矛盾?这显然牵涉到蛋白质的能量、稳定性与功能的关系问题。一般认为，蛋白结构的变化来自于序列的变化，而序列的变化来自于基因的变化。而致病Prion的信息已被诺贝尔奖获得者普鲁辛纳证明不是来自基因的变化，而是来自正常蛋白Prion在致病蛋白Prion的作用下发生的折叠变化! 由于分子伴侣在蛋白质折叠中至关重要的作用，分子伴侣本身的突变显然会引起蛋白质折叠异常而引起折叠病。随着蛋白质折叠研究的深入，人们会发现更多疾病的真正病因和更针对性的治疗方法，设计更有效的药物现在发现有些小分子可以穿越细胞作为配体与突变蛋白结合，从而使原已失去作战能力的突变蛋白逃逸“蛋白质质量控制系统”而“带伤作战”。这种小分子被称为“药物分子伴侣”，有希望成为治疗“折叠病”的新药。 新生肽的折叠问题或蛋白质折叠问题不仅具有重大的科学意义和医学意义，而且在生物工程上也具有极大的应用价值。基因工程和蛋白工程已经逐渐发展成为数百亿美元产值的大产业，但是当前经常遇到的困难，是在受体微生物细胞内引入异体DNA后，所合成的多肽链往往不能正确折叠成为有生物活性的蛋白质而形成不溶解的包含体或被降解。这一“瓶颈”问题的彻底解决有待于新生肽链折叠机制的揭示。2 蛋白质折叠和“第二遗传密码”研究蛋白质的折叠，就是研究蛋白质特定三维空间结构形成的规律、稳定性和与其生物活性的关系。在概念上，有热力学的问题和动力学的问题，有蛋白质在体外折叠和在细胞内折叠的问题；有理论研究和实验研究的问题。但最根本的问题还址多肽链的一级结构到底如何决定它的空间结构?既然的者决定后者，一级结构和空间结构之间肯定存在某种确定的关系，这是否也像核苷酸通过“三联密码”决定氨基酸顺序那样有套密码呢?有人把这种一级结构决定空间结构的密码叫作“第二遗传密码”。 如果说“三联密码”已成为明码，那么“蛋白质结构预测”就是从理论上最直接地去破译“第二遗传密码”。“蛋白质结构预测”是根据测得的蛋白质的一级序列预测由Anfinsen原理决定的特定的空间结构蛋白质氨基酸序列，特别是编码蛋白质的核苷酸序列的测定现在几乎已经成为常规技术，从互补DNA(cDNA)序列可以根据“三联密码”推定氨基酸序列，这些在上一世纪获得重大突破的分子生物学技术，大大加速了蛋白质一级结构的测定。目前蛋白质数据库中已经存有大约17万个蛋白质的一级结构，但是测定了空间结构的蛋白质大约只有1.2万个，这中间有许多是很相似的同源蛋白，而真正不同的蛋白质只有1 000多个。随着人类基因组汁划的胜利完成，解读了人类DNA的全序列，蛋白质一级结构的数据增长必定会出现爆炸的态势，而空间结构测定的速度远远滞后，因此二者之间还会形成更大的距离，这就更需要进行蛋白质结构的预测。 目的结构预测的方法大致可分为两大类。一类是假设蛋白质分子天然构象处于热力学最稳定，能量最低状态，考虑蛋白质分子中所有原子间的相互作用以及蛋白质分子与溶剂之间的相互作用，采用分子力学的能量极小化方法，计算出蛋白质分子的天然空间结构。第二类方法是找出数据库巾已有的蛋白质的空间结构与其一级序列之间的联系总结出一定的规律，逐级从级序列预测二级结构，再建立可能的三维模型，根据总结出的空间结构与其一级序列之间的规律，排除不合理的模型，再根据能量最低原理得到修正的结构。这也就是所谓“基于知识的预测方法”。但是，第一类方法遇到在数学上难以解决的多重极小值问题，而逐级预测又受到二级结构预测精度的限制。因此必须解决这些困难，或者发展新的方法，将基于知识的预测方法与计算化学以及统计物理学结合起来，才有希望能破泽“第二遗传密码”。 现在知道，绝大多数蛋白质从一条伸展的肽链，折叠成有其特定结构的、有活性的蛋白质，并不是步完成的，而要经过许多折叠的中间状态。含有多个亚基的蛋白质分子，亚基间的相互作用使之组装成复杂蛋白质分子。研究人员用实验方法，特别是近年来发展的快速测定方法去追踪蛋白质重折叠的全过程，尽可能捕捉折叠过程中的每一个中间状态。不同阶段的折叠速度不同，有的比较慢，比较容易发现和捕捉，但有的非常快，必须要有特殊的设备配合各种测试技术上进行研究。最近有人尝试大幅度降低温度使折叠速度减慢而得以追踪。最终人们要定量地描述整个折叠的动态过程，拍出一部蛋白质折叠的电影来，但这必然要经过一个长时间的艰苦工作。3 细胞内的蛋白质折叠 体外蛋白质的折叠研究尽管为揭示蛋白质折叠的本质提供了大量信息，但细胞内蛋白质的折叠，是个比试管内复杂得多的过程。在细胞内新合成出来的多肽链(称为新生肽)在合成过程中长度不断增加。并在延伸的同时也在进行着折叠，而不是在合成完成脱离核糖体后再自发折叠成为蛋白质。所以在体外用变性伸展肽链的重折叠研究蛋白质折叠的模型看来并不是研究细胞内蛋白质折叠的理想模型。由于每个信使核糖核酸可以同时携带多个核糖体，而每个核糖体上的多肽链的延伸程度又是不同的，所以核糖体上的多肽链的合成同步化是目前研究新生肽折叠的关键问题，但一直没有解决。 新生肽还要被运送到细胞的特定部位才能发挥特定的生物功能，例如：进入细胞核中的核蛋白与DNA组成染色体，进入线粒体的蛋白参与能量代谢；组成膜的蛋白以及分泌到细胞外的蛋白必须进人内质网，先进行加工再继续转运等等。这些转运都有一个穿越膜结构的过程。有完整空间结构的蛋白分子是不能越膜的，因此在转运过程中折叠过多的分子必须解开折叠后才能越膜。此外，多亚基蛋白必须进行组装。有些蛋白质，如一些酶和激素，以前体形式合成后还要经过水解除去某一段序列后才能成熟为有活性的分子。所有这些都包含在新生肽成熟为功能蛋白的全过程中，每一步都涉及新生肽链的构象变化、折叠和调整。 所有的细胞中都存在着大量的蛋白质、核酸、多糖等各种生物大分子，它们大约占细胞容积的2030，总浓度高达80200gL，因此任伺一种大分子都处于一个充满其他大分子的“拥挤”环境中，使得任何一个大分子的实际可及空间十分有限，这种情况对所有大分子的热力学和动力学反应都有很大影响。因此，住体外研究蛋白质折叠必须考虑模拟细胞内的“拥挤”，环境。4 分子伴侣蛋白和折叠酶 近来的研究发现，一些蛋白质必须在另些蛋白质的帮助下才能完成正确折叠，这对蛋白质折叠的概念产生了革命性的全新认识，“自发折叠”的经典概念发生了转变和更新。现在认为，新生肽在细胞内的折叠和成熟在多数情况下是不能自发完成的，而是需要别的蛋白质帮助的。这个新概念并不与Anfinsen原理相矛盾，而是在动力学的观点上完善了Anfinsen学说。一个在热力学上可以成立的反应由于动力学的能障问题在实际上未必可以完成，但在别的蛋白质帮助下可以克服能障而得以进行。 目前已知能在细胞内帮助新生肽链折叠的蛋白有二类：类称为分子伴们蛋白，另一类是催化与折叠直接有关的化学反应的酶，又称折叠酶。分子伴侣是一种具有新功能的蛋白，它们的精细三维结构、它们帮助生物大分子折叠的机制都在活跃的研究之中：特别是它们之中有些蛋白的分子伴侣活性与其他生物活性之间的关系也已引起人们的兴趣。现在发现，不仅蛋白质的忻叠需要分子伴们的帮助，DNA分子和RNA分子的折叠也往往需要分：产伴侣的帮助，因为功能DNA和RNA分子，特别是它们与蛋白质形成的复合物都要仃一定的构象。DNA和RNA分子本身具有较大的刚性，不容易折叠或在折叠过程中容易发生折叠错误，因此需要DNA分子伴侣或RNA分子伴侣帮助它们折叠而形成特定的构象。另一方面，在发挥分子伴侣的作用方面，除蛋白质外，一些核酸和磷脂也能担当此任，更有趣的是最近发现核糖体也有分子伴侣活性。此外，有一些小分子物质在体外对某些蛋白质的折叠有帮助作用，被称之为“化学分子伴侣”。新生肽在细胞中折叠和成熟的过程并非总能百分之百地正确完成，常用不能继续正确折叠或错误折叠的“次品”或“废品”产生出来。为了防止这些“垃圾”的堆积而危害正常生命活动，细胞在长期进化过程中获得了一种“蛋白质质量控制系统”。这些系统由分子伴侣和特定的蛋白水解酶组成。分子伴侣帮助新生肽正确折叠；而特定的蛋白水解酶把不能继续正确折叠的或错误折叠的“垃圾”水解成小分子。这里的科学问题足质量控制系统到底如何进行质量控制?有人借用了医院里诊断病人应该送到哪种病房作什么治疗的机制来描述细胞的蛋白质质量控制体系的作用机理。首先是“诊断”和区分新生肽“病人”，确定什么样的新生肽“病人”可以