结构生物化学/蛋白质无序
蛋白质无序对于科学家来说仍然是一个模糊的概念。如今，关于蛋白质的观点是由X射线晶体学解决的结构决定的。然而，这些美丽的结构无法说明蛋白质的动态特性和显示出相当灵活性的区域。事实上，只有 25% 的晶体结构揭示了超过 95% 的蛋白质完整分子结构；其他的在通常呈现多种构象的区域缺少电子密度。此外，来自 X 射线晶体学的数据偏向于那些可结晶的蛋白质，这些蛋白质折叠成一个或几个不同的构象。
蛋白质具有广泛的稳定性和有序/无序程度。结构状态的连续光谱跨越从全局内在无序蛋白质的一个极端到良好折叠和稳定蛋白质的另一个极端。由于蛋白质的这种广泛的灵活性，很难用一个词来概括蛋白质灵活性的程度；术语如内在无序和条件性无序被提议来描述蛋白质结构。
- 内在无序蛋白质是指在体外生理条件下作为分离的多肽链进行研究时，缺乏稳定结构并显示出大量无序区域的蛋白质。
- 条件性无序蛋白质是指在某些情况下内在无序，而在其他情况下（例如，在存在其结合伴侣的情况下）获得有序的蛋白质。这些蛋白质是大多数内在无序蛋白质。
内在无序在蛋白质中普遍存在。大约 30% 到 50% 的真核蛋白质包含超过 30 个氨基酸的区域，这些区域在体外没有明确的二级结构或无结构。虽然使用更先进的技术来确定蛋白质的结构，但验证蛋白质的折叠状态（尤其是在细胞内）仍然是一个挑战。那些在体外经实验证明部分或完全展开的蛋白质是否真的在细胞内无结构，目前尚不清楚。这是因为分子拥挤和适当结合伴侣的存在会使许多无序蛋白质转变为其折叠状态。此外，虽然内在无序蛋白质对体外蛋白水解降解敏感，但它们在体内通常表现出更短的半衰期，这可能是因为它们在细胞中被稳定并降低了无序程度。因此，那些从体外和基于生物信息学的分析中定义为全局内在无序蛋白质的蛋白质可能在细胞中获得了有序性。
各种技术可以区分内在无序区域 (IDR) 和有序区域，并提供有关蛋白质无序的实验信息。在所有不同的技术中，核磁共振是无与伦比的，因为它能够提供有关无序程度、残余偶极耦合和顺磁共振增强测量的详细残基级信息。为了确定体内蛋白质无序的信息，开发并使用了一种名为“细胞内”核磁共振波谱的新技术，用于确定活大肠杆菌细胞内的蛋白质结构。这种“细胞内”光谱和 SUPREX（来自 H/D 交换速率的未纯化蛋白质稳定性）被用来确定蛋白质内无序的真实体内程度。
蛋白质无序通常被误解为蛋白质的默认状态。事实上，预期只有大约 1010 个随机序列中的 1 个会折叠成一个定义的结构；大多数蛋白质包含一些有序结构的区域，表明有序是在进化过程中被选择的。由于大多数突变是不稳定的，蛋白质无序可能仅仅是进化过程中发生的随机突变的负面结果。因此，蛋白质中无序的频繁出现并不意味着蛋白质没有功能。无序被认为通过增强结合可塑性、酶催化和变构耦合来提供功能优势。因此，无序实际上可能在分子识别和细胞信号传导中发挥重要作用。此外，无序还可能通过降低稳定性来增加构象熵和灵活性。这意味着蛋白质无序可能在体内调节中发挥有益作用。最后，研究表明，由无序区域赋予的构象熵降低了蛋白质自聚集的倾向。基于这一事实，科学家假设 IDR 可以防止细胞拥挤环境中不必要的聚集过程。
条件性无序蛋白质是指可以至少存在两种状态的蛋白质，一种表现出高度的灵活性和无序性，另一种表现出更高程度的有序性。许多无序蛋白质在与伴侣蛋白结合时重新折叠。这可能是因为重新折叠是由热力学原理指导的，这些原理规定结合将稳定并加强结合相互作用。有序到无序到有序的转变也可以作为酶催化循环的一部分发生。那些只有一个结合位点，该位点与多个结合伴侣结合的蛋白质，体现了条件性无序的概念。与那些“有序”的结合位点相比，那些“无序”的结合位点更有可能在与不同的伴侣结合后折叠成多个不同的构象。这一事实表明，无序蛋白质在与不同的伴侣结合后具有多种不同的构象；因此，无序在功能上很重要。有两种模型解释了部分展开的表面如何通过与不同的伴侣结合而恢复结构。
- 构象选择假说：基于以下假设的分子识别机制：内在蛋白质群体中只有一小部分处于适当的构象以与特定结合伴侣相互作用。这种相互作用通过将平衡向结合能力构象转移来稳定蛋白质和结合伴侣。
- 结合后折叠：基于以下假设的分子识别机制：内在无序区域首先与结合伴侣结合，然后随后重新折叠。
无序蛋白质可以通过与不同的伴侣结合而折叠成不同的构象。当 p35 的无序 C 端与不同的客户蛋白结合时，观察到变色龙式行为（不同的构象）。这种观察结果与其功能作用一致，即与 40 多个不同的结合伴侣相互作用。然而，这种内在无序蛋白质的变色龙式行为很少见。这可能是因为同一个内在无序蛋白质的结构不同的伴侣以及蛋白质-结合伴侣复合物的结构很难识别和确定。
参与多个相互排斥的瞬时相互作用的蛋白质更有可能具有更高程度的无序。这种高度的无序在伴侣蛋白中也有观察到，伴侣蛋白与许多不同的蛋白质折叠中间体结合，以防止非特异性蛋白质聚集并促进体外和体内蛋白质折叠。伴侣蛋白的无序程度范围从 24% 到 100%。
折叠伴侣，例如 Hsp70、Hsp60、Hsp90，会经历由 ATP 结合和水解驱动的巨大构象重排。内在无序性通过支持客户蛋白成熟所需的动态构象重排，使依赖 ATP 的伴侣蛋白发挥功能。然而，关于无序区域在依赖 ATP 的伴侣蛋白中的作用尚不清楚。
- 核苷酸结合域和客户蛋白结合域之间高度灵活的连接子允许发生大的跨域构象变化。
- 在无 ATP 的 apo-GroEl 中是无序的 C 末端，但在结合 ATP 后变得更加有序。
- 无结构区域提供跨域灵活性，并赋予 Hsp90-客户蛋白复合物溶解性。此外，多个磷酸化位点可能参与 ATP 结合和水解循环期间的无序到有序转变。
不依赖 ATP 的伴侣蛋白利用无序到有序转变来触发激活和客户蛋白结合，并利用有序到无序转变来控制客户蛋白释放。激活这些不依赖 ATP 的伴侣蛋白的胁迫条件，包括低 pH 和严重的氧化胁迫，会导致蛋白质展开，这通常会导致失活。与其他蛋白质不同，这些不依赖 ATP 的伴侣蛋白由于胁迫而展开后会被激活。
- HdeA 是一种酸激活的条件性无序伴侣蛋白，它可以保护蛋白质免受低 pH 引起的聚集，并保护细菌免受酸性胁迫。在 pH 7 时，HdeA 是一个没有伴侣蛋白功能的折叠良好的二聚体。当转变到 pH 2 时，HdeA 会在 2 秒内部分展开并单体化，从而被激活为伴侣蛋白。它在低 pH 下部分无序的特性使其能够灵活地与不同的底物相互作用，从而保护蛋白质免受不可逆的损伤；因此，它可以保护细菌免受酸性胁迫。HdeA 的灵活性表明它可能具有类似变色龙的结合特性。当 pH 回到自然状态时，Hdea 会缓慢地释放其客户蛋白，以最大程度地减少对聚集敏感的折叠中间体的聚集。因此，客户蛋白会被动地重新折叠回其原始结构，同时不利于聚集。
- Hsp33 是一种氧化胁迫激活的内在无序伴侣蛋白，可以保护蛋白质免受氧化展开。在非活性状态下，Hsp33 是一种单体双域蛋白，包含一个单个锌离子与远 C 末端 4 个绝对保守的半胱氨酸之间形成的四面体、高亲和力结合。锌离子的这种结合稳定了 C 末端和一个亚稳态连接子区域。当 Hsp33 暴露于氧化条件下时，锌离子被释放，并且形成两个二硫键；锌结合域被破坏；连接子区域被展开；蛋白质二聚化。连接子区域的展开激活了 Hsp33 的伴侣蛋白功能。Hsp33 被激活后，会利用其内在无序的连接子区域与含有大量二级结构的蛋白质折叠中间体相互作用，从而形成 Hsp33 和客户蛋白的更加稳定的构象。Hsp33 可以保护客户蛋白免受胁迫诱导的聚集，并保护细菌免受抗菌氧化剂漂白剂的影响。当恢复到非胁迫状态时，Hsp33 会重新折叠，这种重新折叠会触发客户蛋白的展开；Hsp33 与客户蛋白之间的亲和力降低。然后，客户蛋白被释放给依赖 ATP 的伴侣蛋白折叠酶，在其中，客户蛋白被结合并重新折叠回其天然状态。
- Hsp26 是 小热休克蛋白 的成员，是一种热激活的条件性无序伴侣蛋白，可以保护蛋白质免受高温引起的聚集，并保护细菌免受热胁迫。在室温下，Hsp26 处于非活性状态。在热休克温度诱导下，Hsp26 会通过折叠其独特的热敏区域而发生构象变化，并且其伴侣蛋白功能被激活。与 HdeA 和 Hsp33 不同，Hsp26 的内在无序区域不会直接结合客户蛋白，但会与客户蛋白相互作用。
一些在体外全局无序的伴侣蛋白也具有抗聚集活性。全局内在无序伴侣蛋白通过物理屏蔽和防止折叠中间体与其他对聚集敏感的实体相互作用来抑制聚集。由于这一事实，全局内在无序伴侣蛋白的效率相对较低。
- 酪蛋白会屏蔽易聚集的表面，并通过短暂的疏水性相互作用来提高重新折叠速率。酪蛋白会通过与客户蛋白形成可溶性胶束复合物来阻止客户蛋白的参与。由于酪蛋白积极抑制溶菌酶重新折叠，并且无法防止热诱导的过氧化氢酶和醇脱氢酶活性损失，因此它们不被视为折叠伴侣蛋白。
- 目前尚不清楚酪蛋白在体内是否起伴侣蛋白的作用。
- 酪蛋白可能在高浓度下弥补其效率低下。
- LEA 蛋白高度亲水。当 LEA 蛋白在标准缓冲条件下脱水时，它们被激活为伴侣蛋白，并采用 α-螺旋构象。与酪蛋白类似，LEA 蛋白通过短暂的疏水性相互作用来屏蔽易聚集的表面，并提高重新折叠速率。它们可以保护客户蛋白免受体外脱水和温度介导的失活和聚集。
- LEA 蛋白在体内起着伴侣蛋白和折叠蛋白的作用。
- LEA 蛋白可能在高浓度下弥补其效率低下。
- α-突触核蛋白会抑制热诱导的蛋白质聚集。α-突触核蛋白的抑制效率低于小热休克蛋白。
- 目前尚不清楚α-突触核蛋白在体内是否起着伴侣蛋白的作用。
Bardwell, James C.A. 和 Ursula Jakob。“伴侣蛋白作用中的条件性无序”。《生物化学科学趋势》37.23 (2012): 517-25。ScienceDirect。网络。2012 年 12 月 5 日。<http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0968000412001272>