结构生物化学/蛋白质折叠和伴侣蛋白

蛋白质折叠

折叠前后的蛋白质。

蛋白质折叠是一个高度复杂的过程，通过该过程蛋白质折叠成其生化功能的三维构象。疏水力是蛋白质折叠的重要驱动力。极性侧链通常指向并与水相互作用，而折叠蛋白质的疏水核心由非极性侧链组成。有利于蛋白质折叠的其他作用力包括分子内氢键和范德华力的形成。

蛋白质折叠在熵上是不利的，因为它最小化了能量的扩散并增加了系统的有序性。然而，疏水效应、氢键和范德华力的总和在数量上大于熵损失。因此，蛋白质折叠是一个自发过程，因为ΔG（吉布斯自由能）的符号为负。

对于在恒定温度和压力下的反应，吉布斯自由能的变化ΔG 为

$\Delta G=\Delta H-T\Delta S\,$

ΔG 的符号取决于焓变（ΔH）和熵变（ΔS）的符号，以及绝对温度（T，以开尔文为单位）。请注意，当 T = ΔH/ΔS 时，ΔG 从正变为负（或反之）。

当ΔG 为负时，过程或化学反应在正方向上自发进行。

当ΔG 为正时，该过程在反方向上自发进行。

当ΔG 为零时，该过程已经处于平衡状态，随着时间的推移没有净变化发生。

伴侣蛋白

GroES/GroEL 细菌伴侣蛋白复合物模型的俯视图

分子内伴侣蛋白对于蛋白质折叠至关重要，但不是蛋白质功能所必需的。大量证据表明，伴侣蛋白在体内和体外蛋白质折叠中起着至关重要的作用。与它们的分子对应物不同，分子内伴侣蛋白作为蛋白质的 N 末端或 C 末端序列延伸编码在蛋白质的一级序列中，通常被称为前肽或前序列。在介导蛋白质折叠后，分子内伴侣蛋白通过蛋白酶的自处理（在蛋白酶的情况下）或通过外源过程（在非蛋白酶蛋白的情况下）被去除。

分子内伴侣蛋白根据其在蛋白质折叠中的作用被分为两组。I 型分子内伴侣蛋白介导蛋白质折叠成其各自的三级结构，并且主要作为 N 末端序列延伸产生。II 型分子内伴侣蛋白介导蛋白质的四级或功能结构的形成，并且通常位于蛋白质的 C 末端。

I 型分子内伴侣蛋白

第一个分子内伴侣蛋白的发现是基于对枯草杆菌蛋白酶的研究，枯草杆菌蛋白酶是一种来自枯草芽孢杆菌的碱性丝氨酸蛋白酶。通常，通过在前肽区域引入氨基酸替换突变，而不是在蛋白质的功能域中，来研究分子内伴侣蛋白与蛋白质折叠的分子机制的关系。结果表明，反式添加前肽比顺式折叠枯草杆菌蛋白酶的效率和速率更高。还表明，如果枯草杆菌蛋白酶的过渡态能垒降低，则它可以在没有分子内伴侣蛋白的情况下折叠，但速率较慢。

与枯草杆菌蛋白酶不同，NGF（神经生长因子）前肽通过三个分子内二硫键形成一个半胱氨酸结。根据氢-氘交换实验和光谱学研究，前肽充当成熟 NGF 二聚体受体结合的竞争性抑制剂。很可能是四级结构可以稳定三级结构。

竞争性抑制：底物 (S) 和抑制剂 (I) 竞争活性位点。

有人提出 α-溶菌蛋白酶通过成核机制折叠，其中前肽首先折叠，并作为支架稳定成熟蛋白酶的 C 末端域。这允许两个结构域的结构排列打包成天然结构。

有时 C 肽具有独立的生理功能。例如，胰岛素原的 C 肽既能刺激 Na⁺、K⁺-ATP 酶，又能作为胰岛素折叠的分子内伴侣蛋白。

II 型分子内伴侣蛋白

参与蛋白质四级结构折叠的分子内伴侣蛋白称为 II 型分子内伴侣蛋白。大肠杆菌 K1 特异性噬菌体含有作为内唾液酸酶同源三聚体的尾部尖峰。这些尾部尖峰与 C 末端域 (CTD) 一起产生，CTD 不是功能性三聚体的一部分。CTD 独立于酶域折叠并形成六聚体的事实表明，CTD 能够彼此关联以启动内唾液酸酶的三聚化。

典型的带尾噬菌体结构图

在形成纤维的胶原蛋白中同时存在 N 末端和 C 末端前肽。C 末端前肽阻止过早的纤维形成，而 N 末端前肽在胶原蛋白三螺旋的纤维关联中很重要。前肽在功能性多聚体中被蛋白水解处理。

伴侣蛋白 - 原核和真核细胞胞质中的蛋白质折叠

在体外，许多未折叠的蛋白质会自发地达到其天然状态。然而，在细胞内，这种折叠效率受到环境条件的限制。细胞环境中存在两个因素可能会导致多肽错误折叠和聚集。一是拥挤效应，即细胞内存在高浓度的生物大分子，新生的多肽链从多核糖体中出来后会相互靠近。二是高度保守的伴侣蛋白，它们可以防止蛋白质发生非生产性的折叠。在细胞质中，Hsp 70（70 kDa 热休克蛋白）和伴侣蛋白是正常条件或逆境条件（热应激）下蛋白质高效折叠的主要因素。伴侣蛋白可以与折叠中间体相互作用，从而在提供的环境中促进高效折叠。对于许多蛋白质来说，都需要两种类型的分子伴侣才能实现高效折叠。

蛋白质错误折叠

揭示分子内伴侣蛋白在蛋白质折叠中的作用尤为重要，因为人类蛋白质参与了许多疾病。这些蛋白质被发现包含可能作为分子内伴侣蛋白的序列延伸。称为蛋白质记忆突变的分子内伴侣蛋白中的突变会导致功能域错误折叠，从而导致功能失常，并最终导致人类疾病。

分子内伴侣蛋白研究的未来

近年来，单蛋白生产（SPP）系统、细胞内核磁共振和共翻译结构研究等技术的发展为深入研究蛋白质结构和细胞内的折叠提供了重要手段。此外，还可以进一步研究分子内伴侣蛋白介导的蛋白质折叠 *in vivo* 的机制。

参考文献

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