结构生物化学/蛋白质/蛋白质折叠问题
“蛋白质折叠问题”包含三个紧密相关的难题
- 什么是折叠密码？
- 什么是折叠机制？
- 我们能否从氨基酸序列预测蛋白质的天然结构？
蛋白质折叠问题是科学家试图根据氨基酸序列预测蛋白质 3D 结构时遇到的障碍。虽然已知给定的氨基酸序列几乎总是折叠成具有特定功能的 3D 结构，但不可能以高精度预测精确的折叠模式。了解蛋白质折叠的速度也是科学家面临的挑战，因为蛋白质折叠的速度极快。要理解任何类型的生化反应，都需要分离和确定反应物、中间体和产物的结构。在蛋白质折叠中，反应物、中间体和产物的分离很复杂，因为蛋白质中的大多数相互作用是非共价的弱相互作用，导致每个反应状态之间快速相互转化。因此，中间体的分离难以实现，因此无法进行 X 射线晶体学。此外，蛋白质折叠研究取得了一些进展，在表征反应物和中间体方面取得了进展。基于蛋白质折叠的复杂性，蛋白质折叠有三个主要问题：折叠密码、结构预测以及折叠速度和机制。
在 20 世纪 80 年代后期，科学家发现存在一种氨基酸代码序列，可以以特定方式折叠蛋白质。蛋白质折叠的起点确实是初级结构（氨基酸序列），也称为蛋白质的变性状态。即使是极少量的变性状态也能激活通过蛋白质折叠途径进行的成核和增殖。在生理条件下表征这些蛋白质的变性状态非常困难，因为必须将蛋白质展开至变性状态，而没有变性剂的存在[2, Travagilini-Allocatelli 等]。
最近的研究使用单分子方法使变性状态的研究达到了新的高度。研究人员使用单分子实验检查了蛋白质的线团到球状转变，并证明变性状态随着变性剂浓度的增加而稳定扩展。类似地，在低变性剂浓度下，蛋白质的肽链以序列依赖的方式折叠[2, Travagilini-Allocatelli 等]。
此外，在研究蛋白质折叠中的中间体方面也取得了进展。例如， engrailed 同源域 (En-HD) 的变性状态经过工程改造，使其在生理条件下变性，核磁共振 (NMR) 表明它类似于折叠中间体。一项额外的研究发现，En-HD 中的特定部分，称为螺旋-转角-螺旋基序 (HTH)，表现为一个独立的折叠域。当检查完整的蛋白质时，HTH 基序代表 En-HD 折叠途径中的折叠中间体[2, Travagilini-Allocatelli 等]。
尽管蛋白质折叠仍然是一个谜，但科学家利用这些蛋白质信息设计了新的材料，例如药物、试剂和抑制剂，以造福社会。
如今，研究人员通过将氨基酸序列输入计算机来预测蛋白质的结构。先进的技术和建模软件使科学家和研究人员能够形成预测结构。然而，该结构并不准确，因为总是存在一定程度的误差。尽管如此，这可以加速新药物的发现，因为可以操纵数字结构。
二级结构预测
二级结构预测是一组技术，旨在根据蛋白质和 RNA 序列的初级结构（即氨基酸或核苷酸序列）预测它们的二级结构。例如，对于蛋白质，预测包括将氨基酸序列的区域指定为α螺旋、β链或转角。预测的成功率是通过将其与应用于蛋白质晶体结构的 DSSP（DSSP 算法是根据蛋白质的原子分辨率坐标，将二级结构分配给蛋白质氨基酸的标准方法）算法的结果进行比较来确定的；对于核酸，它可以从氢键模式确定。已经开发出专门的算法来检测特定明确定义的模式，例如蛋白质中的跨膜螺旋和卷曲螺旋，或 RNA 中的 microRNA 结构。
三级结构预测
NMR 光谱或 X 射线衍射分析等实验方法被广泛用于确定蛋白质的三级结构。但是，通过实验技术确定蛋白质结构的速度远低于各种基因组项目鉴定新基因的速度。
从头蛋白质建模方法已被用于构建 3-D 蛋白质模型。例如，基于物理原理而不是基于以前解决的结构。有许多可能的程序，它们要么试图模拟蛋白质折叠，要么应用一些随机方法来搜索可能的解决方案（例如，合适能量函数的全局优化）。这些程序需要大量的计算资源，因此仅针对微小的蛋白质进行过。要预测更大蛋白质的蛋白质结构，将需要更好的算法和更大的计算资源，例如强大超级计算机提供的资源。尽管这些计算障碍是巨大的，但结构预测的潜在益处使得从头预测成为一个活跃的研究课题。
侧链几何预测描述了一种计算方法，可以对一系列卷曲螺旋二聚体进行预测。这种方法包括一种双重策略，它通过分子力学最小化来增强广泛的构象采样。
四级结构
对于两个或多个蛋白质的复合物，如果蛋白质的结构已知或可以高精度预测，则可以使用蛋白质-蛋白质对接方法来预测复合物的结构。
1968 年，Cyrus Levinthal 指出，蛋白质折叠以精确的方式发生在微秒内，这似乎不现实也不可能。这也称为 Levinthal 悖论。如今，我们拥有先进的方法，例如突变方法，可以为我们提供折叠过程中的 phi 和 psi 值，以及氢交换方法，使我们能够观察结构折叠事件。然而，蛋白质折叠的动力学和机制仍然需要进一步的研究和理解。
Keifhaber 及其同事最近对环形成的研究解决了未折叠多肽链的动力学和动力学。他们使用了不同的模型系统，每个系统代表不同类型的环：端到端、端到内部或内部到内部。他们的实验表明，端到内部和内部到内部环形成比端到端环形成速度慢。这一发现表明，未折叠多肽链的一部分的链运动与链的其他部分相耦合。这些动力学实验还表明，蛋白质折叠过程发生在不同的时间尺度上，因此环形成存在层次结构[2, Travagilini-Allocatelli 等]。
尽管需要进行额外研究以了解蛋白质折叠中的机制，但有两种不同的经典机制已被用于描述单域蛋白质的折叠。第一种机制称为扩散碰撞模型。遵循这种机制的蛋白质以逐步方式折叠，涉及不断增长的二级结构元素。然后这些元素碰撞、结合并加强。例如，有证据表明上面提到的 En-HD 遵循扩散碰撞模型。第二种机制被称为成核凝聚模型。遵循这种方法的蛋白质被观察到从无结构的变性状态折叠，同时形成二级和三级结构。例如，已证明 En-HD 的一个同源蛋白 hTRF1 遵循这种模型。然而，许多蛋白质表现出扩散碰撞模型和成核凝聚模型的特征途径[2, Travagilini-Allocatelli 等]。
蛋白质折叠的起点：变性状态
在变性状态下，结构可以触发成核和传播，这可能会贯穿整个折叠路径。在物理条件下表征蛋白质的变性状态是一项艰巨的任务，因为需要在不添加变性剂的情况下不利于天然状态的种群。化学变性状态在高变性剂浓度下可能表现得像无规线团聚合物。Sherman 和 Haran 使用单分子实验分析了蛋白质 L 的线团到球状体的转变，并表明随着变性剂浓度的增加，蛋白质的变性状态增加。Eaton 及其同事还比较了这两种蛋白质的变性状态的大小和动力学，显示出类似的 64 和 66 个氨基酸长度。
蛋白质折叠的机制
有两种不同的机制用于描述单域蛋白质的折叠。一些蛋白质，如枯草杆菌核糖核酸酶，已被描述为以逐步的方式折叠，快速形成不同的核，以及它们的碰撞和合并。还有一些蛋白质，以胰凝乳蛋白酶抑制剂 2 为例，属于成核凝聚模型。小型 αβ 蛋白结构域的折叠路径已被证明不同于纯成核凝聚和扩散碰撞，但仍然显示出两种模型的特征。
折叠稳定性和功能
单个蛋白质片段的固有稳定性是决定给定蛋白质折叠机制的关键因素。很多时候，细胞的生命依赖于其组成蛋白质能够折叠成 3D 结构的能力，而这些结构对于其功能至关重要。细胞中折叠功能蛋白的数量取决于几个因素，例如蛋白质生物合成和降解的速率。
有一个问题是，完全折叠的蛋白质的稳定性和折叠是否与其活性相关。变构可能是蛋白质折叠与功能之间的桥梁。变构效应涉及配体结合位点之间的通讯，这对许多生理过程至关重要。由于变构是一个热力学过程，因此不仅要考虑构象的变化，还要考虑平均构象动力学的变化。
因此，需要更多研究来全面理解蛋白质折叠机制，并找到解决蛋白质折叠问题的方案。
- Ken A Dill, S Banu Ozkan, Thomas R Weikl, John D Chodera 和 Vincent A Voelz。*蛋白质折叠问题：何时能解决？*结构生物学当前观点 2007 年。
- Carlo Travaglini-Allocatelli, Yiva Ivarsson, Per Jemth 和 Stefano Gianni。*球状蛋白的折叠和稳定性及其对功能的影响* 结构生物学当前观点 2009 年，19:3-7。
- Mount DM (2004)。生物信息学：序列和基因组分析。2. 冷泉港实验室出版社。 ISBN 0879697121
- Zhang Y (2008)。“蛋白质结构预测的进展与挑战”。Curr Opin Struct Biol 18 (3): 342–8。doi:10.1016/j.sbi.2008.02.004。PMC 2680823。 PMID 18436442