结构生物化学/蛋白质/核糖体上的蛋白质折叠
尽管在蛋白质折叠的“体外”研究方面做了很多工作，但很少有研究显着地推动了“体内”蛋白质折叠方面的工作。后者的重要性来自于蛋白质折叠据推测是由分子机制引导的，而不是蛋白质独立地根据最低能量构象折叠。尽管已证明蛋白质仅通过伴侣蛋白就能成功地达到其天然状态，但似乎在新蛋白质的产生时，必须有某种东西来帮助二级和三级结构的形成。结构生物学杂志的一篇最新观点文章的作者 Lisa D. Cabrita、Christopher M. Dobson 和 John Christodoulou 在题为“核糖体上的蛋白质折叠”的文章中发表了关于新合成的蛋白质新生链如何出现的最新发现的更新。
蛋白质链开始折叠的地方是一个被广泛研究的主题。当新生链穿过核糖体的“出口通道”进入细胞环境时，链何时开始折叠？文章将讨论核糖体通道中共翻译折叠的概念。蛋白质的新生链在其 C 端与肽酰基转移酶中心 (PTC) 结合，并将以矢量方式出现。该通道非常狭窄，对新生链施加了某种刚性，随着每个氨基酸的添加，蛋白质的构象空间都会增加。共翻译折叠可以通过帮助蛋白质在仍在核糖体通道中时获得一定程度的天然状态来帮助减少可能的构象空间。蛋白质的长度也可以很好地估计其三维结构。较小的链倾向于有利于 β 片，而较长的链（如达到 119 个残基中的 153 个残基的链）倾向于有利于 α 螺旋。
核糖体通道长 80 埃以上，宽度约为 10-20 埃。通道内部有辅助分子，如 L23、L22 和 L4 蛋白，它们与新生链相互作用，帮助折叠。该通道还具有亲水性，有助于新生链通过而不受阻碍。尽管刚性，但通道不是被动的导管，但它是否具有促进蛋白质折叠的能力尚不清楚。最近一项涉及冷冻电镜的实验表明，通道中存在折叠区域。在出口端口（距离 PTC 约 80 埃），新生链已经形成了一个首选的低级构象。这加强了以下建议：该链可以在某些区域具有折叠程度。尽管可以发生一些低级折叠，但天然状态的采用发生在通道外部，但并非一定是在新生链被释放时发生。结合的新生链 (RNC) 采用部分折叠的结构，在拥挤的细胞环境中，这会导致链自缔合。然而，这种自缔合通过沿出口通道排列的交错核糖体来缓解，从而最大限度地增加了 RNC 之间的距离。
目前对蛋白质折叠的理解来自于对蛋白质在各种不同环境中复性的体外研究以及计算机模拟的体外研究。这些研究只能帮助推断蛋白质形成体内过程的一部分。蛋白质折叠是在核糖体合成新生多肽链后开始的，因为它是由核糖体合成的。因此，蛋白质折叠的开始与多肽链的持续合成相耦合。
目前，蛋白质折叠被认为是一个过程，该过程是由于该蛋白质的氨基酸之间的相互作用而发生的，这些相互作用可以走某些路径来达到最低能量状态，即天然状态。但是，蛋白质可能会从某些路径开始折叠，并导致低能量但不是天然状态的构象。蛋白质无法摆脱这种构象，除非输入大量的能量。这种非天然状态是蛋白质可能发生错误折叠并导致聚集的一种方式。另一个可能影响获得天然状态的可能性因素是，较大的蛋白质具有更多折叠的可能性，这降低了形成能量最有利状态的可能性。蛋白质利用“共翻译折叠”来减少蛋白质可用的构象空间范围。除此之外，分子伴侣还有助于进一步帮助蛋白质达到其天然构象状态。
生成 RNC 并对其从通道中出现时的快照进行拍摄的一种技术是阻止翻译。使用没有终止序列的截短 DNA。这使得新生链能够保持结合，直到需要为止。为了确定链的残基，可以使用碳-13 或氮-15 对其进行标记，然后通过核磁共振波谱检测。另一种技术是 PURE 方法，它包含翻译所需的最小成分。该方法已被用于研究链与辅助分子（如 TF 伴侣）之间的相互作用。该方法与石英晶体微量天平技术相结合，通过质量分析合成。生成 RNC 链的一种体内技术是在高细胞密度下刺激它。这最初是在未标记的环境中完成的，然后将细胞转移到标记的培养基中。RNC 由 SecM 生成。RNC 通过亲和层析纯化，并通过 SDS-PAGE 或免疫印迹检测。
通过生成 RNC，可以进行许多实验来研究更多关于出现的新生链的信息。如上所述，该链以矢量方式从出口通道中出现。这使得该链能够对天然折叠进行采样，并增加了折叠到天然状态的概率。除了这种矢量折叠之外，伴侣还有助于实现有利的折叠速率和正确的折叠。
在大肠杆菌中，70S 核糖体颗粒由 50 种蛋白质和 3 种 RNA 分子组成。70S 核糖体颗粒中与蛋白质折叠相关的最有趣的结构特征是核糖体出口通道。这是一个连接 PTC（肽酰基转移酶中心）与细胞环境的通道。尺寸包括长度为 80 埃，宽度为 10-20 埃。70S 内衬着大型 RNA 分子和 L4 和 L22 核糖体蛋白。此外，L23 充当其他分子在折叠过程中进行停泊的点。最近的冷冻电镜研究表明，核糖体出口通道中的 L4 和 L22 蛋白可以干扰蛋白质合成，以及与新生链的其他相互作用。此外，已观察到精氨酸残基通过改变静电势来阻止翻译过程。尽管据推测核糖体出口通道具有或多或少刚性的结构，但似乎它确实在一定程度上支持了新生链折叠。这可以通过以下事实来证明：平均而言，该通道能够容纳约 30-40 个残基，这大大超过了完全伸展的多肽链序列。新生链折叠的程度似乎取决于正在合成的蛋白质类型。某些新生链跨膜蛋白序列似乎可能已经在通道内部构建了 α 螺旋结构。研究从核糖体出口通道中出现的新生链对任何当前的结构和细胞生物学方法来说都是一项重大挑战。本文提出的一个想法是能够对延伸过程进行“快照”。为了做到这一点，必须人为地阻止翻译，这将涉及设计缺少终止密码子的 DNA 链。另一个问题也是在核糖体中来自其他残基的海洋中关注新生链中感兴趣的特定残基。
本文中提到的例子，例如使用 SDS-PAGE 分析流感血凝素的核糖体结合新生肽链 (RNC)，显示它们可以形成二硫键并进行糖基化。此外，使用单克隆抗体，人们发现新生肽链从隧道中出现的速率存在差异。这些例子和其他例子表明，新生肽链不仅可以获得结构，而且可以在与核糖体连接时获得活性。新生肽链的折叠速度似乎与存在的终止密码子和稀有密码子的数量有关。原因是间断的翻译速率会减慢折叠过程。然而，较慢的速率似乎能产生更有效的折叠，因为新生肽链有更多时间来形成其天然结构。由于折叠过程的动态性，大多数阐明对翻译折叠的理解的生化和物理方法都被 X 射线晶体学所回避，因为在晶体学中很难获得动态性。
当新生肽链开始从隧道中出现时，它有机会与协助折叠过程的分子相互作用。这些分子包括分子伴侣、肽脱酰胺酶和信号识别颗粒。第一个协助新生肽链折叠的分子是 48kDa 的 TF，它停靠在 L23 上。这种蛋白在没有新生肽链的情况下会停靠和脱落，但如果有新生肽链存在，它与 L23 结合的亲和力就会增加。TF 会发生构象变化，形成一个保护新生肽链的空腔。TF 使足够多的多肽链出现，从而可以实现相当程度的折叠。它是通过与链的疏水片段结合来实现这一点的，即使它已经从 L23 上释放了。一旦链的疏水区域不再暴露，TF 似乎会解离，并允许其他辅助分子协助蛋白折叠。TF 似乎提高了折叠效率，但以折叠速度变慢为代价。然后由 SRT 完成蛋白易位，它将 TF 转移到三聚体跨膜蛋白。这使得进一步的加工和折叠成为可能。
核糖体催化肽键形成，这个过程被称为肽酰基转移催化，并通过读取 mRNA 的遗传密码来合成多肽。核糖体由一个大亚基和一个小亚基组成，原核细胞和真核细胞都是如此。原核生物具有 70S 核糖体，每个核糖体都包含一个小亚基 (30S) 和一个大亚基 (50S)。真核生物具有 80S 核糖体，每个核糖体都包含一个小亚基 (40S) 和一个大亚基 (60S)。由于结构上的差异，细菌 70S 核糖体容易受到这些抗生素的影响，而真核 80S 核糖体则不会。在细胞结构中，线粒体具有类似于细菌的核糖体；然而，真核细胞内的线粒体不会受到这些抗生素的影响，因为它们被其细胞器的膜包围着。人们发现细菌中翻译过程的起始发生在 30S 亚基上。这个过程需要提高孵育温度和离子强度，以便组装成其氨基酸序列中包含的正确三级结构。由 Masayasu 博士进行的关于大肠杆菌中核糖体和核糖体成分合成的研究实验也发现，核糖体颗粒的正确组装发生在它们自身分子成分的结构中，而不是由其他非核糖体因素决定的。
核糖体是蛋白质合成的必要因素，它在翻译过程的起始阶段组装在 mRNA 的翻译起始区 (TIR) 上。mRNA 在穿过大核糖体亚基时被解码，并将多肽链放置在核糖体的另一个亚基中。一旦到达核糖体中的终止密码子，新合成的蛋白质就会解离。在最后的核糖体循环阶段，核糖体亚基解离，mRNA 被释放。翻译过程的主要事件在原核细胞和真核细胞中都非常相似。每个阶段的详细机制存在主要差异。细菌翻译涉及相对较少的因子，这与真核生物中更为复杂的过程形成对比。
在蛋白质延伸过程中，核糖体 PTC 作为催化剂，切割
Leung, Ki Yun, et al. (2011). [1] 核糖体介导的肽酰基转移催化的机制, 80(1):527-555.