繪制蛋白折疊過渡狀態的能級圖譜

Rice大學物理學家最近獲得了一種研究蛋白折疊詳細過程的新途徑，可用于探測折疊過程需要多少能量，在蛋白折疊科學領域有廣泛的應用性。由于發現阿爾茨海莫氏癥、帕金森氏癥等疾病與蛋白的錯誤折疊有重要相關性，因此蛋白折疊科學在過去的十年中積累了大量數據。這一成果將刊登于最新一期《Physical Review Letters》雜志。

文章作者、物理學和天文學副教授Ching-Hwa Kiang說：“我們認為這種方法適用于任何蛋白，有很多人致力于研究這個問題（蛋白折疊），每當我們在科學會議上對我們的工作做報告時都會引起強烈反響。”

如果說DNA是生命的藍圖，那么蛋白則是依據這些藍圖構建的機器。所有活體細胞都是依據其DNA序列將氨基酸串聯在一起合成蛋白的。蛋白的一級結構為線形，如同珍珠串，每個氨基酸代表一顆珍珠。然而，弄清氨基酸的排列順序對研究蛋白的功能并沒有多大的指導意義，因為每個蛋白在一級結構形成的瞬間（通常不過一秒）便折疊為三維結構。三維結構決定了蛋白的功能。

通過測量蛋白折疊為最終形狀所需要的自由能，研究人員希望更多了解一些氨基酸序列影響蛋白功能的機制，以及某些疾病中蛋白折疊出錯的原因。

在其折疊和未折疊狀態中間的一點上，蛋白像一架處于軌道最高點的過山車，需要一定的能量才能翻越，到達終點——最終的折疊狀態。如果缺少翻越最高點的能量，蛋白會退回到部分折疊或者錯誤折疊的狀態。

Kiang與研究生Nolan Harris利用這些能級（energy states）得到了某種類似于過山車軌道的圖譜。這是目前唯一能夠揭示蛋白必需越過的能障（energy barrier）的斜坡和最高點的方法。

“其它實驗方法給研究人員一張最初和最終能級——兩個平衡狀態的十分清晰的圖像，” Kiang說，我們的方法有助于填補中間發生的事件，即系統處于折疊和未折疊之間時。

Kiang與Harris以蛋白Titin中叫做127的片段為研究對象。此肽段含有89個氨基酸。Harris將上千個完整的、折疊的127懸浮在稀鹽溶液中，直到蛋白沉淀在容器的底部。原子力顯微鏡（atomic force microscope ，AFM）的探針反復沾入溶液中。AFM的探針只有幾原子寬，探入溶液后，隨著探針的提起，其隨機捕的127會被以線狀、未折疊的形狀提出。

Harris測量每次127未折疊時施加在懸臂上的力。為了獲得能量圖譜，他編寫了一個混合名為“Jarzynski equality”的統計力學等式的軟件。該等式將從折疊事件中的不平衡能量與沿著軌道從折疊狀態到未折疊狀態的平衡剖面（equilibrium profiles，生物通編者譯）聯系起來。

研究受到美國國家科學基金會、美國國立衛生研究院、Welch基金會和Hamill基金會的資助。

蛋白質折疊研究的概況

    在生物體內，生物信息的流動可以分為兩個部分：第一部分是存儲于DNA序列中的遺傳信息通過轉錄和翻譯傳入蛋白質的一級序列中，這是一維信息之間的傳遞，三聯子密碼介導了這一傳遞過程；第二部分是肽鏈經過疏水塌縮、空間盤曲、側鏈聚集等折疊過程形成蛋白質的天然構象，同時獲得生物活性，從而將生命信息表達出來；而蛋白質作為生命信息的表達載體，它折疊所形成的特定空間結構是其具有生物學功能的基礎，也就是說，這個一維信息向三維信息的轉化過程是表現生命活力所必需的。

    自從20世紀60年代，Anfinsen基于還原變性的牛胰RNase在不需其他任何物質幫助下，僅通過去除變性劑和還原劑就使其恢復天然結構的實驗結果，提出了“多肽鏈的氨基酸序列包含了形成其熱力學上穩定的天然構象所必需的全部信息”的“自組裝學說”以來，隨著對蛋白質折疊研究的廣泛開展，人們對蛋白質折疊理論有了進一步的補充和擴展。Anfinsen的“自組裝熱力學假說”得到了許多體外實驗的證明，的確有許多蛋白在體外可進行可逆的變性和復性，尤其是一些小分子量的蛋白，但是并非所有的蛋白都如此。而且由于特殊的環境因素，體內蛋白質的折疊遠非如此。

    體內蛋白質的折疊往往需要有其他輔助因子的參與，并伴隨有ATP的水解。因此，Ellis 于1987年提出了蛋白質折疊的“輔助性組裝學說”。這表明蛋白質的折疊不僅僅是一個熱力學的過程，顯然也受到動力學的控制。有的學者基于有些相似氨基酸序列的蛋白質具有不同的折疊結構，而另外一些不同氨基酸序列的蛋白質在結構上卻相似的現象，提出了mRNA二級結構可能作為一種遺傳密碼從而影響蛋白質結構的假說。但目前為止，該假說尚沒有任何實驗證據，只有一些純數學論證。那么，蛋白質的氨基酸序列究竟是如何確定其空間構象的呢？圍繞這一問題科研人員已進行了大量出色的工作，但迄今為止我們對蛋白質的折疊機制的認識仍是不完整的，甚至有些方面還存在著錯誤的觀點。

    在這方面作出重要貢獻的典型研究實例是美國C.B.安芬森小組關于牛胰核糖核酸酶的變性和復性的研究。牛胰核糖核酸酶含有124個氨基酸殘基,由8個巰基配對組成4對二硫鍵。可以計算出酶分子中8個巰基組成4對二硫鍵的可能方式有105種,這就提供了一個定量估算復性重組的指標。在溫和的堿性條件下,8摩爾的濃脲和大量巰基乙醇能使四對二硫鍵完全還原，整個分子變為無規則卷曲狀，酶分子變性。透析去除脲，在氧的存在下，二硫鍵重新形成，酶分子完全復性，二硫鍵中成對的巰基都與天然一樣，復性分子可以結晶且具有與天然酶晶體相同的X射線衍射花樣，從而證實，酶分子在復性過程中,不僅能自發地重新折疊,而且只選擇了105種二硫鍵可能配對方式中的一種。