蛋白質聚集通常是通過一系列過程實現,首先是蛋白內部結構的變化導致形成二聚體或寡聚體,隨后聚集體生長,最終形成亞可見或可見的顆粒。
1. 初始聚集/成核
蛋白質存在一定固有的構象波動或局部結構擾動,這些結構的變動可能會導致蛋白質中具有聚集傾向的序列或“熱點(hot spot)”被暴露,進而使其與另外的蛋白質結合形成二聚體和/或寡聚體,這即是最初形成聚集體,也被稱為成核。其中這些熱點可能會位于蛋白質的不同區域,如CDR1, Fab, Fc, CH2 或CH3等。
蛋白質結構的擾動可能會由不良的溶劑條件如低pH、有機溶劑或壓力條件等因素引起。因此,這些聚集體的初始成核速率可能與蛋白質構象穩定性或靈活性相關。
除此之外,非原有的蛋白寡聚體也會成為初始聚集的核,這些寡聚體可以是二聚、三聚,乃至更高階的聚集體。這些聚集體可以通過分子間的相互作用而形成。對于結構擾動導致的聚集或者解折疊導致的聚集,單體分子被認為是成核的關鍵因素。
盡管在蛋白質聚集過程中存在多種弱的蛋白-蛋白相互作用,一種占主導作用的相互作用被認為是靜電相互作用,其直接或間接通過促進其他相互作用(如疏水相互作用、氫鍵、范德華力等)而使得蛋白發生聚集。
2. 聚集體生長
成核后,初始的寡聚體生長形成更大的聚集體。聚集體的生長可通過多種機理發生: 單體-聚體的相互作用、聚體-聚體相互作用或兩者均有。聚集體的成長可以通過蛋白質的構象穩定性或膠體穩定性(蛋白-蛋白相互作用)來控制。
聚集體的生長往往是一個非線性過程,隨著核和初始聚集體隨時間的增加,其會呈現指數增長,也因此蛋白質聚集常被描述為二階或高階過程。
隨著蛋白質聚集體的生長,其最終可能會形成不可溶顆粒,并表現出不同的形貌。