【核心知识】蛋白质折叠的热力学和动力学
生物物理中的蛋白质折叠及其机制
生物物理中的蛋白质折叠及其机制生物物理领域中的蛋白质折叠及其机制蛋白质是生物体内最为基本的大分子物质之一，它们担任了许多生物学过程中的关键角色，例如催化酶反应、运输分子和细胞信号传导等一系列重要功能。
而蛋白质如何从单线性肽链转化为复杂的稳定的三维结构，即“折叠”成蛋白质分子，则一直被生物学研究者所关注。
蛋白质折叠是指由单肽链高度不规则的构象转变为规则、稳定、具有生物学功能的三维结构过程。
例如，静止的状态下，人体内的胰岛素是由两条肽链形成一对单跨膜肽链，而当胰岛素被释放后，便可折叠成一个结构稳定的分子。
由于折叠蛋白质的三维形态对其功能的影响非常大，因此了解蛋白质折叠的机制成为了生物物理研究的热点。
目前，生物学家们还未能解决完全许多关于蛋白质折叠的问题，但对其中的一些机制进行了深入研究。
蛋白质折叠的机制目前，蛋白质折叠的机制大致可分为两种：热力学模型和动力学模型。
热力学模型基于热力学平衡，认为蛋白质会自发地折叠成最稳定的结构，例如Gibbs自由能最小的状态。
而动力学模型则从动力学的角度解释蛋白质分子折叠过程中不同状态的转换。
在热力学模型中，蛋白质折叠主要分为两个阶段：局部折叠和全局折叠。
局部折叠是指蛋白质中的某些区域首先聚集成稳定的局部三维结构，然后相邻的局部结构逐渐连接形成整个蛋白质的结构；全局折叠则是指整个蛋白质依据热力学原理，逐渐折叠成为最稳态结构。
当然，这只是理论上的折叠过程，实际上，在细胞环境中，蛋白质的折叠过程受到许多影响，并且可能会有多个可能的稳态存在。
动力学模型则注重研究蛋白质折叠动力学过程中的中间态，将折叠过程分为四个阶段：无序态、预折叠态、折叠中间体态和全局结构。
其中，折叠中间体态是指蛋白质折叠过程中的关键分子结构，是蛋白质折叠过程中的重要中间阶段。
那么，蛋白质折叠中发生的具体过程是什么呢？蛋白质折叠的具体过程蛋白质折叠可以被视为当单线性氨基酸链逐渐向空间中折迭收缩，其基本单元是“小结构”。
蛋白质折叠——精选推荐
蛋白质折叠蛋白质折叠是生物化学和分子生物学的前沿课题之一，近年来蛋白质折叠的研究日益引起人们注意的原因是多方面的。
其一，遗传信息由DNA 到RNA再到蛋白质的过程是分子生物学的核心，通常称作分子生物学的中心法则，经过多年的研究人们对由DNA到RNA再到多肽链的过程已基本清楚，但是蛋白质的功能不仅依赖于其一级结构而且与空间结构紧密相关；其二，虽然蛋白质中一定的氨基酸顺序决定了其特定的空间结构的假说已被人们广泛接受，但是怎样由一定的氨基酸排列的多肽链生成具有一定的空间结构的蛋白质的问题仍未解决。
只有透彻地了解了多肽链是如何通过自身内在的信息及与周围环境（包括与各种蛋白质因子）的相互作用才能最终了解蛋白质的空间结构与功能的关系。
基因工程和蛋白质工程是近年来生物技术发展的产物和先导，但人们发现通过基因工程和蛋白质工程所获得的多肽链有时并不能自身卷曲成有一定空间结构和完整生物学功能的蛋白质，其原因在于在多肽链的折叠上出了问题。
因此从基因工程和蛋白质工程产物的翻译后加工的角度也要求人们了解蛋白质折叠的机理。
一、蛋白质复杂的三级结构信息贮存于氨基酸序列中关于氨基酸序列与蛋白质空间结构的关系研究最早的工作是由C.Anfinsen (1960)关于核糖核酸酶的研究工作。
他研究了核糖核酸酶的去折叠和重折叠过程。
该酶是由124 个氨基酸组成的蛋白质，有四对二硫键，其组合有105{[(2×4)!/24×4!]=105}种的可能方式。
当用还原剂如b-巯基乙醇(HOCH2-CH2-SH)作用时，二硫键被部分还原。
继续加大b-巯基乙醇的量，二硫键可全部被还原。
用8 M 的脲加b-巯基乙醇处理多肽链，分子内四对二硫键可全部被还原，肽链伸展为无规卷曲，酶活性完全丧失。
但如果将脲和b-巯基乙醇透析掉并在空气中进行氧化，多肽链可又重新折叠为一个具有特定的三维结构和催化活性的酶，它与未经处理的酶具有相同的溶解度并可结晶并获得相同的X-射线衍射图，其吸收光谱也相同。
蛋白质的折叠的热力学与动力学
热力学与动力学在蛋白质折叠的研究中相互补充，提供了不同角度和层面的认 识。通过研究热力学和动力学参数的变化，可以深入了解蛋白质折叠过程的机 制和调控机制，为蛋白质设计和药物研发提供理论支持。
04
CATALOGUE
蛋白质折叠的研究方法
X射线晶体学
总结词
X射线晶体学是一种通过X射线分析蛋白质晶体结构的方法， 可以提供蛋白质折叠的空间结构和原子间的相互作用信息。
蛋白质的折叠的热 力学与动力学
目 录
• 蛋白质折叠的热力学 • 蛋白质折叠的动力学 • 蛋白质折叠的热力学与动力学的关系 • 蛋白质折叠的研究方法
01
CATALOGUE
蛋白质折叠的热力学
热力学基本概念
01
02
03
熵
表示系统的混乱度或无序 程度，熵越大，系统越混 乱。
焓
表示系统的能量，包括内 能和外能。
02
CAHale Waihona Puke ALOGUE蛋白质折叠的动力学
动力学基本概念
反应速率
01
描述蛋白质折叠过程的快慢，通常用毫秒或秒为单位。
反应机制
02
蛋白质折叠过程中涉及的中间状态和步骤，包括快反应和慢反
应阶段。
活化能
03
蛋白质折叠过程中需要克服的能量障碍，影响折叠速率和折叠
方式。
蛋白质折叠的动力学模型
分子构象变化
蛋白质折叠过程中分子构象如何变化，包括不同状态之间的转换 。
详细描述
X射线晶体学的基本原理是利用X射线照射蛋白质晶体，当X 射线通过晶体时，会与蛋白质分子发生散射，通过测量散射 强度和角度，可以推导出蛋白质分子的空间结构和原子间的 距离等信息。
核磁共振技术
蛋白质聚集的热力学和动力学特征分析
蛋白质聚集的热力学和动力学特征分析蛋白质是生物体内重要的功能性分子，其正确的折叠状态对于维持生命活动至关重要。
然而，一些特定条件下，蛋白质会发生异常聚集，形成聚集体，导致细胞代谢紊乱甚至引发疾病。
因此，深入了解蛋白质聚集的热力学和动力学特征对于阐明其相关疾病的发生机制以及寻找相应的治疗策略至关重要。
一、蛋白质聚集的热力学特征分析在研究蛋白质聚集的热力学特征时，我们通常关注以下几个方面：1.1 热稳定性蛋白质的折叠状态受到温度的影响，高温或者低温会导致蛋白质的变性和聚集。
通过测定蛋白质的熔点（Tm）可以了解其热稳定性。
常用的方法包括差示扫描量热仪（DSC）和荧光蛋白熔解曲线分析。
1.2 pH和离子强度敏感性蛋白质的pH和离子强度对其折叠状态和聚集性质有显著影响。
通过调控环境条件，如溶液pH值和离子强度，可以研究蛋白质聚集的热力学特征。
例如，使用光散射和动态光散射等技术可以分析蛋白质在不同pH值和离子强度下的聚集状态。
1.3 热力学模型利用热力学模型可以描述蛋白质聚集的热力学特征。
如，利用Langmuir模型可以描述蛋白质在溶液中的聚集平衡。
此外，还可以利用扩散限制聚集模型和核化聚集模型等来分析蛋白质聚集的热力学特征。
二、蛋白质聚集的动力学特征分析除了热力学特征，蛋白质聚集的动力学特征也是关键所在。
以下是常用的分析方法：2.1 速率常数研究蛋白质聚集的动力学特征时，我们通常利用速率常数来描述聚集反应的速率。
通过测定聚集反应的速率常数，可以了解蛋白质聚集的动力学特征和反应机理。
2.2 聚集动力学模型利用聚集动力学模型可以揭示蛋白质聚集的动力学特征。
常见的动力学模型包括核化成长模型、聚合物动力学模型等。
这些模型可以用来分析蛋白质聚集的速率常数和聚集机制。
2.3 聚集过程可视化通过荧光共振能量转移（FRET）等技术，可以直接观察蛋白质聚集过程。
这种可视化的分析方法对于揭示蛋白质聚集的动力学特征和聚集机理至关重要。
蛋白质稳定性与折叠研究进展
蛋白质稳定性与折叠研究进展蛋白质是生命活动的重要组成部分，具有广泛的生物学功能。
为了正常发挥生物学功能，蛋白质必须具备稳定性和正确的折叠结构。
因此，研究蛋白质折叠和稳定性，对于深入了解蛋白质结构和生物学功能，以及开发蛋白质药物具有重要意义。
本文将对蛋白质稳定性和折叠研究的进展进行探讨。
一、蛋白质折叠的定义和特点蛋白质折叠是指蛋白质分子在生物体内或体外缓慢折叠成稳定的三维结构的过程，包括主链的折叠和旋转，侧链的取向和相互作用。
蛋白质折叠的特点包括速度慢、多重路径和依赖于环境。
由于蛋白质分子具有不同的氨基酸组成和序列，折叠过程的速度和路径可以迥异。
此外，环境条件也可以影响蛋白质折叠，如温度、pH值、离子浓度和溶剂等。
二、蛋白质折叠的动力学模型为了深入了解蛋白质折叠的过程，科学家们提出了许多动力学模型。
其中，最为广泛应用的是Kinetic Partitioning Model和Folding Nucleation模型。
Kinetic Partitioning Model是指在蛋白质折叠过程中，分子会遍历多种可能的折叠状态，并且在不同状态之间自由转换。
最终，根据能量最低原理，分子会停留在最稳定的折叠状态。
该理论为蛋白质折叠的多重路径提供了合理的解释。
Folding Nucleation模型则是指蛋白质折叠的起点是核心，从核心开始形成稳定的二级结构，再膨胀成完整的三维结构。
该模型通常用于描述蛋白质的快速部分折叠。
三、蛋白质稳定性的影响因素蛋白质的稳定性是指蛋白质保持其空间结构的能力。
蛋白质稳定性是由分子内部作用力和外部环境因素共同作用的结果。
分子内部作用力包括氢键、离子键、疏水作用和范德华力等，其中氢键的贡献最大。
外部环境因素包括温度、pH值、离子浓度、化学物质和压力等。
这些因素可以影响分子的构象、结构和动力学属性，导致蛋白质的不稳定。
四、蛋白质稳定性的测量方法为了正确评估蛋白质的稳定性，科学家们发明了许多蛋白质稳定性测量的方法。
蛋白质折叠的热力学和动力学
蛋白质折叠的热力学和动力学药学院 10489629 苟宝迪蛋白质是一种生物大分子，基本上是由20种氨基酸以肽键连接成肽链。
肽链在空间卷曲折叠成为特定的三维空间结构。
有的蛋白质由多条肽链组成，每条肽链称为亚基，亚基之间又有特定的空间关系，称为蛋白质的四级结构。
所以蛋白质分子有非常特定的复杂的空间结构。
诺贝尔奖得主Anfinsen认为每一种蛋白质分子都有自己特有的氨基酸的组成和排列顺序，由这种氨基酸排列顺序决定它的特定的空间结构。
具有完整一级结构的多肽或蛋白质, 只有当其折叠形成正确的三维空间结构才可能具有正常的生物学功能. 如果这些生物大分子的折叠在体内发生了故障, 形成错误的空间结构, 不但将丧失其生物学功能, 甚至会引起疾病.蛋白质异常的三维空间结构可以引发疾病，疯牛病、老年性痴呆症、囊性纤维病变、家族性高胆固醇症、家族性淀粉样蛋白症、某些肿瘤、白内障等等都是“折叠病”。
蛋白质折叠的研究（图1[1]），是生命科学领域的前沿课题之一。
不仅具有重大的科学意义，而且在医学和在生物工程领域具有极大的应用价值。
图1蛋白质折叠的热力学研究蛋白质折叠的研究，比较狭义的定义就是研究蛋白质特定三维空间结构形成的规律、稳定性和与其生物活性的关系。
这里最根本的科学问题就是多肽链的一级结构到底如何决定它的空间结构？X-射线晶体衍射是至今为止研究蛋白质结构最有效的方法, 所能达到的精度是其它任何方法所不能比拟的. 但是, 蛋白质分离纯化技术要求高, 蛋白质晶体难以培养,晶体结构测定的周期较长, 从而制约了蛋白质工程的进展. 随着近代物理学、数学和分子生物学的发展, 特别是计算机技术的进步, 人们开始用理论计算的方法, 利用计算机来预测蛋白质的结构. 同源模建方法是最常用、最有效的蛋白质结构预测方法. 但是, 利用同源模建方法预测蛋白质结构时, 需用同源蛋白质的已知结构作为模板. 当缺乏这种模板结构时, 预测则很难奏效. 这是该方法的天生缺陷. 是否能从蛋白质序列出发, 直接预测蛋白质的结构?从理论上最直接地去解决蛋白质的折叠问题，就是根据测得的蛋白质的一级序列预测由Anfinsen原理决定的特定的空间结构。
蛋白质折叠动力学研究方法及应用
蛋白质折叠动力学研究方法及应用蛋白质折叠动力学是研究蛋白质在折叠过程中的动力学行为和特性的学科。
折叠是蛋白质生命活动中重要的一环，也是影响蛋白质性质和功能的重要因素。
因此，研究蛋白质折叠动力学有助于理解蛋白质功能和疾病发生的分子机制。
本文主要介绍蛋白质折叠动力学研究的方法和应用。
一、热力学法热力学法（Thermodynamics）研究蛋白质折叠动力学时，主要是关注蛋白分子折叠或反折叠的稳定性和热力学参数，如自由能、热容、热力学熵等。
通过测量温度和蛋白质在不同温度下的热容变化，可以计算出蛋白质折叠中所涉及的热力学参数，从而得出蛋白质折叠的稳定性和动力学行为。
热力学法简便易行，但其只能测量蛋白质折叠的定态参数，并未涉及其动力学行为。
二、动力学法动力学法（Kinetics）研究蛋白质折叠动力学时，关注的是蛋白质分子的折叠过程。
最常用的是荧光谱技术，在荧光标记的蛋白质分子中引入融合剂以诱导蛋白质折叠，然后通过测量蛋白质荧光强度的变化来研究蛋白质分子的折叠动力学过程。
动力学法可定量研究蛋白质折叠的动力学机制和反应速率等，但其测量结果受实验条件影响较大，可重复性较差。
三、分子动力学模拟法分子动力学模拟法是一种计算机模拟方法，通过计算分子在时间尺度上的运动轨迹来模拟蛋白质折叠过程。
分子动力学模拟法可以得到蛋白质折叠过程中分子的位置、速度、加速度等动力学参数，详细了解折叠动力学机制。
通过不断改进模拟方法和算法，分子动力学模拟法的精度和可信度不断提高，已经成为研究蛋白质折叠动力学的重要工具。
应用：1、研究蛋白质结构和功能通过折叠动力学研究，可以揭示蛋白质的三维结构和折叠特性，有利于解析蛋白质的结构和功能。
借助动力学法或分子动力学模拟法，可以研究蛋白质结构在不同条件下的变化和稳定性，进而了解蛋白质的功能和折叠机制。
2、探索蛋白质相关疾病的分子机制蛋白质折叠过程异常与许多疾病的发生有关，例如糖尿病、肿瘤和神经退行性疾病等。
蛋白质构象变化的动力学和热力学机理
蛋白质构象变化的动力学和热力学机理作为一种重要的生物大分子，蛋白质的构象变化在生命过程中发挥着重要作用。
这种变化是由于蛋白质分子内部构成的复杂结构所引起的，而这个结构的改变则是受到一系列热力学和动力学规律的控制。
蛋白质的构象转变过程主要有两种：一种是由于外界因素的刺激，例如温度变化、pH值变化和化学药物的加入等，使得蛋白质分子的构象由原来的稳态转换为另一种稳态的过程。
另一种则是蛋白质分子的内在构造本身，在没有外界干扰的情况下也会出现构象变化。
在外界干扰的情况下，控制蛋白质的构象转变主要有两种热力学机制：一种是熵驱动机制，另一种则是化学势驱动机制。
熵驱动机制是指蛋白质分子在外界温度变化时，由于分子内部的自由度会发生改变，从而引发构象转变的过程。
这种过程主要是通过改变蛋白质分子的内部自由度和向外扩散熵的方式来进行调节的。
由于熵的增大与热力学初始状态无关，因此这种热力学机制的调节范围非常广泛，所以在很多生命过程中都起到了非常重要的作用。
化学势驱动机制则是指在外界作用下，蛋白质分子的构象转变可以通过自身内部化学势的变化来实现。
这种机制主要是通过改变蛋白质分子内部键合反应的平衡条件来实现的，从而对构象转变进行调节。
蛋白质分子内在构象转变的过程则与外界的干扰无关，主要是由于蛋白质分子本身在生命过程中需要不断地进行功能性变化，从而引发重要的构象变化。
这种构象变化主要有三种表现形式：一种是通过蛋白质分子的整体移动来实现，也就是整体构象变化；另一种则是通过蛋白质分子内部键合的调整来实现，这种调整可以使得这些分子的特定区域发生一定的构象变化；第三种则是通过蛋白质分子内部的局部变化来实现，从而使得分子具有不同的功能性。
总之，蛋白质的构象变化是一个非常复杂的过程，在调节其构象变化过程中需要同时考虑热力学和动力学的规律。
通过对这些规律的深入研究，可以为我们更好地理解蛋白质在生命过程中的作用提供帮助。
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蛋白质折叠的热力学和动力学药学院 10489629 苟宝迪蛋白质是一种生物大分子，基本上是由20种氨基酸以肽键连接成肽链。
肽链在空间卷曲折叠成为特定的三维空间结构。
有的蛋白质由多条肽链组成，每条肽链称为亚基，亚基之间又有特定的空间关系，称为蛋白质的四级结构。
所以蛋白质分子有非常特定的复杂的空间结构。
诺贝尔奖得主Anfinsen认为每一种蛋白质分子都有自己特有的氨基酸的组成和排列顺序，由这种氨基酸排列顺序决定它的特定的空间结构。
具有完整一级结构的多肽或蛋白质, 只有当其折叠形成正确的三维空间结构才可能具有正常的生物学功能. 如果这些生物大分子的折叠在体内发生了故障, 形成错误的空间结构, 不但将丧失其生物学功能, 甚至会引起疾病.蛋白质异常的三维空间结构可以引发疾病，疯牛病、老年性痴呆症、囊性纤维病变、家族性高胆固醇症、家族性淀粉样蛋白症、某些肿瘤、白内障等等都是“折叠病”。
蛋白质折叠的研究（图1[1]），是生命科学领域的前沿课题之一。
不仅具有重大的科学意义，而且在医学和在生物工程领域具有极大的应用价值。
图1蛋白质折叠的热力学研究蛋白质折叠的研究，比较狭义的定义就是研究蛋白质特定三维空间结构形成的规律、稳定性和与其生物活性的关系。
这里最根本的科学问题就是多肽链的一级结构到底如何决定它的空间结构？X-射线晶体衍射是至今为止研究蛋白质结构最有效的方法, 所能达到的精度是其它任何方法所不能比拟的. 但是, 蛋白质分离纯化技术要求高, 蛋白质晶体难以培养,晶体结构测定的周期较长, 从而制约了蛋白质工程的进展. 随着近代物理学、数学和分子生物学的发展, 特别是计算机技术的进步, 人们开始用理论计算的方法, 利用计算机来预测蛋白质的结构. 同源模建方法是最常用、最有效的蛋白质结构预测方法. 但是, 利用同源模建方法预测蛋白质结构时, 需用同源蛋白质的已知结构作为模板. 当缺乏这种模板结构时, 预测则很难奏效. 这是该方法的天生缺陷. 是否能从蛋白质序列出发, 直接预测蛋白质的结构?从理论上最直接地去解决蛋白质的折叠问题，就是根据测得的蛋白质的一级序列预测由Anfinsen原理决定的特定的空间结构。
蛋白质氨基酸序列，特别是编码蛋白质的核苷酸序列的测定现在几乎已经成为常规技术，利用分子生物学技术可以从互补DNA（cDNA）序列可以推定氨基酸序列，大大加速了蛋白质一级结构的测定。
目前蛋白质数据库中已经存有大约17万个蛋白的一级结构，但是测定了空间结构的蛋白大约只有1．2万个，这中间有许多是很相似的同源蛋白，已经有人根据基因组的数据用统计方法重新估计了蛋白质折叠类型数目大约为1000种。
“蛋白质结构预测”属于理论方面的热力学问题，蛋白质分子结构本身的复杂性决定了结构预测的复杂性。
目前结构预测的方法大致可分为两大类。
一类是假设蛋白质分子天然构象处于热力学最稳定，能量最低状态，考虑蛋白质分子中所有原子间的相互作用以及蛋白质分子与溶剂之间的相互作用，采用分子力学的能量极小化方法，计算出蛋白质分子的天然空间结构。
第二类方法是利用存入蛋白质数据库的数据进行预测相比，基于同源性的重复循环技术非常可靠地灵敏地进行结构预测。
找出数据库中已有的蛋白质的空间结构与其一级序列之间的联系总结出一定的规律，逐级从一级序列预测二级结构，再建立可能的三维模型，根据总结出的空间结构与其一级序列之间的规律，排除不合理的模型，再根据能量最低原理得到修正的结构。
但是，第一类方法遇到在数学上难以解决的多重极小值问题，而逐级预测又受到二级结构预测精度的限制。
图2[2]为蛋白质折叠研究的漏斗模型。
从能量的角度看，漏斗表面上的每一个点代表蛋白质的一种可能的构象，变性状态的蛋白质构象位于漏斗顶面，漏斗最底部的点表示用X-射线单晶衍射或NMR测定的蛋白质天然构象，而漏斗侧面的斜率用来说明蛋白质折叠路径（图3[1]）。
图2图3蛋白质肽链可能存在的构象似乎是无穷无尽的，事实上，肽链寻求的是能量最低的构象。
蛋白质的天然构象不仅主要是肽链内部和肽链之间的相互作用，很大程度上也取决于肽链和水分子的相互作用，应为蛋白质一般处于水环境中。
在水中，蛋白质的非极性部分倾向于形成非极性聚集体，也就是疏水作用。
现在越来越多的人已认识到, 在肽链序列上相隔较远的氨基酸残基间的疏水作用力对维持和稳定蛋白质分子的构象具有重要影响.疏水作用的影响使得蛋白质折叠模型具有一个疏水核。
在预测蛋白质结构时, 面临的困难之一是: 我们所研究的系统要比化学家研究的系统复杂得多. 因而在研究中, 往往要把问题简化. 蛋白质肽链可看成是一个刚性的平面结构. 各个氨基酸侧链之间的差异不仅在于大小和形状, 而且在于它们所具有的理化性质, 特别是侧链所带的电荷以及对水的亲疏性.蛋白质结构预测方法总体上可分为三大类, 即比较建模法、反向折叠法和从头预测法. 近年来, 比较建模法和反向折叠法的研究都已取得重要的进展, 一些商品化计算机软件已投入使用, 并不断被改进. 如Composer 和Threading 等. 这两类方法的共同点是, 在预测目标蛋白质的结构时都要利用已知的结构数据库. 当目标蛋白质找不到同源蛋白质, 或同源性过低时这些方法都无法奏效. 而从头预测法仅利用氨基酸序列和模拟氨基酸间相互作用的模型来预测目标蛋白质的空间结构, 因此具有更大的挑战性. 总体上说, 蛋白质结构的从头预测法涉及三方面的工作[4]. 一是归结出能更好地反映氨基酸间相互作用和环境条件等的数学模型; 其次是建立更有效地区分目标结构正确与否的识别方法; 三是发展更高效的搜索方法用于功能构象的搜索. 适用于蛋白质折叠模拟的具体算法作些介绍, 它们是Monte Carlo 方法、遗传算法和混合遗传算法.近年来, 蛋白质结构预测, 特别是蛋白质折叠预测方面的研究不断取得新的进展. 从头预测法用于蛋白质折叠预测获得了很好的结果, 几个研究小组对若干测试蛋白质所作的预测与X-射线衍射测定的折叠结构已相当接近，见图4[3]。
图4蛋白质折叠的动力学研究蛋白质折叠第二个根本的科学问题是具有完整一级结构的多肽链又是如何折叠成为它特定的高级结构？这是一个折叠的动力学的问题，长期以来，主要用体外的实验方法研究，虽然已有四五十年，但至今尚未解决。
我们知道，多数蛋白质在体外是不稳定的，外界环境的变化，如温度、酸度等，都可以导致其空间结构的破坏和生物活性的丧失，但却并不破坏它的一级结构，这称为蛋白质的变性。
对蛋白质变性作用的认识是我国科学家吴宪在三十年代基于他在国内的工作首先提出来的，长期以来已经为国际上广泛接受。
变性的蛋白质往往成为一条伸展的肽链，由于一级结构仍然完整，根据Anfinsen原理它应该可以在一定的条件下重新折叠成原有的空间结构并恢复原有的活性。
这就是长时间来在体外研究蛋白质折叠的基本模型。
目前的实验和理论研究多以小分子量、单链蛋白质为模拟体系, 这类蛋白质通常可采用稀释法折叠、复性, 其中研究最多的模型蛋白是溶菌酶[5]。
实际上，研究者所采用的蛋白质体系为简单体系, 其折叠过程机理和动力学与实际体系相差甚远。
绝大多数蛋白质从一条伸展的肽链，折叠成有其特定结构的、有活性的蛋白质，并不是一步完成的，而要经过许多折叠的中间状态。
含有多个亚基的蛋白质分子，亚基间的相互作用使之组装成复杂蛋白分子。
研究人员用实验方法，特别是近年来发展的快速测定方法去追踪蛋白质重折叠的全过程，尽可能捕捉折叠过程中的每一个中间状态。
不同阶段的折叠速度不同，有的比较慢，比较容易发现和捕捉；但有的非常快，必须要有特殊的设备配合各种测试技术去进行研究。
最近有人尝试大幅度降低温度使折叠速度减慢而得以追踪。
最终，人们要定量地描述整个折叠的动态过程。
图5[6]给出计算机模拟蛋白质折叠轨迹的例子。
图5利用荧光、Stopped-flow、圆二色等先进的监测手段为蛋白质折叠的研究不仅提供了折叠过程的大量信息，能够较容易地对蛋白质折叠进行监控。
Ugo Mayor等利用溶液X-射线散射检测到En-HD蛋白折叠过程中的过渡态。
图6蛋白质体内折叠并不是在表达完成后才开始的。
体内严格的调控系统和蛋白质一级结构提供的基因信息与蛋白质折叠是有密切关系的。
在进行蛋白质体外折叠时, 可以分析蛋白质在体内的生物环境, 通过体外施加物理外场、提供化学助剂来模拟体内的生物环境, 从而接近蛋白质需要的最佳折叠状态。
蛋白质在折叠过程中往往形成多个不同的折叠中间态, 这些状态也具有活性, 此时单纯以活性为目标来衡量折叠效果是不完备的, 有时甚至会给出严重的错误信息,蛋白质折叠技术的研究应当将蛋白质结构研究与折叠过程动力学研究相结合以促进对蛋白质折叠机理的认识。
参考文献：[1] Christopher M.D. Protein Folding and Disease: a view from the first Horizon Symposium Drug Discovery 2003，2：154[2] Patricia L.C. Protein folding in the cell: reshaping the folding funnel Trends in Biochemical Sciences 2004,29(10)：527[3] Jose´N.O. Peter G.W. Theory of protein folding Current Opinion in Structural Biology 2004, 14:70[4] 倪红春 王翼飞 史定华 遗传算法在蛋白质结构预测中的应用 上海大学学报(自然科学版) 2001，7（3）：225[5] 黄星 卢滇楠 闫明 刘铮 蛋白质体外折叠技术研究现状与展望 化工进展 2002，21（12）：875[6] Valerie D. Alan F. The present view of the mechanism of protein folding Molecular Cell Biology 2003,4: 497[7] Ugo Mayor etal The complete folding pathway of a protein from nanoseconds to microseconds NATURE 2003,421(20):863。