蛋白质错误折叠
蛋白质的错误折叠
郑晓惠 10281034
生物物理学系
主要内容：
1 蛋白质的正常折叠及保护机制
2 蛋白质错误折叠与神经系统相关疾病
3 蛋白质错误折叠的机制
4 蛋白质错误折叠的致病机理
5 针对蛋白质错误折叠可采取的治疗途径
6 结语
一蛋白质的正常折叠及保护机制
根据分子生物学中心法则，生物遗传信息的传递是由DNA到RNA（转录）、RNA到蛋白质多肽链（翻译）、再由多肽链形成具有生物活性的蛋白质（折叠）进行的。目前对前两个过程已有相当深入和清晰的了解，但对后者尚不十分清楚。可以说蛋白质折叠是生物学中心法则中至今尚未解决的一个重大生物学问题。
蛋白质是生物体内一切功能的执行者。具有完整一级结构的多肽链只有当其折叠形成正确的三维空间结构才能具有正常的生物学功能。如果这种折叠过程在体内发生故障，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。
在细胞内大多数天然蛋白质能自发的形成比较稳定的天然结构，或被配体和代谢因子所稳定。但约10-20%新合成的多肽链需要分子伴侣的帮助才能正常折叠。另外，约有20%新合成的多肽链不能形成正确的三维结构而被蛋白酶降解，包括由于错误转录和翻译形成的不完全蛋白质，翻译后受到化学损伤或其他因素引起的失活、去折叠或折叠错误的蛋白质。在真核细胞中，多余的蛋白质主要通过泛肽化(ubiquittination)过程降解，见图1[3]。
分子伴侣实际上是生物克服细胞内大分子拥挤环境对蛋白质生物合成影响的进化产物。分子伴侣的共同特征是参与催化、介导其他多肽链或寡聚体蛋白质分子的折叠与组装，但不是蛋白质最终结构的一部分。它与靶蛋白的结合不具高度专一性，同一伴侣分子可促进多种氨基酸序列不同的多肽链折叠。它只是分子折叠的协助者，本身并不含正确折叠所必须的构象信息，而是通过阻止非天然多肽内部或相互间的不正确作用而发挥效能。至今为止发现的大多数分子伴侣属热休克蛋白的范畴。小分子伴侣，如热休克蛋白40和70，以单体形式与核糖体上延伸中新生肽链上的疏水氨基酸短序列结合，防止新生肽链在未完成合成之前的错误折叠，抑制相邻肽链上的疏水氨基酸间相互作用而发生的聚集。当一个结构域的多肽链合成完成，便与小分子伴侣解离，而折叠成为结构域。有一些蛋白质的结构域折叠缓慢，当后续肽链合成时常以部分折叠中间体的形式存在，此时可有大量的疏水表面暴露，有增加聚集时风险。这时就需要大分子伴侣的帮助，与中间体结合而抑制翻译后折叠过程中的聚集[4]。所以，分子伴侣在保证蛋白质的正常折叠中有重要作用。
图1 原核细胞中保证蛋白质正确折叠的过程
二蛋白质错误折叠与神经系统相关疾病
体内确保蛋白质正确折叠的过程包括两步：一是识别错误，发现那些蛋白质受到了损伤；二是决定错误能否更正，能更正的蛋白质在分子伴侣的帮助下恢复正常结构，不能更正的通过蛋白酶降解后清除。如果这一保护机制发生障碍，例如错误折叠的蛋白质所暴露的表面不能被分子伴侣或蛋白酶所识别，或形成聚合的速度大于被分子伴侣、蛋白酶识别的速度，则那些未被分子伴侣保护，又未被蛋白酶降解的错误折叠分子，就可能相互聚合，从而引起蛋白质构象病[3]。目前蛋白质错误折叠与疾病的关系已成为分子生物学新的研究前沿。
到目前为止已发现有15-20种蛋白能发生病理性的聚合，形成淀粉样沉淀。大量试验证明由朊病毒引起的神经退性变疾病是由于正常蛋白的错误折叠形成的致病蛋白-朊病毒蛋白(prion orotein PrP)在脑组织中累积而引起的，包括牛海绵状脑病（俗称疯牛病）、羊瘙痒病、人克雅氏病、震颤病和吉斯综合症等。PrP由17种氨基酸，246个分子组成，有两种形式；细胞型PrP c和异常型PrP sc。正常细胞中PrP c的序列以α螺旋结构为主, β折叠仅占11.9% 若PrP c中的α螺旋发生结构转换成β折叠, 则变成为异常型的PrP sc, 其结构中β折叠占43%。PrP sc蛋白聚集沉积，引起病状并有传染性.。如果在PrP sc蛋白中加入六氟异丙醇, 则β折叠重新转化为α螺旋, 同时积聚溶解并丧失传染性，见图2[3]。另外, βAPP蛋白(β amyloid precursor protein)的剪切和结构转换为β淀粉样肽(β amyloid), 并以多肽链间的β折叠形成纤维状沉积物则与老年痴呆症的发生有关[2]。帕金森氏病也可能是源于蛋白质的错误折叠。在病人脑中有被称为Lewy小体的蛋白沉积物，包含有α-synuclein蛋白形成的纤维。此外，还有亨丁氏舞蹈病和淀粉样蛋白病等也与蛋白质的病理性聚合有关。很显然, 蛋白质的淀粉样化是许多“构象病”的直接原因。认识导致蛋白质错误折叠的原因和途径，建立防止蛋白质错
误折叠的方法是防止和治疗这类疾病的关键。
图2 大肠杆菌中表达的重组人的PrP91-231片段从
α螺旋向β折叠结构的转化
三蛋白质错误折叠的机制和决定因素
蛋白质积聚往往由蛋白质的错误折叠所引起, 而蛋白质构象元件的结构转换是导致蛋白质错误折叠的主要原因。许多研究表明，在各种神经退性变疾病中各种错误折叠蛋白形成的聚集体有相同的分子形式，见图3[1]。一般而言，天然构象主要由α螺旋和无规结构组成，而错误折叠的构象富含β片层结构。由于其不溶性和非结晶性质，进行高分辨的研究比较困难。但最近用X线纤维衍射和固相核磁共振研究证实在神经退性变疾病的聚集体中富含β片层结构。而Tau聚集物例外，其主要组成为α螺旋。
图3 神经退性变脑组织内的聚集物
已建立的AD淀粉样纤维的分子模型认为该纤维是由与纤维长轴垂直平行排列的β片层靠氢键连接而成的原纤维组成。这表明在蛋白质的错误折叠和聚集中发生了多肽链较大的构象变化。但尚不清楚是错误折叠引发了聚集，还是蛋白的低聚合引起了构象变化。根据现有证据，很可能是轻度的构象变化导致了错误折叠中间体的形成，由于疏水部分的暴露而难溶于水性环境中。这个不稳定的中间体通过与其它分子的相互作用，形成小的亚聚体而稳定，进一步发展形成淀粉样纤维，见图4[1]。
图4 蛋白质错误折叠的过程
改变溶液条件和蛋白序列的研究是了解产生聚集所需构象变化条件的有效方法，在AD 的研究中用的最多。Aβ片段的研究表明氨基酸17-21间的内部疏水区域与Aβ的错误折叠和早期聚集有重要关系，提示Aβ聚集是由疏水相互作用驱动的。PrP的研究也有相似结果，其106-126间的疏水片段与错误折叠关系最大。虽然对α-synuclein蛋白纤维的形成过程还不太了解，但有证据表明其氨基端1-87的疏水部分有关键作用。
从上述情况可见, 具有β折叠结构的蛋白质容易形成积聚, 而纤维状的蛋白质积聚体中往往含有大量的β结构存在。蛋白质由于突变或其他因素引起α螺旋向β折叠的转换或许是比较普遍的结构转换模式, 具有较广泛的生物学意义。考察α螺旋和β折叠的结构特征, 发现β折叠往往含较多的非极性残基, 并埋在蛋白质内部形成疏水核心；而α螺旋通常是两性的, 亲水面位于表面, 疏水一侧朝向蛋白质内部[2]。α/β的结构转换导致疏水核的暴露和亲水面的减少, 容易引起蛋白质分子间形成交叉β折叠结构(cross-β-sheet)，这可能是引起Aβ和prion等蛋白质分子间积聚的主要原因。
那么, 从热力学或动力学观点看, 究竟是什么内在因素引起这种α螺旋向β折叠的转换. 这或许是今后认识蛋白质结构转换和分子积聚本质的基础.
四蛋白质错误折叠的致病机理
神经退性变疾病的典型特点是选择性的神经元丢失、突触改变和神经元炎症。但不同疾病脑内受累区域不同，而导致临床表现不同。神经元丢失是程序性细胞死亡，既细胞凋亡(progressed cell death or apoptosis)所致，目前至少有三种假说解释这一现象，见图5[1]。
（1） 获得性毒性假说（the gain of toxic activity）
这个被广泛接受的假说认为，蛋白质的错误折叠和聚集使其获得了神经毒性。直接证据是错误折叠的蛋白质在体外聚集可引起神经元的凋亡。此学说关于蛋白质的神经毒性有4种解释，见图6[1]。一是细胞外的聚集有可能通过与细胞特殊受体的相互作用，激活信号传导通道而导致凋亡。二是细胞内的聚集引起纤维聚集因子的再生而损害细胞。三是Aβ和PrP的神经毒性缘于离子通道形成所引起的膜破裂和去极化，改变了离子动态平衡和细胞信号传导的调节，导致细胞死亡。四是蛋白质的聚集引起超氧负荷（oxidative stress）,通过产生自由基，引起蛋白质和脂质过氧化及细胞内钙浓度增加，线粒体功能障碍，而致细胞死亡。
图5. 错误折叠蛋白质的神经退性变机制图6. 错误折叠蛋白质的神经毒性机制
最近，组织学、生物化学和细胞生物学的研究对聚集物学说提出了质疑。AD和PD病人脑组织的神经元病理分析表明含有Lewy小体和神经纤维缠结的神经元，在形态和生化方面比邻近细胞似乎更健康。而在没有神经元丢失和AD或PD临床表现的人中也发现有淀粉样斑和lewy小体。而且，在一些AD、TSH和HD的动物模型发现，在发生蛋白聚集前就可探测到脑损害和临床症状。最后，虽然在多数研究中蛋白聚集抑制剂能预防神经元损伤，但一些体内和体外的研究发现它们不能阻止（甚至增加）细胞死亡。这些结果提示导致神经退性变的真正原因可能发生在错误折叠过程中或低聚体形成的早期阶段，而不是脑中成熟的聚集沉淀物。这一假说得到下述结果的支持，即纯化的亚聚体和原纤维具有与成熟淀粉样纤维相似或更大的毒性。有学者认为淀粉样纤维的形成可能是一种保护机制，封闭和隔绝了有毒性的中间体。
换言之，可溶性的错误折叠中间体和淀粉样纤维均有毒性，但作用机制不同。前者可能是通过信号通路(signaling pathway)引起凋亡；而后者可能是占据组织间隙，破坏神经元间联系，再生细胞损伤因子。此外，最近的发现使关于蛋白质沉淀斑是稳定不变的观点发生了改变，聚集体中的蛋白质组分与各种可溶性蛋白质间可能处于一种动态平衡，这也使了解神经退性变的各种机制更加困难。
（2）炎症假说
这一假说认为异常的蛋白质聚集物作为一种刺激因子，在脑组织中引起慢性炎症反应，导致神经元死亡和突触改变。其证据有，在大多数神经退性变脑组织中有广泛的星形细胞增生，小胶质细胞的激活和炎症反应蛋白的聚集，如补体蛋白、补体抑制剂、蛋白酶、蛋白酶
抑制剂等。离体研究表明错误折叠和聚集的蛋白质能刺激小胶质细胞和星形细胞释放炎性物质。而且，临床治疗也表明用非类固醇抗炎药治疗，可使动物模型和人的AD发病率降低。
但也有研究表明在这些疾病中炎性反应或许是有益的。在AD的转基因动物模型，用补体C3抑制剂能增加神经退性变和斑块沉积；接种Aβ引起的免疫反应能明显减轻脑淀粉斑和改善行为和认知功能。上述结果表明，在神经退性变疾病中脑组织的炎症反应是一把双刃剑，同时具有正、反两方面的作用。
（3） 功能丧失假说（the loss of function）
这一观点认为神经元的退行性变化是蛋白质正常功能丧失所致。最初的证据来于在ALS 发现错误折叠的蛋白质能催化有毒的超氧化物阴离子转变成过氧化氢。另报道Aβ和PrP 在体外有超氧化物歧化酶的活性，说明蛋白质和一些有活性的氧化还原作用金属离子之间有异常反应，导致一些活性氧基团的生成而引起神经退性变。
五针对蛋白质错误折叠可采取的治疗途径
尽管对神经退性变疾病的病理有了较多了解，但至今还未有成功的治疗方法。如果蛋白质的错误折叠和聚集是其病理的中心环节，则治疗方案就应针对其设计，有四种可能的考虑[1]。
一是稳定天然蛋白的折叠构象，（图7a）。在prion感染的神经细胞可用化学伴侣(chemical chaperones)预防PrP的错误折叠。据报道与天然蛋白结合的小分子物质能稳定A β结构。 设想用蛋白质工程构造一种程序修改蛋白，其稳定性高 错误折叠倾向低，能阻止各种蛋白聚集，但具体实施有赖于复杂的基因治疗技术。
图7 防治蛋白质错误折叠的可能方法
二是用化合物抑制或反转已错误折叠和聚集的蛋白。在稳定正常蛋白的同时可考虑破坏错误折叠蛋白中病理性β片层结构的稳定性。例如可用β片层阻断肽阻止蛋白的错误折叠（图7b）。已经设计了用于阻止Aβ和PrP134-136构象变化和聚集的阻断肽。另有报道IDOX(4碘-4脱氧doxorubicin)和四环素能抑制蛋白质错误折叠、解聚一些已形成的聚合物。
三是能竞争性阻止蛋白质相互作用的化合物也常用于抑制聚集。有两类竞争剂，一是阻止单分子间相互作用的化合物，（图7c）,二是在边缘堆积，阻止片层生长的低聚分子，（图7d）。但由于很难实验性确定竞争性抑制剂的作用机制，又不知道在蛋白质聚集过程中哪个环节产生的毒性物质最强，因此一些抑制剂有可能引起一些中间体的蓄积而加重疾病。已报道可用于预防蛋白质聚集的物质有：对分子内β片层有亲和力的小分子（如刚果红等）、蛋白质错误折叠过程中的碎片、特异抗体和能与β片层聚集蛋白质相互作用的蛋白质。
四是增加错误折叠和聚集蛋白质的清除，（图7e）。已发现蛋白质的堆积取决于沉淀和清除的平衡。这方面最有希望的是曾在AD中试验的免疫方法。用合成的Aβ聚集体做抗原，使机体免疫产生的抗体清除它们。在AD的转基因动物模型中观察到，用此法能减少淀粉斑，减轻脑损害和行为失常。但在人体的实验，由于发生了一些脑膜炎而终止，此副作用原因不清。用主要刺激B细胞的Aβ片段或用抗错误折叠蛋白的抗体被动免疫可能更安全些。
六结语
神经退性变疾病发病的关键问题是脑组织中异常蛋白的错误折叠和聚集。每种疾病与不同蛋白的折叠有关，但导致错误折叠的分子途径和神经细胞死亡的机制似乎是相似的。这为建立治疗方法提供了一种途径。而且据此建立的治疗措施也将证明蛋白质构象转换在其病理学中的作用。
或许更引人注意的研究方向是其他疾病是否也与蛋白质的折叠变化有关，后者是否是一种更普遍的现象。多年以来，一直认为错误折叠和淀粉样聚集只是针对特殊的异常蛋白。但最近的研究表明许多（即使不是全部）蛋白在适当条件下可形成淀粉样结构。并发现哺乳动物朊蛋白和一些酵母蛋白能够通过蛋白质从一个分子到另一个分子的结构转换传递生物信息，这为生物学的研究打开了一个新的领域。生物信息通过有选择的蛋白质折叠传递可能代表了一种改变蛋白质活性的天然快速方式。这种方式能允许有机体在一代内发生适应环境的进化，而不必需要基因的改变，这将使对生物学的认识发生革命性的变化[1]。
总之, 蛋白质的结构转换与蛋白质功能和蛋白质积聚问题已开始受到人们的关注. 对下列几个疑难问题的认识, 将会对生命科学的发展产生重大影响.a.蛋白质折叠是受热力学还是动力学控制;b.结构转换的生物学意义;c.α/β转换有多大的普遍性, 其诱发因素是什么;d.蛋白质在什么条件下会形成积聚(淀粉样化), 它与人类疾病的关系;e.为什么prion蛋白有传染性, 它跟DNA遗传和传染有无关系.f.基因变异所产生的疾病有多少是与蛋白质折叠有关[2]。
参考文献
1. Soto C.Unfolding the role of protein misfolding in neurodegenerative
diseases.Nature reviews,volume 4:49 (2003）
2. 胡红雨 许根俊. 蛋白质的结构转换.生物化学与生物物理进展1999年 No.1
3. 周筠梅.蛋白质的错误折叠与疾病.生物化学与生物物理进展2000；27（6） 579
4. 李剑 王志珍细胞内的大分子拥挤环境. 生物化学与生物物理进展2001,28(6):788
未折叠蛋白反应 (1)
未折叠蛋白反应：从应激通路到稳定调节Peter Walter and David Ron 细胞分泌或展示在起表面的大多蛋白质进入它们折叠组装的场所内质网，只有合适的组装蛋白质才能从内质网进入细胞表面。细胞会根据需要来调节内质网内部蛋白质组装能力，从而确保蛋白质折叠的精确性。分泌蛋白或膜蛋白在它们被分派到内膜系统其他细胞器、分泌到细胞表面、或释放到胞外之前都在内质网腔内折叠、成熟。内质网通过激活包内信号转导来反应腔内未折叠蛋白的压力，这统称为未折叠蛋白反应（UPR）。而且，至少三种明显不同的UPR通路来调节各种不同基因的表达使内质网保持稳态或当内质网应激得不到消除时诱导细胞凋亡。最近研究进展给UPR的复杂机制及其在各种疾病中扮演的角色带来了一线光明。分 泌蛋白或膜蛋白在它们被分派到内膜系统其他细胞器、分泌到细胞 表面、或释放到胞外之前都在内质网腔内折叠、成熟。UPR，一种保 守系统发生信号路径，是内质网的检测器，检测折叠能力的不足并，感知错误折叠的胁迫，从而根据内质网状态来交流信息来调控振和基因表达。UPR的激活是通过对内质网膜表达的调节，用新合成的蛋白质折叠基质填充来满足需要。这种长期大范围转录调控伴随着进入内质网的蛋白质流量瞬间减少。这样UPR建立并维持的稳态的无数其他循环的一个范例。 复杂的细胞器安排发生元件的分子水平上得到阐明时，细胞生物学进展才能完美体现。UPR就是其中一个例子，他详细表述的分子机制说明了一个真核细胞调控器内质网的能力。令人感到意外的是，由于这些机制的激增，关于UPR是如何与细胞生理杂乱的各方面协调并维持稳态的，这方面的发现的大门被打开了。事实上，真核细胞所有用来与环境惊醒信息交流的蛋白都在内质网组装。它们传出传入的信息决定了器官的健康，比如传递细胞分裂、成熟、分化或死亡的信号。一个阈值来保证各部分组装的精确性，离开了这些质量控制集体就会陷入混乱局面。ER的基本功能就是运用对蛋白质的质量控制，使得只有经过正确折叠的蛋白质才能装入内质网囊泡被运网细胞表面。错误折叠蛋白滞留在ER内部，被排到细胞液后被蛋白酶体降解，这个过程成为内质网相关蛋白降解（ERAD）。ERAD 在不能引起UPR的细胞中是必须的，这也体现了多台不能回到他原来的状态的重要性。
错误折叠与蛋白质构象病
错误折叠与蛋白质构象病 生物物理系 2005级硕士研究生刘莹 摘要：许多疾病的发生是由蛋白质错误折叠引起的,这类疾病被称为蛋白质错误折叠病。蛋白质突变、泛素-蛋白酶和自噬功能的失常与蛋白质错误折叠的发生,异常蓄积和聚集有关。本文综述了蛋白质错误折叠和聚集的机制和部分蛋白质构象病产生的机理。 关键词：蛋白质错误折叠；分子伴侣；泛素-蛋白酶系统；溶酶体途径；Prion； 蛋白质是生物体的组成成分之一,在物质代谢、机体防御、血液凝固、肌肉收缩、细胞信息传递、个体生长发育、组织修复等方面均有不可替代的重要作用。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。一旦蛋白质形成了错误的空间结构,将丧失其生物学功能,还会引起相关疾病,迄今已发现20 多种蛋白质的错误折叠与疾病相关,神经退行性疾病如阿尔茨海默病’s disease , AD) , 帕金森病(Parkinson’s disease , PD) ,亨廷顿舞蹈病(Huntington’sdisease ,HD) ,朊蛋白病(prion disease) ,家族性肌萎缩侧索硬化症(familial amyotrophic lateral sclerosis ,ALS) 等均与错误折叠的蛋白质聚合和沉积有关。 一蛋白质折叠与降解的机制 蛋白质的一级结构是其特定空间结构的基础,此外,肽链还需经过与翻译同时进行的和翻译完成后的化学加工,如形成二硫键,完成糖基化、羟基化、磷酸化等化学修饰。这些化学修饰以及蛋白质亚基的非共价键聚合、蛋白质的靶向输送等均与肽链的折叠密切相关。在细胞内大多数天然蛋白质能自发形成比较稳定的天然结构, 或被配体和代谢因子所稳定。但约10 %～20 %新合成的多肽链需要分子伴侣的帮助才能正确折叠。此外,约有20 %新合成的多肽链不能形成正确的三维结构而被蛋白酶降解,包括由于错误转录和翻译形成的不完全蛋白质,翻译后受到化学损伤或其他因素引起的失活、去折叠或折叠错误的蛋白质。在真核细胞中,多余的蛋白质主要通过泛素化(ubiquitination) 过程降解。分子伴侣和蛋白酶系统是保证蛋白质正常功能的两大质量控制系统。 1）分子伴侣：分子伴侣是与其他蛋白不稳定构象相结合并使之稳定的蛋白,它们通过控制结合和释放来帮助被结合多肽在体内的折叠、组装、转运或降解等。在真核细胞中,许多蛋白质在胞内合成后分泌至细胞外。在经高尔基体分泌之前这些蛋白质先转移至内质网中(endoplamic reticulum , ER) 。ER 中含有大量的分子伴侣和蛋白折叠的催化剂以促进有效的折叠。这些蛋白质均严格遵守内质网质量控制机制来进行折叠。该机制包含了一系列糖基化和脱糖基化的过程,可以防止错误折叠的蛋白质从细胞中分泌出来。分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开,如此反复进行可防止错误的聚集发生,使肽链正确折叠。分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合,使之解聚后再诱导其正确折叠。分子伴侣主要分为伴侣素家族(chaperonin ,Cpn) 、应激蛋白70 家族(Stress270 family) 、应激蛋白90 家族(Stress290 family) 及核质素、T 受体结合蛋白(TRAP) 等。 2）蛋白酶系统：大部分细胞内蛋白降解均通过泛素2蛋白酶体途径。错误折叠或已损伤的蛋白质经泛素标记后被蛋白酶体所降解。泛素是由76 个氨基酸组成的蛋白质,在所有类型细胞中均有表达。蛋白质与泛素分子共价结合得以降解。第一个泛素分子与蛋白质结合后,可连接另一泛素分子,如此继而形成多泛素链。多泛素标记的蛋白质含4 个或更多的泛素,可被26 S 蛋白酶体识别并降解。Proteasome 是由多个亚单位组成的大分子复合物,是依赖于ATP 的蛋白质降解系统, 大约有40 种相对分子质量为20 000～110 000 的多肽组成两种具有相同酶解活性的复合物:20 S 和26 S proteasomes。
未折叠蛋白反应
未折叠蛋白反应：从应激通路到稳定调节 Peter Walter and David Ron 细胞分泌或展示在起表面的大多蛋白质进入它们折叠组装的场所内质网，只有合适的组装蛋白质才能从内质网进入细胞表面。细胞会根据需要来调节内质网内部蛋白质组装能力，从而确保蛋白质折叠的精确性。分泌蛋白或膜蛋白在它们被分派到内膜系统其他细胞器、UPR UPR 就是其中一个例子，他详细表述的分子机制说明了一个真核细胞调控器内质网的能力。令人感到意外的是，由于这些机制的激增，关于UPR 是如何与细胞生理杂乱的各方面协调并维持稳态的，这方面的发现的大门被打开了。 事实上，真核细胞所有用来与环境惊醒信息交流的蛋白都在内质网组装。它们传出传入的信息决定了器官的健康，比如传递细胞分裂、成熟、分化或死亡的信号。一个阈值来保证 分
各部分组装的精确性，离开了这些质量控制集体就会陷入混乱局面。ER的基本功能就是运用对蛋白质的质量控制，使得只有经过正确折叠的蛋白质才能装入内质网囊泡被运网细胞表面。错误折叠蛋白滞留在ER内部，被排到细胞液后被蛋白酶体降解，这个过程成为内质网相关蛋白降解（ERAD）。ERAD在不能引起UPR的细胞中是必须的，这也体现了多台不能回到他原来的状态的重要性。 UPR的延长意味着ER应激没有得到缓和，稳态没有得到恢复，这关联细胞的生死。同时也 B UPR主要的三种通路已被证明。所有通路格子新号传到通路平行进行。各通路根据一组内质网膜跨膜信号转道蛋白来命名：IRE1(抑制物阻抗性酯酶)、PERK(双键RNA依赖的蛋白激酶样内质网激酶)、ATF6(活性转录因子6)内质网膜上三种起信号转传导作用的跨膜蛋白。IRE1通路存在低等生物中最为保守的通路。伴随进化多细胞生物中才有了PERK和ATF6通路。不同的细胞类型中UPR有不同的体现。而且多重多样的基因编码ATF6家族蛋白，不如动物细胞中两类IRE1同源，暗示细胞类型的分化仍旧不得解。无论那种通路的激活都会导
浅谈蛋白质折叠的有关问题
浅谈蛋白质折叠的有关问题 【摘要】：蛋白质折叠问题是分子生物学中心法则尚未解决的一个重大生物学问题。从一级序列预测蛋白质分子的三级结构并进一步预测其功能，是极富挑战性的工作。研究蛋白质折叠，尤其是折叠早期过程，即新生肽段的折叠过程是全面的最终阐明中心法则的一个根本问题，在这一领域中，近年来的新发现对新生肽段能够自发进行折叠的传统概念做了根本的修正。这其中，X射线晶体衍射和各种波谱技术以及电子显微镜技术等发挥了极其重要的作用。蛋白质大分子的结构分析也不仅仅只是解出某个具体的结构，而是更加关注结构的涨落和运动。一种构象内的结构涨落是构象转变所必需的前奏，因此需要把光谱学，波谱学和X 射线结构分析结合起来研究结构涨落的平衡，构象改变和改变过程中形成的多种中间态。 【关键字】：生物大分子分子伴侣蛋白质的折叠识别结合 【正文】 一、新生肽段折叠研究中的新观点 长期以来关于蛋白质折叠，形成了自组装（self-assembly）的主导学说，因此，在研究新生肽段的折叠时，就很自然的把在体外蛋白质折叠研究中得到的规律推广到体内，用变性蛋白的复性作为新生肽段折叠的模型，并认为细胞中新合成的多肽链，不需要别的分子的帮助，不需要额外能量的补充，就应该能够自发的折叠而形成它的功能状态。 1988年，邹承鲁明确指出，新生肽段的折叠在合成早期业已开始，而不是合成完后才开始进行，随着肽段的延伸同时折叠，又不断进行构象的调整，先形成的结构会作用于后合成的肽段的折叠，而后合成的结构又会影响前面已形成的结构的调整。因此，在肽段延伸过程中形成的结构往往不一定是最终功能蛋白中的结构。这样，三维结构的形成是一个同时进行着的，协调的动态过程。九十年代一类具有新的生物功能的蛋白，分子伴侣（Molecularchaperone）的发现，以及在更广泛意义上说的帮助蛋白质折叠的辅助蛋白(Accessoryprotein)的提出，说明细胞内新生肽段的折叠一般意义上说是需要帮助的，而不是自发进行的。 二、蛋白质分子的折叠和分子伴侣的作用 蛋白质分子的三维结构，除了共价的肽键和二硫键，还靠大量极其复杂的弱次级键共同作用。因此新生肽段在一边合成一边折叠过程中有可能暂时形成在最终成熟蛋白中不存在不该有的结构，他们常常是一些疏水表面，它们之间很可能发生本不应该有的错误的相互作用而形成的非功能的分子，甚至造成分子的聚集和沉淀。按照自组装学说，每一步折叠都是正确的，充分的，必要的。实际上折叠过程是一个正确途径和错误途径相互竞争的过程，为了提高蛋白质生物合成的效率的，应该有帮助正确途径的竞争机制，分子伴侣就是这样通过进化应运而生的。
蛋白质错误折叠
蛋白质的错误折叠 郑晓惠 10281034 生物物理学系 主要内容： 1 蛋白质的正常折叠及保护机制 2 蛋白质错误折叠与神经系统相关疾病 3 蛋白质错误折叠的机制 4 蛋白质错误折叠的致病机理 5 针对蛋白质错误折叠可采取的治疗途径 6 结语 一蛋白质的正常折叠及保护机制 根据分子生物学中心法则，生物遗传信息的传递是由DNA到RNA（转录）、RNA到蛋白质多肽链（翻译）、再由多肽链形成具有生物活性的蛋白质（折叠）进行的。目前对前两个过程已有相当深入和清晰的了解，但对后者尚不十分清楚。可以说蛋白质折叠是生物学中心法则中至今尚未解决的一个重大生物学问题。 蛋白质是生物体内一切功能的执行者。具有完整一级结构的多肽链只有当其折叠形成正确的三维空间结构才能具有正常的生物学功能。如果这种折叠过程在体内发生故障，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。 在细胞内大多数天然蛋白质能自发的形成比较稳定的天然结构，或被配体和代谢因子所稳定。但约10-20%新合成的多肽链需要分子伴侣的帮助才能正常折叠。另外，约有20%新合成的多肽链不能形成正确的三维结构而被蛋白酶降解，包括由于错误转录和翻译形成的不完全蛋白质，翻译后受到化学损伤或其他因素引起的失活、去折叠或折叠错误的蛋白质。在真核细胞中，多余的蛋白质主要通过泛肽化(ubiquittination)过程降解，见图1[3]。 分子伴侣实际上是生物克服细胞内大分子拥挤环境对蛋白质生物合成影响的进化产物。分子伴侣的共同特征是参与催化、介导其他多肽链或寡聚体蛋白质分子的折叠与组装，但不是蛋白质最终结构的一部分。它与靶蛋白的结合不具高度专一性，同一伴侣分子可促进多种氨基酸序列不同的多肽链折叠。它只是分子折叠的协助者，本身并不含正确折叠所必须的构象信息，而是通过阻止非天然多肽内部或相互间的不正确作用而发挥效能。至今为止发现的大多数分子伴侣属热休克蛋白的范畴。小分子伴侣，如热休克蛋白40和70，以单体形式与核糖体上延伸中新生肽链上的疏水氨基酸短序列结合，防止新生肽链在未完成合成之前的错误折叠，抑制相邻肽链上的疏水氨基酸间相互作用而发生的聚集。当一个结构域的多肽链合成完成，便与小分子伴侣解离，而折叠成为结构域。有一些蛋白质的结构域折叠缓慢，当后续肽链合成时常以部分折叠中间体的形式存在，此时可有大量的疏水表面暴露，有增加聚集时风险。这时就需要大分子伴侣的帮助，与中间体结合而抑制翻译后折叠过程中的聚集[4]。所以，分子伴侣在保证蛋白质的正常折叠中有重要作用。
关于蛋白质折叠机制的研究
蛋白质体内折叠过程影响因素的研 究进展
摘要 对于多肽链到底是如何折叠形成有生物学活性的蛋白质这一问题，近年来一直研究不断。蛋白质的错误折叠可能导致某些疾病的发生，阐明蛋白质折叠的机制将有助于我们治疗甚至从遗传上根除这些疾病。关于蛋白质折叠的研究有体外实验和体内研究方面，而细胞内蛋白质折叠机制的研究显得尤为重要，关于蛋白质折叠体内机制的研究已经取得了许多令人欣喜的进展。本文总结了近几年来在研究影响蛋白质体内折叠过程的一些因素上的最新进展,包括已被证实的概念和突破传统的新理论,以及一些有创新性的预测理论。 How polypeptide chainsfold intobiologically activeproteins? In recent years,scientistshave been studyingthe issue constantly. Misfoldedproteinsmay lead tothediseases. Toclarifythe mechanismofproteinfoldingwill help us totreatmentand eveneradicationofthese diseasesfrom the geneticlevel. There’re two research aspect of protein folding, in vitro andin vivo. In these areas, theprotein folding mechanismsinthecellsis particularly important. Besides, the research about themechanismofproteinfoldingin the cell has important value, and which has been madegratifyingprogress. This paper summarizesthe latest progressin recent years insome of the factorsthat affectthefolding processofproteinsin vivo, including newconcepts andbreak the traditionaltheoryhas been confirmed, as well as someinnovativeprediction theory. 关键字蛋白质折叠机制体内影响因素研究进展 protein folding mechanisms considering folding in thecellresearch progress
蛋白质折叠问题探讨(一)
蛋白质折叠问题探讨(一) 摘要：生物大分子的结构与功能的研究是了解分子水平的先象的基础。没有对生物大分子的结构与功能的认识，就没有分子生物学。正如没有DNA双螺旋结构的发现，就没有遗传传达传递的中心法则，也就没有今天的分子生物学。结构分子以由第一分子进入对复和物乃至多亚基，多分子复和体结构研究。同时，过去难以研究的分子水平上的生命运动情况也随着研究的深入和技术手段的发展而逐渐由难点变为热点。蛋白质晶体学研究已从生物大分子静态（时间统计）的结构分析开始进入动态（时间分辨）的结构分析及动力学分析。第十三届国际生物物理大会的25个专题讨论会中有一半以上涉及蛋白质的结构与功能，而“结构与功能”又强调“动力学（Dynamics）”，即动态的结构或结构的运动与蛋白质分子功能的关系，以及对大分子相互作用的贡献。 关键字：蛋白质；生物大分子；分子伴侣；折叠问题 Abstract:Biologicalmacromolecule'sstructureandthefunctionresearchisunderstandsthemolecularl evelthefirstalikefoundation.Nottobiologicalmacromolecule'sstructureandthefunctionunderstandi ng,doesnothavethemolecularbiology.JustlikedoesnothavetheDNAdoublehelixstructurediscovery,h asnotinheritedthetransmissiontransmissionthecentraldogma,alsodoesnothavetoday'smolecularbi ology.Thestructurememberbyentersbythefirstmembertorestorespeacethethingandeventhemulti-Asianbase,themulti-membersrestorepeacethebodystructuralresearch.Atthesametime,studiedwit hdifficultyinthepastinmolecularlevellifemovementsituationalsoalongwithresearchthoroughandtec hnologicalmeansdevelopment,butbecamethehotspotgraduallybythedifficulty.Proteincrystallograp hyresearchalreadyfrombiologicalmacromoleculestaticstate(timestatistics)thestructureanalysisstar tsentersdynamic(timeresolution)thestructureanalysisanddynamicsanalysis.Inthe13thsessionofint ernationalbiophysicscongress's25symposiumhasmorethan50%toinvolvetheproteinthestructurean dthefunction,but“thestructureandthefunction”alsoemphasize“dynamics(Dynamics)”,namelydyna micstructureorstructuremovementandproteinmemberfunctionrelations,aswellastomacro-molecu leinteractioncontribution. keywords:Protein;Biologicalmacromolecule;Molecularcompanion;Foldingquestion前言 蛋白质折叠问题被列为“21世纪的生物物理学”的重要课题，它是分子生物学中心法则尚未解决的一个重大生物学问题。从一级序列预测蛋白质分子的三级结构并进一步预测其功能，是极富挑战性的工作。研究蛋白质折叠，尤其是折叠早期过程，即新生肽段的折叠过程是全面的最终阐明中心法则的一个根本问题，在这一领域中，近年来的新发现对新生肽段能够自发进行折叠的传统概念做了根本的修正。这其中，X射线晶体衍射和各种波谱技术以及电子显微镜技术等发挥了极其重要的作用。第十三届国际生物物理大会上，Nobel奖获得者Ernst 在报告中强调指出，NMR用于研究蛋白质的一个主要优点在于它能极为详细的研究蛋白质分子的动力学，即动态的结构或结构的运动与蛋白质分子功能的关系。目前的NMR技术已经能够在秒到皮秒的时间域上观察蛋白质结构的运动过程，其中包括主链和侧链的运动，以及在各种不同的温度和压力下蛋白质的折叠和去折叠过程。蛋白质大分子的结构分析也不仅仅只是解出某个具体的结构，而是更加关注结构的涨落和运动。例如，运输小分子的酶和蛋白质通常存在着两种构象，结合配体的和未结合配体的。一种构象内的结构涨落是构象转变所必需的前奏，因此需要把光谱学，波谱学和X射线结构分析结合起来研究结构涨落的平衡，构象改变和改变过程中形成的多种中间态，又如，为了了解蛋白质是如何折叠的，就必须知道折叠时几个基本过程的时间尺度和机制，包括二级结构（螺旋和折叠）的形成，卷曲，长程相互作用以及未折叠肽段的全面崩溃。多种技术用于研究次过程，如快速核磁共振，快速光谱技术（荧光，远紫外和近紫外圆二色）。 一、新生肽段折叠研究中的新观点
蛋白质的折叠
蛋白质的折叠 赵顺喆 摘要：蛋白质是生命机体的基本组成部分,它是连接分子运作和生物功能的一个主要组成部分, 在生物体内占有特殊的地位。而蛋白质作为生命信息的表达载体,它折叠所形成的特定空间结构是其具有生物学功能的基础。然而，蛋白质通过什么方式折叠的问题却由于理论和实践的种种困难成为当今科学界的一大难题。本文简要介绍了蛋白质折叠的基础知识，折叠机理研究的几个理论模型，以及研究的进展。 关键词：组织层次、理论模型、天然态、去折叠态、熔球态 前言：蛋白质分子的折叠过程是指蛋白质分子从一般的状态变化到基态的复杂过程.它能使我们了解氨基酸序列是如何决定蛋白质分子结构,预测其结构及结构所表现出来的蛋白质分子的性能.在这个过程中氨基酸与氨基酸紧密接触(Residue -residue contact)的相互作用起着十分重要的作用。 蛋白质在生物体内,生命信息的流动可以分为两个部分:第一部分是储存于DNA序列中的遗传信息通过转录和翻译传入蛋白质的一级序列中,这是一维信息之间的传递,三联子密码介导了这一传递过程;第二部分是肽链经过疏水塌缩、空间盘曲、侧链叠集等折叠过程形成非常特定的复杂的空间结构,同时获得生物活性,从而将生命信息表达出来;因此这个一维信息向三维信息的转化过程是表现生命活力所必需的。 1.蛋白质的组织层次 蛋白质有着各异的三维空间结构，这种结构称之为天然态结构，并且其内部结构组织具有层次性，因此我们引入组织层次的概念。蛋白质结构可以分为四个组织层次，即一级结构、二 级结构、三级结构和四级结构。 1.1一级结构 一级结构又称初级结构（primary structure），指形成肽链的氨基酸序列，即指蛋白质分子中氨基酸残基的顺序，包括肽链中氨基酸的数目、种类和顺序。肽键是蛋白质中氨基 酸之间的主要连接方式，肽键具有部分双键的性质，所以整个肽单位是一个刚性的平面结 构。 蛋白质的一级结构是由编码它的基因确定的，不同生物同种（或同源）蛋白质一级结构之间的差别可以反映出进化关系。 1.2二级结构 二级结构是指多肽链骨架盘绕折叠所形成的有规律性的结构。最基本的二级结构类型有α-螺旋结构和β-折叠结构，两种构象均由氢键维持。此外还有β-转角和自由回转（指没 有一定规律的松散肽链结构）。蛋白质分子主链的紧密填埋使α 螺旋和β 片层结构更加稳 定; 同时, 也只有α 螺旋和β 片层结构这样的规则结构才能使氨基酸多肽链在空间排布 更紧密。 α-螺旋是蛋白质中常见的一种二级结构，肽链主链绕假想的中心轴盘绕成螺旋状，一般都是右手螺旋结构，螺旋是靠链内氢键维持的。每个氨基酸残基（第n个）的羰基氧与 多肽链C端方向的第4个残基（第n+4个）的酰胺氮形成氢键。螺旋中的每个肽键均参与 氢键的形成以维持螺旋的稳定。 α-螺旋β-折叠