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1、第三章:蛋白质折叠第四章: 细胞内的蛋白质折叠,第三章:蛋白质折叠,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
2、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。 这是一个很好的蛋白质一级结构序列决定其三维结构的例子即顺序决定构象,二、关于蛋白质折叠的理论模型,各种实验及理论计算均证明蛋白质的天然构象在热力学上是最稳定的,1、 框架模型(Framework model): P. S. Kim 和R. L. Baldwin 于1982 年提出了蛋白质折叠的框架模型。该模 型认为，在蛋白质折叠的过程中大约有15 个氨基酸残基的多肽链首先折叠为瞬态的a螺旋或b
3、片层结构的二级结构单元，然后这种瞬态的结构通过扩散彼此接近形成aa ab 或bb的复合结构而获得稳定这种复合结构，又称为折叠单元，折叠单元作为一个核心，吸引和稳定其它摆动着的二级结构单元形成折叠框架其它的侧链将适应这个框架。,2 疏水折叠模型(Hydrophobic Collapse Model)和熔融球态模型(Molten GlobuleModel): 该模型提出折叠是由疏水折叠开始的。即四体石蜡的疏水片段首先聚集 在一起，然后进一步聚集长大，形成一种称为熔融球蛋白中间体，此种结构是一种具有二级结构，但很少有三级相互作用的结构。疏水残基有很大一部分暴露在溶剂中。,三、蛋白质的去折叠(unfo
4、lding)和重折叠(refolding),蛋白质的去折叠和重折叠，亦即蛋白质的变性和复性。蛋白质的折叠状态只有在最适条件下才可存在。环境的改变诸如温度、pH 、变性剂、压力等作用都可使蛋白质的结构被破坏,变性的物理基础是：pH 的改变可使盐键断裂，使埋藏在蛋白质结构内部的非解离基团得到裂解，而暴露出来蛋白质去折叠以减少静电相互作用。,变性剂如脲素和盐酸胍等可使蛋白质结构中的氢键发生断裂，这增加了非极性分子包括氨基酸侧链的溶解度，减少了疏水相互作用。脲素还可以深入到蛋白质分子的内部，影响蛋白质分子的密堆积。此外，去污剂、有机溶剂、重金属、热机械力、冷冻超声、高压辐射等均可引起蛋白质的变性这些变
5、性均不会破坏蛋白质的共价键，而是只涉及到氢键、盐键、疏水相互作用、范得华相互作用等次级键的破坏。有些变性的蛋白质，当变性因素被除去后又可自动地恢复到天然状态，这种现象称为蛋白质的复性(renaturation)， 这种复性即蛋白质折叠研究中的重折叠(refolding),加热, 酸或碱 盐, 破坏不牢固的次级键，使蛋白质功能丧失,不可逆变性,蛋白质的变性 失活,核糖核酸酶,可逆的变性: 恢复到正确的折叠结构 恢复生物学的活性,变性因素,物理因素：加热、加压、超声波、紫外线 化学因素：胍、脲、有机溶剂、强酸强碱、 SDS -巯基乙醇、重金属离子生物碱试剂,蛋白质变性后：,溶解度生物活性丧失及易被
6、蛋白酶水解粘度结晶能力消失,复性,蛋白质的变性程度较轻，去除变性因素后，又恢复了原有的空间构象和生物活性,即可逆变性.,四、蛋白质折叠的热力学,五、蛋白质折叠的识别,将一个新的顺序与一个已知的特征化的, 三维结构花样的叠合识别在大多数情况下是比较成功的，在某些情况下是相当可靠的。尤其是当两个蛋白具有相同的重要氨基酸顺序时，它们总是在那些区域具有相同的三维结构。,六、蛋白质折叠识别的方式,折叠识别的方式之一, 是通过比较从进化分叉机理上紧密相关蛋白的家族,列出一个直接了当的取代/插入/缺失(sub-in-del)的表,然后进行对齐比较, 这种对齐直接表示了在一致性顺序(consensus seq
7、uence) 中每个位置的功能容忍性与由进化所产生的顺序变化之间的关系,这种预测方法的最显著的特点是利用了可由同源蛋白家族序列所推断的大量的结构信息。虽然对于二级结构的预测似乎有较高的准确性，但往往有可能发生的严重错误，即把a螺旋预测为b折叠或反之。利用了同源蛋白家族序列就使得这种发生严重错误的可能性大大降低，此外由于环区域常常具有一个或多个插入/缺失因而可更好地进行预测,另一种折叠的识别方式即所谓的Threading 。此方式主要是通过分析已知蛋白的由实验所测得的三维结构，来估计可允许的sub-in-del 而非进行未知结构与其同源家族的多重对齐。,即用已知蛋白质结构中的氨基酸类型的经验配对
8、势的大小，来衡量取代的可能性。简言之，一个位置上可取代的容忍度，是通过某个位置上和其残基周围的所有位置上的氨基酸类型间的相互作用自由能来估计的,第四章: 细胞内的蛋白质折叠,离体实验并不能精确地反映细胞内新生蛋白质的实际折叠过程.离体情况下蛋白质的去折叠后的再折叠(refolding)过程对蛋白质浓度及物理化学条件的要求完全不同于在细胞内所发生的情况在离体情况下的再折叠实验往往涉及到整条肽链, 而在活体情况下则是当新生肽段的N 端在核糖体上一经合成或刚从细胞膜上移位, 折叠活动就开始了。 3） 在细胞中许多蛋白质是以均一或不均一的寡体复合物就开始装配，而在离体的情况下当浓度如细胞内那么低时形成
9、复合物的可能性极小,在细胞内至少存在两类蛋白质涉及到蛋白质的折叠这些蛋白被称作辅助蛋白(accessory protein),第一类蛋白质是一些酶类，这些酶催化特殊的异构化反应步骤，从而限制了某些蛋白质的折叠速度。包括蛋白质二硫键异构酶(ProteinDisulfide Isomerases, PDIase) 、脯氨酰顺-反异构酶(Peptidyl Prolyl cis-trans Isomerases, PPIs, 或称Rotamases) 第二类蛋白质被称为分子伴侣(Molecular Chaperones)， 它们可稳定未折叠的或部分折叠的结构，限制不合适的分子内或分子间相互作用，有些成
10、员可与天然状态的蛋白质分子相互作用引起结构重排,一） 二硫键异构酶(PDIase),PDIase是一种含有486 个氨基酸残基亚基的真核均二聚体酶(homodimeric eukaryotic enzyme) 。它有催化二硫键的链间交换使多肽链间的二硫键达到正确配对的功能。奇妙的是PDIase 还是具有a2 2 异四配体脯氨酰羟化酶(heterotetramer prolyl hydroxylase)的亚基，该羟化酶可使胶原蛋白的脯氨酸残基羟化，其反应的重要性目前尚不清楚,在真核细胞中，二硫键在蛋白质被输运到细胞表面之前在内质网中形成。在细胞内二硫键异构酶protein disulfide i
11、somerase, PDI 可催化内二硫键的交换以防止形成不正确的二硫桥,一） 二硫键异构酶(PDIase) 结构,PDI is now known to catalyze all of the reactions that are involved in native disulphide bond formation. Native disulphide bond formation is a complex process. Disulphide bonds forming (oxidation) Incorrect bonds must be broken (reduction) or
12、 rearranged (isomerization).,The enzyme PDI is a multi-domain, multi-functional member of the thioredoxin (a family of small redox active protein) superfamily. PDI can catalyse thiol-disulphide oxidation, reduction and isomerization. Isomerization occurs directly through intramolecular disulphide re
13、arrangement or through cycles of reduction and oxidation.,Human PDI family,Yeast PDIPDB: 2B5E,Human PDI Domain a, a, b, bPDB: 1ERT,Structure of PDI,Tian G. et al cell 2006,Structure & Function,The a and a domains both adopt a canonical thioredoxin fold; The b and b domains both display minor variati
14、ons from the typical thioredoxin fold. The interface between the b and b domain is extensive with a buried surface area of 7002, and the interfaces between the a and b domains and the b and a domains are only 2002. The active sites in the a and a domains point at each other, but are separated by a l
15、arge U shape cleft, and the distance between C61 and C406 is 28 .,There are several hydrophobic patches of surrounding the active sites in the a and a domains and each of the b and b domains have one hydrophobic patch at the same relative sites. The primary substrate binding site has been mapped to
16、the b domain for mammalian PDI. The hydrophobic patch on the b domain extends the substrate binding site of the b domain to form a larger substrate binding platform, which is located between the two active sites in the a and a domains.,Structure & Function,Despite the high overall structure similari
17、ty, a few differences between the active sites are identified, which are likely to reflect the different catalytic properties of the a and a domain. The most noteworthy difference between the a and a domains is the redox state of their active site cysteines. The a domain is more stable in the oxidiz
18、ed form, while the a domain prefers to be in the reduced form. The equilibrium constant (Kox) for the oxidation of the cysteine pair in each active site by oxidized glutathione (GSSG) is 17 mM for the a domain and 1 mM for the a domain. Based on the Nernst equation, the corresponding standard redox potentials are -188 mV for the a domain and -152 mV for the a domain.,
