蛋白质的折叠的热力学与动力学

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1、第四章 蛋白质的折叠的热力学与动力学,杨学习,一、热力学和动力学基础,热力学 研究热现象中物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生变化时系统与外界相互作用的学科。 动力学基础 研究作用于物体的力与物体运动的关系,世界处于永恒的运动变化之中：,地壳： 沧海桑田 人生： 生老病死 植物： 花开花落 气象： 风雨雷电,万事万物变化的规律是什么？,一切自然界的过程是有方向性的 如： 热的传递：总是从高温物体自动传向低温物体，直至平衡（即温度均一）。 气体的流动：从高压处自动流向低压处，直至各处压强相等。 电流：总是从高电势自发的流向低电势处，直至各处的电势相等，等等。,热力学第一定律即

2、能量守恒定律 宇宙的能量是一个常数，能量可以不断被转化和转移，但不可能被创造，也不可能被消灭,1.热力学第一定律,热力学第二定律 人们曾试图用热力学第一定律所建立的状态函数判断：在一定的条件下，一化学变化或物理变化能否自发的进行？进行到何种程度？,热力学第二定律 人们曾试图用热力学第一定律所建立的状态函数判断：在一定的条件下，一化学变化或物理变化能否自发的进行？进行到何种程度？ 其中比较著名的是汤姆逊塞罗规则：,在没有外来能量的干预下，一切化学变化都是朝着放出能量最多的方向进行。即，凡放热反应能自动进行，而吸热反应均不能自动进行。,然而，更多的研究发现：有不少吸热反应也能自动进行。 C（s）+

3、 H2O（g）=CO（g）+ H2（g） 是一个吸热反应，但仍能自动的进行。 热力学第一定律只能告诉人们一化学反应中的能量效应，却无法解释，一定条件下，一个化学反应能否自动进行及进行到何种程度。也即无法解决化学变化的方向和限度问题。,2.热力学第二定律的经典表述,1.克劳修斯：不可能将热从低温物体转到高温物体，而不引起其它的变化。 2开尔文：不可能从单一的热源取出热使之完全转化为功，而不发生其它的变化。,热力学将不能做功的随机和无序状态的能定义为熵，以S表示 宇宙或系统的各种过程总向着熵增大的方向进行,2.1热力学第二定律 之熵判据,在孤立体系或绝热体系中系统一切可以发生的过程要么是熵变为0（

4、可逆，平衡态），要么熵变大于0（不可逆）。熵不可能减小，即熵总是增大的。,热力学将系统中总的热量称为焓，以H表示 在恒定温度和压力条件下总能量中可以做功的那一部分能量为自由能，以G表示 DG = DH-TDS (T为绝对温度) 因此，当熵增加时，系统的自由能便会下降,2.2热力学第二定律 之自由能判据,在一个反应中，如果产物比反应物含有更少的自由能，这个反应便趋向于自发地进行,物理和化学过程达到平衡时， 即达到系统的自由能最小而熵最大,二、蛋白质折叠的热力学定律,熵判据和蛋白质折叠 自由能判据和蛋白质折叠 蛋白质折叠的热力学假说,1.熵判据和蛋白质折叠,未折叠的状态包含很多具有不同构象的分子。

5、,疏水作用是熵驱动的自发过程,当疏水化合物或基团进入水中，它周围的水分子将排列成刚性的有序结构，即形成所谓笼形结构，最常见的就是五角形十二面体笼形结构，这种结构比冰更为有序。 但当疏水作用发生时，笼型结构被破坏，这部分水分子被排入自由水中，使得体系的混乱度增加，即熵值增加。 同时，疏水基团的聚集是有序化的过程，熵值减少，但其变化值不大，一般对蛋白质折叠不起主要作用。,疏水作用是多肽链折叠的主要驱动力，疏水作用的主要动力来自于蛋白质溶液体系的熵值的增加。,疏水作用是熵驱动的自发过程,2.吉布斯自由能判据和蛋白质折叠,G= H- TS,吉布斯自由能变化应同时考虑多肽链和溶剂两者对体系焓值变化和熵值

6、变化的贡献 G总=H链+H溶剂- TS链- TS溶剂 折叠态蛋白质与伸展态相比,是一种高度有序化的结构, 因此S链是负数, 则-TS链为正值。 H链对疏水侧链为正值,从而有利于伸展态。,H溶剂对疏水侧链是负值,有利于折叠态。这是因为蛋白质处于折叠态时,许多水分子之间的相互作用将代替水分子和疏水侧链的相互作用。 H链与H溶剂值都不大,一般对折叠不起主要作用。 蛋白质折叠过程中会打破水的有序化,则S溶剂为较大的正值,因而有利于折叠态。 对于典型的蛋白质来说,对折叠结构的稳定性做出单项最大贡献的是疏水残基引起的S溶剂。 在不同类型的蛋白质中,总熵变化和总焓变化所做的贡献是不同的,但结果一样,蛋白质折

7、叠结构是生理条件下自由能最低的构象。因此,从吉布斯自由能的变化值来考虑,多肽链的折叠是热力学中的自发过程,3.“热力学假说”,天然蛋白质多肽采取的构象是在一定环境条件下热力学上最稳定的构象，采取天然构象的多肽链和它所处的一定环境条件（如溶液组分、pH、温度、离子强度等）整个系统的自由能最低，所以处于变性状态的多肽链在一定的环境条件下能够自发折叠成天然构象。,热力学只能解决某一变化的趋势问题 即变化的可能性问题 而不能解决变化的现实性问题,三、蛋白质折叠的动力学,The Levinthal Paradox 中间体 动力学假说,1.The Levinthal Paradox,当蛋白折叠是构象搜索时

8、，将会有太多的构象需要尝试。 仅仅考虑蛋白的主链，每个残基在未折叠时假设只有3个构象，对一个有100AA的多肽来说将有 3100 构象。 如果构象搜索的速度是 1012 构象/s，需要5 x 1035 s (1.6 x 1028 y) 蛋白质折叠不是随机的，而是有捷径的。,2.中间体,在蛋白质从变性态折叠成天然态的过程中，通常要经历若干个中间的分子构象状态，即蛋白折叠中间体，也叫做部分折叠态。它们通常具有部分天然蛋白的结构，相对分子量相同，是分子构象不同的同一种蛋白质。,熔球态 (melton globule),熔球态是折叠的中间体，快速步骤，在折叠途径中第一个可观测的、柔性无序的未折叠多肽链

9、卷折成局部有组织的球状态，称为熔球体。 熔球体的形成的驱动力：疏水侧链的包埋,分子伴侣和折叠酶帮助越过能障,折叠能量“地貌”原理图,未折叠的蛋白具有高的构象熵和高的能量。 折叠过程中漏斗变窄表示构象的种类下降。 两边的低洼处表示半稳定的中间体，这些中间体可以减慢折叠过程。 底部表示所有的中间体都到达了天然结构。,有人提出,若某一多肽链具有2种低能量状态：一种是天然构象，一种是非天然构象，而且处于这2种能量状态的多肽链的相互转变由于要克服较高的能垒而难以实现，那么在蛋白折叠过程中会有2种途径相互竞争，一种是正确折叠成天然构象的途径，另一种是错误折叠成稳定的非天然构象途径。,1型人胰岛素生长因子实

10、验,存在2种稳定构象 天然构象 错配二硫键的非天然构象 多肽链具相似自由能 但二级结构成分不同,3.“动力学假说”,90年代辅助蛋白(Accessory protein ) 的发现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。 帮助蛋白质折叠的生物大分子主要是分子伴侣和折叠酶。 不仅仅受“热力学”控制，也受到“动力学”的控制。,The rules governing protein folding are complex,热力学 动力学 特殊蛋白 ？,被列为“21世纪的生物物理学”的重要课题,四、折叠机制的理论模型,1框架模型（Framework Model） 框架模型假设蛋

11、白质的局部构象依赖于局部的氨基酸序列。在多肽链折叠过程的起始阶段, 先迅速形成不稳定的二级结构单元； 随后这些二级结构靠近接触, 从而形成稳定的二级结构框架；最后，二级结构框架相互拼接，肽链逐渐紧缩，形成了蛋白质的三级结构。这个模型认为即使是一个小分子的蛋白也可以一部分一部分的进行折叠, 其间形成的亚结构域是折叠中间体的重要结构。,2.疏水塌缩模型（Hydrophobic Collapse Model） 在疏水塌缩模型中，疏水作用力被认为是在蛋白质折叠过程中起决定性作用的力的因素。在形成任何二级结构和三级结构之前首先发生很快的非特异性的疏水塌缩。疏水内核包埋,折叠机制的理论模型,3.扩散-碰撞

12、-粘合机制 （Diffusion-Collision-Adhesion Model） 该模型认为蛋白质的折叠起始于伸展肽链上的几个位点，在这些位点上生成不稳定的二级结构单元或者疏水簇，主要依靠局部序列的近程或中程（3-4个残基）相互作用来维系。它们以非特异性布朗运动的方式扩散、碰撞、相互黏附，导致大的结构生成并因此而增加了稳定性。进一步的碰撞形成具有疏水核心和二级结构的类熔球态中间体的球状结构。球形中间体调整为致密的、无活性的类似天然结构的高度有序熔球态结构。最后无活性的高度有序熔球态转变为完整的有活力的天然态。,折叠机制的理论模型,4.成核-凝聚-生长模型（Nuclear-Condensat

13、ion-Growth Model） 根据这种模型，肽链中的某一区域可以形成“折叠晶核”，以它们为核心，整个肽链继续折叠进而获得天然构象。所谓“晶核”实际上是由一些特殊的氨基酸残基形成的类似于天然态相互作用的网络结构，这些残基间不是以非特异的疏水作用维系的，而是由特异的相互作用使这些残基形成了紧密堆积。晶核的形成是折叠起始阶段限速步骤。,折叠机制的理论模型,5.拼版模型（Jig-Saw Puzzle Model） 此模型的中心思想就是多肽链可以沿多条不同的途径进行折叠, 在沿每条途径折叠的过程中都是天然结构越来越多, 最终都能形成天然构象, 而且沿每条途径的折叠速度都较快, 与单一途径折叠方式相

14、比, 多肽链速度较快, 另一方面, 外界生理生化环境的微小变化或突变等因素可能会给单一折叠途径造成较大的影响，而对具有多条途径的折叠方式而言, 这些变化可能给某条折叠途径带来影响, 但不会影响另外的折叠途径, 因而不会从总体上干扰多肽链的折叠, 除非这些因素造成的变化太大以致于从根本上影响多肽链的折叠。,折叠机制的理论模型,五、蛋白质折叠研究意义,生物工程应用 认识与折叠有关的疾病 蛋白质分子设计 。,六、蛋白质折叠研究意义,解决异源表达不能正确折叠形成包涵体这一生物工程中的瓶颈问题。 对蛋白质错误折叠引起的折叠病在医学上不仅开辟了与分子伴侣和应激蛋白有关的新的研究领域，也开创了广阔的应用前景

15、。 开辟蛋白设计的新领域自然界不存在的全新的、具有某些特定性质的蛋白质。,目前生物制药大多采用大肠杆菌作为宿主细胞,效率高、产量大 周期短、成本低 工艺稳定、质量可控 缺点是易形成包含体,大肠杆菌表达的重组蛋白易形成包含体,高效表达的目的蛋白 在大肠杆菌内形成大 量无活性包含体。 因无法有效的解决复 性问题，在美国每年 造成的经济损失就达 几十亿美元,包含体电镜图,1、生物工程应用,“瓶颈”问题：在简单的微生物细胞内引入异体DNA后所合成的多肽链往往不能正确折叠成为有生物活性的蛋白质而形成不溶解的包含体或被降解。 这一“瓶颈”问题的彻底解决有待于对新生肽链折叠更多的认识。,体外分子伴侣的实际应

16、用,分子伴侣GroEL相当于无活性蛋白的亲合配基； 利用固定化小分子伴侣对体外无活性蛋白进行复性； 利用人工合成分子伴侣。,2.与折叠有关的疾病(“构象病”),“分子病”:由于基因突变造成蛋白质分子中仅仅一个氨基酸残基的变化就引起疾病的情况，如地中海镰刀状红血球贫血症 “折叠病”:蛋白质分子的氨基酸序列没有改变，只是其结构或者说构象有所改变引起的疾病。 由于蛋白质折叠异常而造成分子聚集甚至沉淀或不能正常转运到位,常见“折叠病”,老年性痴呆症(Alzheimer syndrome) 病人脑中充满了由错误折叠蛋白形成的杂乱的蛋白质簇。主要分为两类：含有沉淀样蛋白（A ）的沉淀样斑，tau蛋白引起的神经细胞内自损伤。 帕金森氏症（Parkinson disease） 主要是由于蛋白质的错误折叠，病人随意运动的控制能力逐渐丧失，因为能产生多巴胺的神经细胞逐步被破坏，其原因和发生机制尚不清楚。 某些肿瘤 抑癌基因突变造成抑癌基因编码的蛋白质稳定性改变引起的一些癌症的发生。p53稳定性的降低导致癌