結構生物化學/蛋白質無序
蛋白質無序對於科學家來說仍然是一個模糊的概念。如今，關於蛋白質的觀點是由X射線晶體學解決的結構決定的。然而，這些美麗的結構無法說明蛋白質的動態特性和顯示出相當靈活性的區域。事實上，只有 25% 的晶體結構揭示了超過 95% 的蛋白質完整分子結構；其他的在通常呈現多種構象的區域缺少電子密度。此外，來自 X 射線晶體學的資料偏向於那些可結晶的蛋白質，這些蛋白質摺疊成一個或幾個不同的構象。
蛋白質具有廣泛的穩定性和有序/無序程度。結構狀態的連續光譜跨越從全域性內在無序蛋白質的一個極端到良好摺疊和穩定蛋白質的另一個極端。由於蛋白質的這種廣泛的靈活性，很難用一個詞來概括蛋白質靈活性的程度；術語如內在無序和條件性無序被提議來描述蛋白質結構。
- 內在無序蛋白質是指在體外生理條件下作為分離的多肽鏈進行研究時，缺乏穩定結構並顯示出大量無序區域的蛋白質。
- 條件性無序蛋白質是指在某些情況下內在無序，而在其他情況下（例如，在存在其結合伴侶的情況下）獲得有序的蛋白質。這些蛋白質是大多數內在無序蛋白質。
內在無序在蛋白質中普遍存在。大約 30% 到 50% 的真核蛋白質包含超過 30 個氨基酸的區域，這些區域在體外沒有明確的二級結構或無結構。雖然使用更先進的技術來確定蛋白質的結構，但驗證蛋白質的摺疊狀態（尤其是在細胞內）仍然是一個挑戰。那些在體外經實驗證明部分或完全展開的蛋白質是否真的在細胞內無結構，目前尚不清楚。這是因為分子擁擠和適當結合伴侶的存在會使許多無序蛋白質轉變為其摺疊狀態。此外，雖然內在無序蛋白質對體外蛋白水解降解敏感，但它們在體內通常表現出更短的半衰期，這可能是因為它們在細胞中被穩定並降低了無序程度。因此，那些從體外和基於生物資訊學的分析中定義為全域性內在無序蛋白質的蛋白質可能在細胞中獲得了有序性。
各種技術可以區分內在無序區域 (IDR) 和有序區域，並提供有關蛋白質無序的實驗資訊。在所有不同的技術中，核磁共振是無與倫比的，因為它能夠提供有關無序程度、殘餘偶極耦合和順磁共振增強測量的詳細殘基級資訊。為了確定體內蛋白質無序的資訊，開發並使用了一種名為“細胞內”核磁共振波譜的新技術，用於確定活大腸桿菌細胞內的蛋白質結構。這種“細胞內”光譜和 SUPREX（來自 H/D 交換速率的未純化蛋白質穩定性）被用來確定蛋白質內無序的真實體內程度。
蛋白質無序通常被誤解為蛋白質的預設狀態。事實上，預期只有大約 1010 個隨機序列中的 1 個會摺疊成一個定義的結構；大多數蛋白質包含一些有序結構的區域，表明有序是在進化過程中被選擇的。由於大多數突變是不穩定的，蛋白質無序可能僅僅是進化過程中發生的隨機突變的負面結果。因此，蛋白質中無序的頻繁出現並不意味著蛋白質沒有功能。無序被認為透過增強結合可塑性、酶催化和變構耦合來提供功能優勢。因此，無序實際上可能在分子識別和細胞訊號傳導中發揮重要作用。此外，無序還可能透過降低穩定性來增加構象熵和靈活性。這意味著蛋白質無序可能在體內調節中發揮有益作用。最後，研究表明，由無序區域賦予的構象熵降低了蛋白質自聚集的傾向。基於這一事實，科學家假設 IDR 可以防止細胞擁擠環境中不必要的聚集過程。
條件性無序蛋白質是指可以至少存在兩種狀態的蛋白質，一種表現出高度的靈活性和無序性，另一種表現出更高程度的有序性。許多無序蛋白質在與伴侶蛋白結合時重新摺疊。這可能是因為重新摺疊是由熱力學原理指導的，這些原理規定結合將穩定並加強結合相互作用。有序到無序到有序的轉變也可以作為酶催化迴圈的一部分發生。那些只有一個結合位點，該位點與多個結合伴侶結合的蛋白質，體現了條件性無序的概念。與那些“有序”的結合位點相比，那些“無序”的結合位點更有可能在與不同的伴侶結合後摺疊成多個不同的構象。這一事實表明，無序蛋白質在與不同的伴侶結合後具有多種不同的構象；因此，無序在功能上很重要。有兩種模型解釋了部分展開的表面如何透過與不同的伴侶結合而恢復結構。
- 構象選擇假說：基於以下假設的分子識別機制：內在蛋白質群體中只有一小部分處於適當的構象以與特定結合伴侶相互作用。這種相互作用透過將平衡向結合能力構象轉移來穩定蛋白質和結合伴侶。
- 結合後摺疊：基於以下假設的分子識別機制：內在無序區域首先與結合伴侶結合，然後隨後重新摺疊。
無序蛋白質可以透過與不同的伴侶結合而摺疊成不同的構象。當 p35 的無序 C 端與不同的客戶蛋白結合時，觀察到變色龍式行為（不同的構象）。這種觀察結果與其功能作用一致，即與 40 多個不同的結合伴侶相互作用。然而，這種內在無序蛋白質的變色龍式行為很少見。這可能是因為同一個內在無序蛋白質的結構不同的伴侶以及蛋白質-結合伴侶複合物的結構很難識別和確定。
參與多個相互排斥的瞬時相互作用的蛋白質更有可能具有更高程度的無序。這種高度的無序在伴侶蛋白中也有觀察到，伴侶蛋白與許多不同的蛋白質摺疊中間體結合，以防止非特異性蛋白質聚集並促進體外和體內蛋白質摺疊。伴侶蛋白的無序程度範圍從 24% 到 100%。
摺疊伴侶，例如 Hsp70、Hsp60、Hsp90，會經歷由 ATP 結合和水解驅動的巨大構象重排。內在無序性透過支援客戶蛋白成熟所需的動態構象重排，使依賴 ATP 的伴侶蛋白髮揮功能。然而，關於無序區域在依賴 ATP 的伴侶蛋白中的作用尚不清楚。
- 核苷酸結合域和客戶蛋白結合域之間高度靈活的連線子允許發生大的跨域構象變化。
- 在無 ATP 的 apo-GroEl 中是無序的 C 末端，但在結合 ATP 後變得更加有序。
- 無結構區域提供跨域靈活性，並賦予 Hsp90-客戶蛋白複合物溶解性。此外，多個磷酸化位點可能參與 ATP 結合和水解迴圈期間的無序到有序轉變。
不依賴 ATP 的伴侶蛋白利用無序到有序轉變來觸發啟用和客戶蛋白結合，並利用有序到無序轉變來控制客戶蛋白釋放。啟用這些不依賴 ATP 的伴侶蛋白的脅迫條件，包括低 pH 和嚴重的氧化脅迫，會導致蛋白質展開，這通常會導致失活。與其他蛋白質不同，這些不依賴 ATP 的伴侶蛋白由於脅迫而展開後會被啟用。
- HdeA 是一種酸啟用的條件性無序伴侶蛋白，它可以保護蛋白質免受低 pH 引起的聚集，並保護細菌免受酸性脅迫。在 pH 7 時，HdeA 是一個沒有伴侶蛋白功能的摺疊良好的二聚體。當轉變到 pH 2 時，HdeA 會在 2 秒內部分展開並單體化，從而被啟用為伴侶蛋白。它在低 pH 下部分無序的特性使其能夠靈活地與不同的底物相互作用，從而保護蛋白質免受不可逆的損傷；因此，它可以保護細菌免受酸性脅迫。HdeA 的靈活性表明它可能具有類似變色龍的結合特性。當 pH 回到自然狀態時，Hdea 會緩慢地釋放其客戶蛋白，以最大程度地減少對聚集敏感的摺疊中間體的聚集。因此，客戶蛋白會被動地重新摺疊回其原始結構，同時不利於聚集。
- Hsp33 是一種氧化脅迫啟用的內在無序伴侶蛋白，可以保護蛋白質免受氧化展開。在非活性狀態下，Hsp33 是一種單體雙域蛋白，包含一個單個鋅離子與遠 C 末端 4 個絕對保守的半胱氨酸之間形成的四面體、高親和力結合。鋅離子的這種結合穩定了 C 末端和一個亞穩態連線子區域。當 Hsp33 暴露於氧化條件下時，鋅離子被釋放，並且形成兩個二硫鍵；鋅結合域被破壞；連線子區域被展開；蛋白質二聚化。連線子區域的展開激活了 Hsp33 的伴侶蛋白功能。Hsp33 被啟用後，會利用其內在無序的連線子區域與含有大量二級結構的蛋白質摺疊中間體相互作用，從而形成 Hsp33 和客戶蛋白的更加穩定的構象。Hsp33 可以保護客戶蛋白免受脅迫誘導的聚集，並保護細菌免受抗菌氧化劑漂白劑的影響。當恢復到非脅迫狀態時，Hsp33 會重新摺疊，這種重新摺疊會觸發客戶蛋白的展開；Hsp33 與客戶蛋白之間的親和力降低。然後，客戶蛋白被釋放給依賴 ATP 的伴侶蛋白摺疊酶，在其中，客戶蛋白被結合並重新摺疊回其天然狀態。
- Hsp26 是 小熱休克蛋白 的成員，是一種熱啟用的條件性無序伴侶蛋白，可以保護蛋白質免受高溫引起的聚集，並保護細菌免受熱脅迫。在室溫下，Hsp26 處於非活性狀態。在熱休克溫度誘導下，Hsp26 會透過摺疊其獨特的熱敏區域而發生構象變化，並且其伴侶蛋白功能被啟用。與 HdeA 和 Hsp33 不同，Hsp26 的內在無序區域不會直接結合客戶蛋白，但會與客戶蛋白相互作用。
一些在體外全域性無序的伴侶蛋白也具有抗聚集活性。全域性內在無序伴侶蛋白透過物理遮蔽和防止摺疊中間體與其他對聚集敏感的實體相互作用來抑制聚集。由於這一事實，全域性內在無序伴侶蛋白的效率相對較低。
- 酪蛋白會遮蔽易聚集的表面，並透過短暫的疏水性相互作用來提高重新摺疊速率。酪蛋白會透過與客戶蛋白形成可溶性膠束複合物來阻止客戶蛋白的參與。由於酪蛋白積極抑制溶菌酶重新摺疊，並且無法防止熱誘導的過氧化氫酶和醇脫氫酶活性損失，因此它們不被視為摺疊伴侶蛋白。
- 目前尚不清楚酪蛋白在體內是否起伴侶蛋白的作用。
- 酪蛋白可能在高濃度下彌補其效率低下。
- LEA 蛋白高度親水。當 LEA 蛋白在標準緩衝條件下脫水時，它們被啟用為伴侶蛋白，並採用 α-螺旋構象。與酪蛋白類似，LEA 蛋白透過短暫的疏水性相互作用來遮蔽易聚集的表面，並提高重新摺疊速率。它們可以保護客戶蛋白免受體外脫水和溫度介導的失活和聚集。
- LEA 蛋白在體內起著伴侶蛋白和摺疊蛋白的作用。
- LEA 蛋白可能在高濃度下彌補其效率低下。
- α-突觸核蛋白會抑制熱誘導的蛋白質聚集。α-突觸核蛋白的抑制效率低於小熱休克蛋白。
- 目前尚不清楚α-突觸核蛋白在體內是否起著伴侶蛋白的作用。
Bardwell, James C.A. 和 Ursula Jakob。“伴侶蛋白作用中的條件性無序”。《生物化學科學趨勢》37.23 (2012): 517-25。ScienceDirect。網路。2012 年 12 月 5 日。<http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0968000412001272>