結構生物化學/蛋白質摺疊和伴侶蛋白

蛋白質摺疊

摺疊前後的蛋白質。

蛋白質摺疊是一個高度複雜的過程，透過該過程蛋白質摺疊成其生化功能的三維構象。疏水力是蛋白質摺疊的重要驅動力。極性側鏈通常指向並與水相互作用，而摺疊蛋白質的疏水核心由非極性側鏈組成。有利於蛋白質摺疊的其他作用力包括分子內氫鍵和範德華力的形成。

蛋白質摺疊在熵上是不利的，因為它最小化了能量的擴散並增加了系統的有序性。然而，疏水效應、氫鍵和範德華力的總和在數量上大於熵損失。因此，蛋白質摺疊是一個自發過程，因為ΔG（吉布斯自由能）的符號為負。

對於在恆定溫度和壓力下的反應，吉布斯自由能的變化ΔG 為

$\Delta G=\Delta H-T\Delta S\,$

ΔG 的符號取決於焓變（ΔH）和熵變（ΔS）的符號，以及絕對溫度（T，以開爾文為單位）。請注意，當 T = ΔH/ΔS 時，ΔG 從正變為負（或反之）。

當ΔG 為負時，過程或化學反應在正方向上自發進行。

當ΔG 為正時，該過程在反方向上自發進行。

當ΔG 為零時，該過程已經處於平衡狀態，隨著時間的推移沒有淨變化發生。

伴侶蛋白

GroES/GroEL 細菌伴侶蛋白複合物模型的俯檢視

分子內伴侶蛋白對於蛋白質摺疊至關重要，但不是蛋白質功能所必需的。大量證據表明，伴侶蛋白在體內和體外蛋白質摺疊中起著至關重要的作用。與它們的分子對應物不同，分子內伴侶蛋白作為蛋白質的 N 末端或 C 末端序列延伸編碼在蛋白質的一級序列中，通常被稱為前肽或前序列。在介導蛋白質摺疊後，分子內伴侶蛋白透過蛋白酶的自處理（在蛋白酶的情況下）或透過外源過程（在非蛋白酶蛋白的情況下）被去除。

分子內伴侶蛋白根據其在蛋白質摺疊中的作用被分為兩組。I 型分子內伴侶蛋白介導蛋白質摺疊成其各自的三級結構，並且主要作為 N 末端序列延伸產生。II 型分子內伴侶蛋白介導蛋白質的四級或功能結構的形成，並且通常位於蛋白質的 C 末端。

I 型分子內伴侶蛋白

第一個分子內伴侶蛋白的發現是基於對枯草桿菌蛋白酶的研究，枯草桿菌蛋白酶是一種來自枯草芽孢桿菌的鹼性絲氨酸蛋白酶。通常，透過在前肽區域引入氨基酸替換突變，而不是在蛋白質的功能域中，來研究分子內伴侶蛋白與蛋白質摺疊的分子機制的關係。結果表明，反式新增前肽比順式摺疊枯草桿菌蛋白酶的效率和速率更高。還表明，如果枯草桿菌蛋白酶的過渡態能壘降低，則它可以在沒有分子內伴侶蛋白的情況下摺疊，但速率較慢。

與枯草桿菌蛋白酶不同，NGF（神經生長因子）前肽透過三個分子內二硫鍵形成一個半胱氨酸結。根據氫-氘交換實驗和光譜學研究，前肽充當成熟 NGF 二聚體受體結合的競爭性抑制劑。很可能是四級結構可以穩定三級結構。

競爭性抑制：底物 (S) 和抑制劑 (I) 競爭活性位點。

有人提出 α-溶菌蛋白酶透過成核機制摺疊，其中前肽首先摺疊，並作為支架穩定成熟蛋白酶的 C 末端域。這允許兩個結構域的結構排列打包成天然結構。

有時 C 肽具有獨立的生理功能。例如，胰島素原的 C 肽既能刺激 Na⁺、K⁺-ATP 酶，又能作為胰島素摺疊的分子內伴侶蛋白。

II 型分子內伴侶蛋白

參與蛋白質四級結構摺疊的分子內伴侶蛋白稱為 II 型分子內伴侶蛋白。大腸桿菌 K1 特異性噬菌體含有作為內唾液酸酶同源三聚體的尾部尖峰。這些尾部尖峰與 C 末端域 (CTD) 一起產生，CTD 不是功能性三聚體的一部分。CTD 獨立於酶域摺疊並形成六聚體的事實表明，CTD 能夠彼此關聯以啟動內唾液酸酶的三聚化。

典型的帶尾噬菌體結構圖

在形成纖維的膠原蛋白中同時存在 N 末端和 C 末端前肽。C 末端前肽阻止過早的纖維形成，而 N 末端前肽在膠原蛋白三螺旋的纖維關聯中很重要。前肽在功能性多聚體中被蛋白水解處理。

伴侶蛋白 - 原核和真核細胞胞質中的蛋白質摺疊

在體外，許多未摺疊的蛋白質會自發地達到其天然狀態。然而，在細胞內，這種摺疊效率受到環境條件的限制。細胞環境中存在兩個因素可能會導致多肽錯誤摺疊和聚集。一是擁擠效應，即細胞記憶體在高濃度的生物大分子，新生的多肽鏈從多核糖體中出來後會相互靠近。二是高度保守的伴侶蛋白，它們可以防止蛋白質發生非生產性的摺疊。在細胞質中，Hsp 70（70 kDa 熱休克蛋白）和伴侶蛋白是正常條件或逆境條件（熱應激）下蛋白質高效摺疊的主要因素。伴侶蛋白可以與摺疊中間體相互作用，從而在提供的環境中促進高效摺疊。對於許多蛋白質來說，都需要兩種型別的分子伴侶才能實現高效摺疊。

蛋白質錯誤摺疊

揭示分子內伴侶蛋白在蛋白質摺疊中的作用尤為重要，因為人類蛋白質參與了許多疾病。這些蛋白質被發現包含可能作為分子內伴侶蛋白的序列延伸。稱為蛋白質記憶突變的分子內伴侶蛋白中的突變會導致功能域錯誤摺疊，從而導致功能失常，並最終導致人類疾病。

分子內伴侶蛋白研究的未來

近年來，單蛋白生產（SPP）系統、細胞核心磁共振和共翻譯結構研究等技術的發展為深入研究蛋白質結構和細胞內的摺疊提供了重要手段。此外，還可以進一步研究分子內伴侶蛋白介導的蛋白質摺疊 *in vivo* 的機制。

參考文獻

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