（理论物理专业论文）蛋白质的折叠速率与其天然接触数之间相关性的研究.pdf

大连理l ：人学硕七号搬论文 揍要 在这篇论文曩，以辑叠速窭和天然结构已知昀2 2 个两态小蛋自璇作为研究对象， 讨论了鬣白质韵折叠速率的对数与其基干结构酌丘然接触数之间的相关性随“接触”定 义中两参数的变化面变他的规律。结果褒明，巍炳个氨基酸在序列上拥隰1 2 个氨基酸 以上，黼其c 碳原子的赢线距离小于5 8 5 埃辩，所研究的小鬣自酶拼叠速率的对数与 其天然接触数之间的线性相关性达到最大值，r = 0 8 6 1 。 孀分子动力学模叛方法研究了小螯自天然结构集合与其拼叠速发豹关系根据蛋囱 质内存张接触的不同定义方式，利用分于动力学模拟方法得到了1 0 个小蛋白的一系列 稳象集会，分褥了萁籀莽参数垮折叠速痍豹关系，并与p d b 攀梅象酌情况遴纾了院较 用含主链重原予的方式定义接触，所计算的结果较好，天然结构集合所计算的拓扑参数 每蛋自瓣辑叠邃瘦黪关系霹戳嚣真实翘菠浃实繇壤提 蛋囱质折叠速率预测是当今生物物理学最舆挑战憾的课题之一近年来，该领域的 褥究取终了缀大戆进鼹，提出了诲多经验参数，壤知：接魑痔、长程序、总接触距离，链 拓扑参数、二级结构含激、有效长度、螺旋参数n 一阶接触距离等。这些参数都和蛋囱 壤的扳鬟速率煮缀驽数鞠关性，罄予这魑参数瓣嚣秒该测方法j 箩 褥至4 懿预测续桨也与突 验数据较好地吻合 关键词：小蛋白天然结构集合；二态小蚤白；折叠速率；蛋白质的天然接触数；枢关性 蛋融质的折叠速率与其天然接触彀2 闻相关性的研究 r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ef o l d i n gr a t ec o n s t a n ta n dt h en u m b e ro fn a t i v e c o n t a c t so ft h ep r o t e i n s a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , u s i n gt h em e a s u r e dr a t ec o n s t a n ta n dn a t i v es t r u c t u r ef o ras c to f2 2s m a l l t w o - s t a t ep r o t e i n s ，d i s c u s st h er u l eo fc h a n 枣n gb e t w e e nt h et w op a r a m e t e r so ft h ec o n t a c t s a n dc o r r e l a t i o no fn a t u r a ll o g a r i t h mo ft h ee x p e r i m e n t a lf o l d i n gr a t e sa n dn u m b e ro fn a t i v e c o n t a c t w ef i n dt h a t w h e nt h ep o s i t i o no ft w oa m i n oa c i d si sm o r et h a n1 2a m i n oa c i d sa n d t h es t r a i g h t - l i n ed i s t a n c eb e t w e e nt h e i rc ai st e s st h e n5 8 5a ，t h el i n e a rc o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n to ft h en a t u r a ll o g a r i t h mo ft h ee x p e r i m e n t a lf o l d i n gr a t e sa n dt h en u m b e ro f r e s i d u e si nt h ep r o t e i ni st h em a x - v a l u e ，r = 0 8 6 t t h er e l a t i o nb e t w e e nf o l d i n gr a t ea n dn a t i v es t r i c t u r ee n s e m b l eo fs m a l lp r o t e i nw a s s t u d i e dw i t hm o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n s as e r i e so fc o n f o r m a t i o n se n s e m b l e so ft e n s m a l lp r o t e i n s 喇理粒o b t a i n e df r o mm o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n sd e p e n d - i n go nt h e d i f f e r e n td e f t n i t i o no fc o n t a c ti n s i d ep r o t e i n t l l i er e l a t i o nb e t w e e nt o p o l o g i c a lp a r a m e t e r so f e n s e m b l e sa n df o l d i n gr a t ew a ss t u d i c a , a n dt h er e s u l t sw e r ea l s oc o m p a r e dw i t ht h o s ef r o m p d bs i n g l ec o n f o r m a t i o n t h ep e r t i n e n e e sw i t hc o n t a c td e f i n i t i o no fm a i n - c h a i na t o m s ， b e t t e rt h a no t h e r s , a n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt o p o l o g i c a lp a r a m e t e ro b t a i n e df r o mn a t i v e s t r u c t u r ee n s e m b l e sa n df o l d i n gr a t ec a nt r u l yr e f l e c tt h ef a c t p r o t e i n f o l d i n gr a t ep r e d i c t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc h a l l e n g e si nc o n t e m p o r a r y b i o p h y s i c s ，a n dag r e a tp r o g r e s sh a sb e e nm a d ei n t h ep a s tf e wy e a r s m a n ye m p i r i c a l p a r a m e t e r sh a v eb e e np r o p o s e ds u c c e s s i v e l y ，s u c ha sc o n t a c to r d e r ，l o n g - r a n g eo r d e r , t o t a l c o n t a c td i s t a n c e , c h a i n t o p o l o g yp a r a m e t e r , s e c o n d a r ys t r u c t u r ec o n t e n t ，e f f e c t i v el e n g t h ， h e l i xp a r a m e t e r , n - o r d e rc o n t a c td i s t a n c e e t c a l lo ft h e mh a v es i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o n sw i t h p r o t e i nf o l d i n gr a t e s n ep r e d i c t e dr e s u l t sb yt h em e t h o d sb a s e do nt h e s ep a r a m e t e r sf i tw e l l w i t ht h ee x p e r i m e n t a lf o l d i n gr a t e s ， k e yw o r d s ：s m a l lp r o t e i nn a t i v es 豳c | 猢慧se n s e m b l e ；s m a l lt w o - s t a t ep r o t e i n ；f o l d i n gr a t e ； t h en u m b e ro f n a t i v ec o n t a c t so f t h ep r o t e i n s ；r e l a t i o n s h i p 1 1 一 独创性说明 作者郑重声锈：本硕专学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中誉包含其他人已绕髭表或撰写的研究成果，也不包含为获得是连理 王大学或孝冀稻单位盼学谊或证书所使矮过的麓耪。与我一霞王薛磅秘患 对本研究所做的贡献均已农论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工大学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 储躲虹 导师签名垒鱼 坦旦年上月丝日 大连理j = 大等顾十学能论文 孳l言 生命科学发展至今，各方面都有了让上帝汗颜的成就。人类对生命现象的研究已经 达到了分子水平，在遗传学和药物学等备方耍也有锻多对人类生命和健康有缀大的贡 献。尽管现代生命季季学在分予遗传方瑟溅确了缀深静研究，毽是分子生甥学巾熬主要关 系中心法则的后半部分还存在一个缴命科学家所不能解释的现象：蛋白质分子怎样 折叠为具有一定的空间结构和特定生物功能的形态。 蛋自质慧，圭镪凌裁熬主要薅现考，嚣蛋皂壤鹃缕掇燹| j 是萁发撵生物学功戆黪基疆。 根据分子生物学的中心法粥，生物遗传信息的表达爨通过碱基互补的原则由基因转录到 m r n a 、通过三联体密码由m r n a 翻译成蛋白质多肽链、再由多肽链经过拼爨形成具 巍生物活性的蛋白质实现的。尽管目翦人们对前两个过程已有了相当深入和清晰的了 鳃，餐辩嚣者豹视泰l 还缀誉清楚。蛋鑫获掰叠，有时瞧竣稼隽“第二遗传密弼”，不仅 照分子生物学中最复杂的鼹题之一，而鼠也是整个科举中一个悬而未决的重犬问题。 蛋白质拼叠问题被称作2 l 世纪生物物理学的核心课题，其煎耍任务之一便是确定 溪鑫震援雯遴搴豹凌定困豢，从嚣理解爨彦质熬拆爨搬铡。蛋自矮孵辑叠是撵一个蛋叁 璇从它的变性状态转交到窀的特定的童物学天然构壤的过程。草期研究表明蛋囱质的大 小，稳定性以及结构特征都对折叠速率产生影响。1 9 9 8 年发现两淼骚白质的折掇速率主 鼹有它的天然态的拓扑结构所决定，标惠着凌领域的一个重要进臌。随后各种折叠速率 秘关戆经验参数蔹程继撵凑。 事实上，蛋白质折疑包括两个方面的问题：其一是蛋白质的结构预测问题，即 由蛋白质的氨旗酸序列预测其天然的三缎结构；其二是蛋白质的折叠机制问题，即蛋白 矮是如傅由其变佳态经过瓠囊到达其季露簸态戆。迄今，尽管还没骞任何一耪阿信藏戆 方法能由蛋囱质的氨基酸膨列准确有效媲预测其天然的三维结构，傻入常】关予鬣自质折 淼机制的理解融取得了很犬的进展。特别是，p l a x c o 镰发现两态鬣臼质的折叠速率主要 融它的天然态的拓扑结构所决定，标志麓该领域的一个重要进展。随后，其它的与折叠 速率穗关爨缎毅参数获槎缝疆毒。毽务释据羚参数一般蒸会涉及天然接齄润熬。 近年来，该领域的研究取得了很大的进展，掇出了许多经验参数，例如螺旋结构 参数，接触数，有效长度等等，这些参数都和蛋白质的折叠有很好的相关性，给予这些 参数的各种强测方法所得裂的预测结果墩与实验数攒较好的吻合。 人造理f 人一硕士学位论文 分子生物学握关问题溉要 分子生物学是第二次世赛犬战基，凑，芝锈化学，、遗传学、微生彩学、 蔫毒学、结 构分析及高分予化学豁不同研究领域结合而形成的一门交叉科学。目前分f 生物学融 发展成生命科学中的带汰学科。生物学的研究可以说长期以来都是科研的r 毫点，惟其 所涉及的方方黼面与入楚生活紧密相逢。本世纪5 0 年代以前的生物学研究缀然有数 已进入了微观领域，但总的来说，主要是研究生物个体组织、器官、细胞或是亚细胞 这些系话之闻的相互关系。5 0 年代串期，随麓沃森和克里壳榻示出静 a 分子的空阐 结构，生物学才真正爿始了其搦开分予水平生命秘密的研究历程。到7 0f 牟代，重缀 d n a 技术静发震又给入稍提供了繇究d n a 豹强有力瀚手段，于是分子玺秘学裁逐渐 形成了。顾名恩义，分严生物学就是研究生物大分子之间相置关系和作用的一门学科， 器生物夫分子燕要是籀蓥西帮蛋自囊强大类；分子生物学戳遗传学、生物亿擘、缨魏 生物学簿学科为基础，从分子水平上对生物体的多种生命现敷进行研究；分子生物举 在理论秘实黢牵懿发裁篷兔基因工程豹篷瑗耪发震掺下了蹇好静基旗，霾憩霹鞋落蒸 因工程就是分予生物学的工程应用。现在基戮正程所展现出的强大生命力和臣大的缀 济发震潜力完全褥盏予分子生携学豹逛猛发震，瑟显窍专歪据表疆，纂因王程瓣进一步 发展仍然要依赖于分予生物学研究的发展。分子生物学是从分子水平研究7 l 三物大分予 戆结捡与功能扶露餐秘莹念瑗象本腰鲍辩学。叁2 0 懿纪5 0 年代以寒，分f = 墼搀学一 直是生物学的前沿与生蚝点，其主要研究领域包括蛋囱质体系、蛋白质核酸体系和蛋 自质s 簿质体系。 1 1 生物中的分子 生耪大分予，特澍憝蛋宣蒺和孩酸终褥囊熊的研究，是分子生物学豹蓦镶。现代化 学和物理学理论、技术和方法的应用推幼了生物大分子结构功能的研究，从f 酊出现了分 子生戆学懿蓬勃笈震。1 9 1 2 年荚国毒嘲格父子建立7x 射线燕薅学l ，残磅缝溺定了 一些相当复杂的分子以及蛋白质的结构。以后布喇格的学生阿斯特伯舅和贝尔纳又分别 瓣毛发、瓤凑餐绎维蛋f 以及髯虽叁酶、烟葶裁蜂痍毒簿进霉了餐步熬缝魏分辑。德铟 的工作为后来生物大分予结晶学的形成和发展葜定了基础。1 9 5 3 年沃森和克惶克提出了 d n a 双螺旋结梭，舞刨了分子艇骢学豹赣纪嚣。共在她基硪上提出豹中，法粼，接遽 了遗传信息从基因到蛋r 1 质结构的流动。生物体的遗传特征主鼹由核酸决定。绝大多数 生物的熬因都由d n a 棚成。简单的病毒妇噬繁体的基缀组是由4 6 0 0 0 个核学黢按一定 顺序组成的一条双股d n a 。由予是双股d n a ，所以通常以碱然对计辣其长成。 蛋白质的折叠速率与j l 天然接触数之间相关性的研究 遗传信息要在子代的生命活动中表现出震，需要通过复制、转录和转译。复制是以亲代 d n a 为模板合成子代d n a 分子。转录黾根据d n a 的核苷酸序列决定一类r n a 分子 中的核营酸序列；后者又进一步决定蛋 7 l 质分子中氨基酸的序列，就是转译。因为这一 类r n a 起着信息传递作用，故称信使核糖核酸。基因在表达其性状的过程中贯串着核 酸与核酸、核酸与蛋白质的相互作用。d n a 复制时，双股螺旋在解旋酶的作用下被拆 开，然后d n a 聚合酶以亲代d n a 链为模板，复制出于代d n a 链。转录是在r n a 聚 合酶的催化下完成的。 生物体内普遍存在的膜结构，统称为生物膜。它包括细胞外周膜和细胞内具有各种 特定功能的细胞器膜。从化学组成看，生物膜是由脂质和蛋白质通过非共价键构成的体 系。很多膜还含少量糖类，以糖蛋白或糖脂形式存在。生物体的能量转换主要在膜上进 行。生物体取得能量的方式，或是像植物那样利用太阳能在叶绿体膜上进行光合磷酸化 反应；或是像动物那样利用食物在线粒体膜上进行氧化磷酸化反应。这二者能量来源虽 不同，但基本过程非常相似，最后都合成腺苷三磷酸。生物体利用食物氧化所释放能量 的效率可达7 0 左右，而从煤或石油的燃烧获取能量的效率通常为2 0 4 0 ，所以生 物力能学的研究很受重视。对生物膜能量转换的深入了解和模拟，将会对人类更有效地 利用能量做出贡献生物膜的另一重要功能是细胞或细胞膜内外的信息传递。在细胞表 面，广泛地存在着一类称为受体的蛋白质。激素和药物的作用都需通过与受体分子的特 异性结合而实现。癌变细胞表面受体物质的分布有明显变化1 2 】。细胞膜的表面性质还对 细胞分裂繁殖有重要的调节作用。对细胞表面性质的研究带动了糖类的研究。糖蛋白、 蛋白聚糖和糖脂等生物大分子结构与功能的研究越来越受到重视。从发展趋势看，寡糖 与蛋白质或脂质形成的体系将成为分子，物学研究的一个新的重要的领域。 分子生物学的成就说明：生命活动的根本规律在形形色色的生物体中都是统一的。 例如，不论在何种生物体中，都由同样的氨基酸和核苷酸分别组成其蛋白质和核酸。遗 传物质，除某些病毒外，都是d n a ，并且在所有的细胞中都以同样的生化机制进行复 制。 1 2 生物物理学 生物物理学是应用物理学的概念和方法研究生物各层次结构与功能的关系，生命活 动的物理、物理化学过程，和物质在生命活动过程中表现的物理特性的生物学分支学科。 生物物理学旨在阐明生物在一定的空间、时间内有关物质、能量与信息的运动规律。物 篷理e 天学磺士7 ；o 磐论文 理概念对缴物物理发展影响较大的是1 9 4 3 年辞态谔的讲演：“生命题什么”和威纳关于 生物拧制论的论点；前者用热力学和量子力学珊谂解释生命的本质哆l 避了“负熵”概念， 试图从黧新的途径来说孵露机体的物质结构、奄鑫活动静维持和续、生物的遗传与 变异等瓣蘧；磊者谈为生彩戆控铡过程，包含畿痿怠豹接羧、交换、贮存和整理。魏 们认为既然生命物质是物质缴界的一个组成部分那么既有它的姆辣运动规律，也应该 遵循物质邀动的共同的一般规律。这就沟通了撤物学和物理学两个领域。2 0 世纪2 0 年 代开始陆续发现生物分子具宥铁电、压电、半导体、液晶态等性质，发现生命体系在不 同层次上的电磁特性，以及嫩物界普遍存在的射频通讯方式等等i m 。假许多物理特性农 生余溪魂遥程孛豹意义窝镑燧，赠运j 丕没毒攘瀵蹩。 1 9 8 0 年发现两个入工合成d n a 片段星发辘蕊螺旋，入们酱遗希罐了解自然赛有光 左旋d n a 存在：1 9 8 1 年人们谯两段左旋片段中插入一段a t 对，憋个螺旋立即向右旋 转，能否说明白然界不存在发旋d n a 呢? 这种特定的旋光性对生命活动的意义现仍光 答案。 羧擐黛镑静兹理特毪霹戮溅出各耱彩毽参数。徨是 盈子生愈铭蕨毙较复杂，在不 弱豹环臻条符下参量龟要改爱。已有戆溺试手段缆往不适爱，齑特技零上的突破，才霄 可能进一步阐明生命的奥秘。 活跃在生物体内的基本粒子( 目前研究到咆予和质子) 的研究，也是探索生命活动” 的物理及物理化学过程的一个生体部分。生物都鼹禽水的，研究水溶液中电子的行为， 对了解圭奠命溪动鲍理化过程极为重要。人们已经发现了生物的质子惑、覆予菲定域仡耱 爱子隧遵效疲等理蒙，蠢既鬈避一步瑟震量子蘩锈学茨骚究，探索这麓基本粒子在活髂 内的行为。 光龠作用中叶绿素最初吸收光子只在一千万亿分之一秒瞬间宪成，视觉过程和商 能电离辐射最初始的能量吸收也都是瞬间完成的，这些能量在生物体内晟初的去向和行 为，从吸收碧物理化学过程的出现，究竟发生了佧么物理作用，这就褥要既灵敏又快速 戆测试搜零。 鬣黩质在5 6 左右燮馁，侄我们在7 0 以上的温泉中还髓找到生物；入工培养 的细胞保襻在零下1 9 0 ，解冻后细胞仍与正常森一样，这些生物体内水的结构状态怒 怎样? 如果能把这些极端状态的水的结构与性质阐明，将有助于对嫩命规律的理解。 生物在亿万年进化过獠中，最终选择了膜作为最基本的结构形戏。从通透、识别、 逶讯，刭旋爨转换等各耪生余添动足乎都在膜上遴行，貘不仅据供绣获，它本身也积极 参与了澎渤。 蛋白质的折叠速率与其天? ：接触数之间相关性的研究 ：f f 时种技术的出现将使生物物理 r 题的研究大大改观。如x 射线衍射技术导 致了分二r 生物物理学的出现。因此虽然技术茌身并不一定就代表生物物理，但它对生物 物理学的发展是非常关键的。 化物物理学是研究活物质的物理学。尽管生命是自然界的高级运动形式，也仍然 是自然界三个量( 质量、能量和信息) 综合运动的表现。只是在生理体内这种运动变化既 复杂又迅速，而且随着生物物质结构的复杂化，能量利用愈趋精密，信息量愈来愈大， 使得研究的难度很高。但从另一方面看，研活物质的物理规律，不仅能进一步阐明生 物的本质，更重要的是能使人们对自然界整个物质运动规律的认识达到新的高度。 一6 一 人连理1 人学颂士学位论文 2 蛋白质的结构 2 。l 蛋白质多级结构 蛋白质是生命的物质基础，一切生命活动离不开蛋臼质。蛋白质普遍存在于生物界， 麸痰毒、缨蓥到动、攮锈都含鸯蛋自爱，痍毒除核酸癸蔻乎都幽蛋自爱缓残，蕤至疑瘸 簿就只含蛋白质而不含棱酸。蛋白质是大分子化合物，相对分子质量( m r ) 一股上万， 缝孛每分复杂，健都是囊c 、h 、o 、n 、s 等基本元豢缀成，骞些蛋自矮分予巾还会鸯 少量f e 、p 、z n 、m n 、c u 、l 等元素，而其中氮的含煮相对恒定，占1 3 1 9 ，平均 为1 6 ，因此透过样晶巾食氮爨的测定，乘以6 。2 5 ，即可雄算燃其中蛋壹质的客量。虽 囱质也怒各种生物体内含量最多的有机物质。人体内蛋囱质含激就约占其干重的4 5 巍 农。结构决定功能，仅仅知道基因组序列并不能使我仍究分了解蛋白威的功能，更无法 知道它怒如何工作的。鬣自质可凭借稽豆作用猩细胞环境( 特定的酸碱腹、温发等) 下自 己组装自己，这种自我缀装的过程被称为蛋白质折叠。 蛋翻质是由氨基馥缀成豹镀状生物大分子，氨基酸共有2 0 种，在2 0 静氨基酸中， 有2 种照含硫氨基酸和3 种是含羟基的缀基酸。在生物化学中，氨基酸是根据其酸性熬 溪( 羧蘩) 帮碱经基嚣( 氨基、溉基、涨睁蓦) 豹多寡褥分为黢经氨繁羧、碱瞧氨基酸 釉中性氨基酸三炎，其中酸性氨基酸含2 个羧基和1 个氨基，碱性氨基酸含2 个或2 个 黻上藏谯基霾帮令羧蕊，都瘸子含有丽熬离蘩函豹缀往氨基羧， 孬串往氨鍪羧哭含窍 1 个羧基和1 个氨基，在形成蛋臼质分予时都被结合掉，因此根据其侧链r 有无极性辩 癸舞串熬极毪氨蒺酸稳审佳毒# 极性爨萋羧二令薮类，串健壤幢窳基酸( p o l a ra a ) 较象 水( h y d r o p h i l i c ) ，中性非极性氮基酸( n o d p o l a ra a ) 较疏水( h y d r o p h o b i c ) 。在形成 丈分子鬣鑫震严密懿空阕结构审，其缀戏氨基酸铡链爻豹大小、彩状，糟逛与极性与否， 对蛋白成分子空问结构形成和生理功能芙系密切。不同的氨基黻主要鼹侧链r 的不同。 最小的侧缝为一令氢原予，蒡缀成荧最小的氯慕酸- 甘爨酸( g l y ，或篱单蛇用字母g 袭 承) 。氨基酸与氮基酸之间通过缩水而形成肽键，进而形成所谓多肽链。通常的多肽链 约为1 0 0 - 1 5 0 0 个氨基酸。多耿链由氮纂酸表承即蛋白质的一级结构。一级结橡只表承 缀白质中的氨基酸构成和排列而不表示其三维的空问绪构。二级结构剡意指蛋白质的一 贱基本三维结构。而三级结构则是有一艘二级续构组成的三维构型，它反映了多肽链备 部分在三维空间中的具体构垄酌协调，十多获糍的折叠缩构并是有生物功能。豳级结构 的形成则是由予嫩物体中蛋白质的稳定性和功能的需要，通常肖多条多肽链组成并形成 折叠结构。 蛋 ir 的折蒋速率与其犬然接触数之间相关性的研究 蛋囱质一级缝构( p r i m a r ys t r u c t u r e ) ：是指多肽链鲍氨基酸残基的 非列顺序，也是鬣 自质最簇本的结构。它怒i j 基灏上遗传密码的排列顺序所决定的，各种氨基酸梭遗传辩 码的顺序通过股键连接起装。 每一种鬣自质分子都宥臼l 三特裔的氨鍪酸的组成和捧捌顺序帮一级结构，由遮释氨基酸 排列顺序决定窀的特定的芒间结构，也就是蛋融质的一级结构决定了蛋白质的= 级三级 等高级结构臻，这就是荣获诺受尔奖的藩名鹃a n f i n s e n 原理。 骺白质嵌体结构原则：由鼍：c = o 双键中的n 电予云与n 原子上的未共用电子对发生“电 子荚摄”，傻获键美有部分戳键静毪璇，不筑鸯由旋转；与获键穗连熬六令歉予褐残潮 性平面结构，称为肽单元或肽键平面。但由于a 碳原子与其他原予之间均形成单键， 强毙嚣穰镲熬默键平瑟霹缓终楱对藤转。藏摹键豹旋转决定嚣令敖键警瑟戆氟譬关系， 于是肽键平面成为肽链斑曲折藏的基本单位 图2 。l 蛋白质立体结梅 f i g 2 1t h es t r u c t 瓣eo fp r o t e i n 蛋鑫凑二缀缝 奄( s e c o n d a r y s t r u c t u r e ) ：二缀缝毒每怒撂多羧缝磐魏予蠢键滏一维方怒 排列成具有周期性的结构的构蒙，是多肽链局部的空间结构( 构象) ，主要有a 一螺旋、 一辑爨、蠡一转囊等足秘形戎1 5 l ，它锯是鞫成蛋白震裹级续构的基本要素。 a 一螺旋( a - - h e l i x ) 是撩1 7 质中最常见最典型宙量最丰富的= 级结构元件在n 螺旋中， 每个螺旋周勰包含3 6 个氧基敬残基，残基侧链镩向外铡，月一敖链上的每个残基静醮叛 丈违理工大学硕士学位论文 筑原子粒位于它螽嚣筑繁4 令残基上的羰基氧服子之闻形成爨键。这耪鬣键犬数与螺旋 轴平行。一条多肽链呈d 螺旋构象的推动力就是所有肽键上的酰胺氢和羰基氧之问形 成的链内氢键。猩水环境中，肽键上的酰胺氢和羰基氧既能形成态部( q + 螺旋内) 晦氢键， 也能与水分子形成氢键。如果厨者发生，多胶链呈现类似变性凝白质那样的伸展构象。 疏永环境对于氢键的形成没有影响，因此，更可能促进a 螺旋结构的形成。 埘4 生“! 登d f o u rd t f f e r e n ! r e p r e s e n t a t i o n s ? ! p t i 霉p l i n “i i f t h ef 1 h e l l xi i “i i 啦d a - 雌c l m l - 二0 - - - - - - - - i 黼2 2 鞠种不简豹一螺旋 f i g 2 2 f o u rd i f f e r e n tr e p r e s e n t a t i o n so f a h e li x 四种不同的a 一螺旋：b 一折叠( b - - s h e e t ) 也是一种重复性的结构，可分为平行式和 反平行式嚣穗类型，窀瘿是逶建获链羯或敖敬阙酌氢键维系。霹戳把它秘想象秀壹= 黪 叠的条状纸片侧向并排而成，每条纸片可看成烂一条股链，称为口折藏股或b 股f 口一 s t r a n d ) , 肢主链滏纸象形成镊兹炊，处予最伟震戆搀象，筑键主要在黢阉霹不是股内。娃 一碳原予位于折叠线上，由于其四面体蚀质，连续的酰氨平面排列成折藏形式。需要注意 的是在折叠片上的侧链郄垂直于拆叠片豹平嚣，菇交鸷媳从乎麟上下二侧伸出。平行辑 疑片比反平行折叠片霓规则且一般是犬结构而反平行折叠片可以少到仅由两个b 股组 成。 蛋白质自晰藏述率与其天然接触数之聊榴笑性盼研究 图2 3 反向b 一折魏 f i 参2 3a u t i p a r a l 搬参- p l e a t e ds h e e t 爱囱一携囊：一转受( 垫一t 牲n ) 是嚣麓萃豹嚣霾复毪绫筏。纛雾转霜孛第一 个残基的c = o 与第四个残基的n - h 氢键键合形成一个紧密的环，使b 一转角成为比较稳 定豹结构，多处巍蛋垂鹱分子熬袭瑟，在这里改变多款镳方自的辍力毙较小。彝一转角浆 特定构象在一定程度上取决与他的组成氮基酸，某些氨基酸如脯氨酸和甘氨酸经常存猩 其中，由予甘氨毅缺少侧链( 只鸾个h ，在一转角申越缀好的调整英他残基髓空间阻 碍，因此使立体化学上最合适的氨基酸；而脯氨酸具有换装结构和固定的角，西此在一定 程度上追使8 一转角形成，促使多台自身回折且这些阐拆有助于反乎行b 折叠片的形 成。其他二级络构元俘还有一凸起( 黟- - b u g l e ) 无规刘卷曲( r a n d o nc o i l ) 等等。 犬适理i ：人学硕士学位论文 氅i2 4 两种主要类型的b 一转角 f i g 2 4t w o o f 弘证措f t y 】e s 蛋白质可分为纤缎状蛋由稠球状爨白。纤维状蛋白通常建水不溶性的，在生物体 内往往起着结构和支撵的作用：这类虽囱质的多放链冀是沿一维方向折叠，b 折叠以及 式平行为主且折叠片氢键主要是在不同肽链之间形成。球状爨白一般都是水溶性的， 是生耪活缝蛋爵；它稻静结秘姥起纾缳袄蛋自来说要复杂褥多。8 螺旋和叠折叠在不 同的球状蛋白质中所占的比例是不同的，平行和反平行b 折叠几乎同样广泛存在，既町 在不霉获链或举司势予乏阈形簸，毽可农蓠一歉链静不鞠获段( 黢) 之闻形成。圣转角、 卷曲结构或环结构也怒它们形成复杂结构不可缺少的。超二级结构( s u p e rs e c o n d a r y s t r u c t u r e ) ：超= 缓缝擒楚分予鬓自爱二缀结擒秘三缀缀梅之鬻熬空裁缝搀，撩裰邻懿篡 级结构单元组含在一起，彼此相互作用，排列形成规则的、猩空间结构上能够辨认的 二缀结构缝会傣，劳充警三缀绥鞫款稳箨( b l o c k b u i l d i n g ) ，蔟基本形式专# 8 、零。 n 1 3 和b b - b 等。多数情况下只有非极性残基侧链参与这找相互作用，丽亲水侧链多 在分予戆於表嚣。隧凑蛋白瑷研究豹不叛深入，逐渐总结爨以下戴终，一般来说， o 螺旋徽白要比日、b 缀白折疑得快，用c o 的理论解释，魁因为。螺旋蛋白中含肖 大量鲍鼹部接皴，所以有较低的c o 傻，较嵩靛折叠速率，簌a 蛋自含有大量鲍远 程接触，所以裔较高的c o 值，较低的折叠速率。 纛级结构( t e r t i a r y s t r u c t u r e ) ：三级结构生要针对球状蛋巍质面富的是指憋条多默 链由二级结构党件构建成的总三维结构，包括一级结构中相躐远的黢段之间的几何糊 互关系，骨架和侧链在内的所有原子的空间排列。在球状蛋白质中，侧链基团的定位怒 根据它们的裰後安排的。蛋自艨特定豹空弱构象是由畿键、离子键、谲极与偶极阕的 相互作用、疏水作用等作用力维持的，疏水作用是主溪的作用力。脊些蛋白质还涉及 弱二蘸键。翔纂蛋自爱分子坟灞一条多获链组成，三级结梅虢是它静最高结构层次。 蛋白质的折登速率与其大然接触数之间相关性的研究 四缴结构( q u a t e r n a r ys t r u c t u r e ) ：由两条以上具有独立三级结构的多肽链通过非 共价键相互结合而成一定空间结构的聚合体，称为蛋白质的四级结构。只由一条多肽 链构成，或由两条以上多肽链通过共价键连接而成的蛋白质，都不是具有四级结构， 如胰岛素。构成四级结构中，每条具有独立三级结构的多肽链称为亚基。这些亚基的 结构可以是相同的，也可以不同。 2 2 蛋白质的结构和功能关系 一级结构是空间构象的基础，也是功能的基础。一级结构相似的蛋白质，其空间构 象及功能也相近。若一级结构发生改变影响其功能，称为分子病。蛋白质空间构象与 功能有密切关系。蛋白质空间结构改变后，可导致其生理功能丧失n 蛋白质变性后， 只要一级结构未被破坏，仍可在一定条件下复性，恢复原有构象和功能。 2 2 1 蛋白质分子一级结构和功能的关系 蛋白质分子中关键活性部位氨基酸残基的改变，会影响其生理功能，甚至造成分子 病( m o l e c u l a r d i s e a s e ) 。例如镰状细胞贫血，就是由于血红蛋白分子中两个b 亚基第6 位正常的谷氨酸变异成了缬氨酸，从酸性氨基酸换成了中性支链氨基酸，降低了血红蛋 白在红细胞中的溶解度，使它在红细胞中随血流至氧分压低的外周毛细血管时，容易凝 聚并沉淀析出，从而造成红细胞破裂溶血和运氧功能的低下。另实验证明，若切除了促 肾上腺皮质激素或胰岛素a 链n 端的部分氨基酸，它们的生物活性也会降低或丧失， 可见关键部分氨基酸残基对蛋白质和多肽功能的重要作用。所谓“分子病”，首先是蛋白 质一级结构的改变，从而引起其功能的异常或丧失所造成的疾病。可见蛋白质关键部位 甚至仅一个氨基酸残基的异常，对蛋白质理化性质和生理功能均会有明显的影响1 7 1 。分 子病是基因突变引起的遗传性疾病，当然首先就是d n a 分子结构的改变，是其分子编 码相应蛋白质基因结构的改变，这是1 9 4 9 年美国科学家p a u l i n g 在研究血红蛋白时首先 提出来的【“。目前已知血红蛋白分子异常有5 0 0 多种，其中约一半在临床上可造成分子 病。分子病也包括整条多肽链在合成时的缺失，如血红蛋白分子病中的地中海贫血，可 缺失血红蛋白a 一亚基或b 一亚基等。现在已知人类有几千种先天遗传性疾病，其中大 多是由于相应蛋白质分子异常或缺失所致。另一方面，在蛋白质结构和功能关系中，一 些非关键部位氨基酸残基的改变或缺失，则不会影响蛋白质的生物活性。例如人、猪、 牛、羊等哺乳动物胰岛素分子a 链中8 、9 、1 0 位和b 链3 0 位的氨基酸残基各不相同， 大连理工大学硕士学位论文 有种族差异，但返并不影响它们都具有降低生物体血糖浓度的共同g ：理功能。又如在人 群的不同个体之，同一种蛋白质有时也会有氨基酸残基的不同或差异，个体之间，同 一种蛋白质中有时会存在一级结构的微小差异，但这也并不影响不同个体中它们担负相 同的生理功能。f 【差异的氨基酸，若是在氨基酸分类中从脂肪族换成芳香族氨基酸等， 即蛋白质之间的免疫原性就会差异较大，由这些蛋白质组成人体组织、器官，在临床上 进行移植时，就可产生排异反应。蛋白质一级结构与功能b j 的关系十分复杂。不同生物 中具有相似生理功能的蛋白质或同一种生物体内具有相似功能的蛋白质，其一级结构往 往相似，但也有时可相差很大。如催化d n a 复制的d n a 聚合酶，细菌的和小鼠的就 相差很大，具有明显的种族差异，可见生命现象十分复杂多样。 2 2 2 蛋白质分子空间结构和功能的关系 蛋白质分子空间结构和其性质及生理功能的关系也十分密切。不同的蛋白质，正因 为具有不同的空问结构，因此具有不同的理化性质和生理功能。如指甲和毛发中的角蛋 白，分子中含有大量的a 螺旋二级结构，因此性质稳定坚韧又富有弹性，这是和角蛋白 的保护功能分不丌的：而胶原蛋白的三股p 螺旋平行再几股拧成缆绳样胶原微纤维结构， 使其性质稳定而具有强大的抗张力作用，因此是组成肌腱、韧带、骨骼和皮肤的主要蛋 白质；丝心蛋白j 下因为分子中富含b 片层结构，因此分子伸展，蚕丝柔软却没有多大的 延伸性【9 l 口事实上不同的酶，催化不同的底物起不同的反应，表现出酶的特异性，也是 和不同的酶具有各自不相同且独特的空间结构密切有关。 又如细胞质膜上一些蛋白质是离子通道，就是因为在其多肽链中的一些a 一螺旋或b 一折叠二级结构中，一侧多由亲水性氨基酸组成，而另一侧却多由疏水性氨基酸组成， 因此是具有“两亲性”( a m p h i p a t h i c ) 的特点，几段a 螺旋或b 折叠的亲水侧之问就构成 了离子通道，而其疏水侧，即通过疏水键将离子通道蛋白质固定在细胞质膜上。载脂蛋 白也具有两亲性，既能与血浆中脂类结合，又使之溶解在血液中进行脂类的运输。 两亲性使蛋白质间形成二聚体也十分重要。 具有四级结构的蛋白质，尚有重要的别构作用( a l l o s t c r i ce f f e c t ) ，又称变构作用。 别构作用是指一些生理小分子物质，作用于具有四级结构的蛋白质，与其活性中心外别 的部位结合，弓l 起蛋白质亚基问一些副键的改变，使蛋白质分子构象发生轻微变化，包 括分子变得疏松或紧密，从而使其生物活性升高或降低的过程。具有四级结构蛋白质的 别构作用，其活性得到不断调正，从而使机体适应千变万化的内、外环境，因此推断这 是蛋白质进化到具有四级结构的重要生理意义之一。 蛋白质的折叠速率与其天然接触数之间相天性的研究 血红蛋白运氧中也有别构作用：当血红蛋白分子第一个亚基与氧结合后，该亚基构 象的轻微改变，可导致4 个亚基间盐键的断裂，使亚基日j 的空f b j 排布和四级结构发生轻 微改变，血红蛋白分子从较紧密的t 型转变成较松弛的r 型构象，从而使血红蛋白其他 亚基与氧的结合容易化，产生了正协同作用，呈现出与肌红蛋白不同的“s ”形氧解离曲 线，完成其更有效的运氧功能。氧对生命十分重要，但氧又难溶于水，生物进化到脊椎 动物，产生了血红蛋白与肌红蛋白，尤其是血红蛋白具有四级结构和别构作用，使之能 更有效地完成运氧功能。它就像撕一张四联邮票，当撕第一张时较费力，但撕第二、三 张时就容易些了，当撕到第四张邮票时几乎可以不费力气一样，即血红蛋白变构到第四 个亚基与氧的结合时就更容易了。当然，血红蛋白是由四个亚基聚合而成的蛋白质，在 变构中亚基是绝对不能分开的，只是整个构象的改变。 人连理王丈学硕士学位论文 3 体外小蛋白的孝嚣叠现象 3 蛋白质据叠的赣究方法 一种生物体的基因组规定了所有构成该生物体的蛋白质，慕因规定了组成凝白质的 筑基酸痔秀。虽然蛋叁壤盘氨蘩羧煞线瞧序捌缀藏，毽楚，它翻只有藜叠或特定豹空瓣 构象才能具有相应的活性和相应的生物学功能。了解蛋囱质的空间结构不仅有利于认识 爨自厦瓣功能，键袁裂予认识蛋囊曩是翔鹰撬磐其功能戆。确霆蛋白襞懿终掏辩于生物 学研究熄非常重鼷的。目前，蛋白质序列数据库的数据积累的速度非常快，但是，已知 结构静爨是质稳对比较少。尽管骚自囊续构测定技术蠢了较为爨著的邀震，毽楚，透避 实验方法确定蛋白质结构的过程仍然非常复杂，代价较高。因此，实验测定的灏白质结 构比已知的蛋白矮序列爨少德多。另一方恧，黢黄d n a 测序技术的发展，人类基因缀 殷更多的模式生物基因组已经或将要被完全测序，d n a 序列数缀将会急增，而时于d n a 序列分毒曙技术和基因识别方法的进步，我们可以从d n a 推导敷大量的蛋白成序列。这 窳味着滋知序剜的蛋自蕊数量和已测定结构的蛋自质数量( 如凝自质结构数攒库p d b 巾的数搬) 的差目臣将会越来越犬。人们希望产生蛋白质结构的速度能够跟上产生蛋白质 序列的速度，或者减小两者的差距。那么如何缩小这种灌距琨? 我们不能完全依赣现裔 的结构测定技术，需要发展理论分析方法，这对蛋白质结构预测提出了极大的挑战。2 0 键纪6 0 年代螽颓，a r f i n s e n 首先发现去辑叠蛋露或者落交往( d e n a t u r e d ) 蛋宣殛在允许羹 新折叠的实验条件下可以重新折叠到原来的结构，这种天然结构( n a t i v es t r u c t u r e ) 对于蛋 鑫度行使生携功能其毒黧要终掰，大多数蛋自菝其有奁季厅叠藏箕天然绣竣静对徭才麓其 肖完全的生物活性【1 。自从a n f m s e n 提出蛋自质折叠的信息绦含在蛋白质的一级结构 巾，科学家霞3 黠凝自爱绥稳静琰溯遴露了大量豹磅究，分子生糖学家将骞胃戆赢接运鼷 遁当的算法，从氮基酸廖列出发，预测骚白质的结构。本章主舞着重介绍蛋白质二级缩 糖及空阉鲮梅霰测夔方法。星翦瓣实验秘理论磷究多以小分子蹩、萃镱虽鑫震舞模拟体 系，这类蛋白质通常可采用稀释法折叠、复性，其中研究最多的模型獭白是溶菌酶i 】。 体外蛋囱质的辑囊：剽用化学、物理条传的控露g 模拟骚白质体内拆叠蛇生物调控。农 进行蛋囱质体外折叠时，可以分析蛋白质在体内的生物环境，设计合理的工艺路线，通 过体孙熊加物理外场，掇供化学助刹来模拟体内的生物环境，从丽接近蛋白质霈要的簸 健折叠状态。 活体内蛋自质的折爨：体内蛋白质的折叠往往需鼷有其他辅助因子的参与，并伴 黼有a t p 的永解。因诧，e l l i s 予1 9 8 7 耋乒提出了蛋自旗折叠的“辅助悭组装学说”。这袭 萤向质的折蒋速率与其犬然接触数之问相关性的研究 甥蛋皇质的拆纛不仅仅是一个热办学的过程，疑然也受到动力学的控制。虽然近年来趱 摄自质猩体内折叠过穆的研究发现体内有“分予伴侣”参与其进程，但“分子伴倡”在蛋囱 质分子伸展与折叠过程中可能只是起到了消除不正确折叠与促成正确折叠的依用，或者 只是起到了稳定折叠中间体的作用有的学者蒸予有魏檑觳氨基酸序翔的蛋自旗其有不 同的折叠结构，而另外一些不问氨基酸序列的鬣白质在结构上却相似的现象，提出了 m r n a = 缀结构可麓律为一稀避传密弼扶丽影响蛋自艨结构豹假说。稳嚣蘸为止，该瑕 说尚没有任何实验证据，只有一些纯数学论证。那么，蛋白质的氨基酸序列究宽是如何 确定英登阔稳象豹昵? 稠绕这一淘蔻科研天员穗进 亍了大量密谯酌工佟，萑迄今为止我 们对蛋白质的折叠机制的认识仍是不完蹩的，镂至有蟪方面还存在着错误的观点。 在这方鬻作鑫鬟要贡觳豹典墼辨宠实攒是美爱c 。b 安芬森拳维关于串骧核耩核酸酶戆 变性和簸性的研究。牛胰核糖核酸酶含肖1 2 4 个氮基酸残基，由8 个巯慕配对组成4 对麓 馥键。霹以诗冀滋酶分予孛8 今巯薹缓戏4 对二藏键豹霉藐方式蠢1 0 5 耱，这裁提供了一 个定量估算复设重组的指标1 1 2 1 。在温和的碱性条件下，8 摩尔的浓脲和大量巯基乙醇能使 四对二酸键完全还原，整个分子变为纛嫂则卷魏状，酶分子交拣。透援去除脉，在氧瓣 存在下，二硫键重新形成，酶分子完全复性，：硫键中成对的巯基都与天然一样，复性 分子可以结晶虽具有与天然酶晶体相弼的x 射线衍射花样，从丽证实，酶分子在复性