第41卷第4期力学进展Vol.41No.42011年7月25日ADVANCESINMECHANICSJuly25,2011蛋白质折叠的统计热力学基础——非共价作用的统计热力学原理∗孙卫涛†清华大学周培源应用数学研究中心,北京100084摘要蛋白质折叠是一个复杂的物理、化学和生物过程,涉及热力学、统计力学、高分子动力学等多个领域的相关知识,单独从宏观或微观角度出发,试图建立蛋白折叠物理模型,都面临着巨大的困难.统计热力学方法是研究蛋白质分子运动规律的重要途径,本文从溶液环境下蛋白质折叠的非共价作用出发,介绍了疏水作用、氢键、静电力和范德华力的统计热力学机理,并探讨了这些作用力对蛋白质结构稳定性的影响.通过深入理解微观结构相互作用与系统熵、焓、自由能之间关系,有助于我们发展蛋白质折叠的统计热力学理论,进而为蛋白质结构宏观热力学研究提供重要的微观统计力学机理.关键词蛋白质折叠,自由能,统计热力学1前言蛋白质是由细胞内核糖体(ribosome)合成的链状氨基酸高分子聚合物(也称为多肽链(poly-peptidechain)),是生命活动必不可少的物质基础.蛋白质分子包含从几十个到上千个数量不等的氨基酸单元(称为残基(residue)),普通蛋白质分子由数百个氨基酸串联组成.自然界存在20种氨基酸,不同种类氨基酸在蛋白质链上的排列顺序称为氨基酸序列(sequence),氨基酸序列决定了蛋白质之间的差别.蛋白质通过多肽链折叠形成特殊的三维空间分子结构,并由此实现对应的生物功能,这种空间结构称为天然态结构(nativestructure).蛋白质天然态结构特征可以通过X射线散射[1]、核磁共振(NMR)[2-6]和低温电镜(cryo-electronmicros-copy)[7-11]等实验技术加以观测.Pauling等[12-13]指出蛋白质内部存在规则的螺旋结构和片层结构,正是这些结构导致了X射线中的α和β散射图样.此后不久,Linderstrom和Schellman[14]发现蛋白质内部的结构组织具有层次性,并首次引入了一级结构、二级结构、三级结构的名称.一般认为,蛋白质结构可以分为4种组织层次[15]:一级结构、二级结构、三级结构和四级结构.一级结构指蛋白质多肽链的氨基酸序列.二级结构是多肽链局部折叠形成的稳定规则结构,包括α螺旋(he-lix)、β片层(sheet)和转角结构(turn)等.二级结构的生成与维持需要依靠不同氨基酸的C==O和N—H基团间的氢键作用.三级结构指多个二级结构在空间中紧密排列所形成的三维结构.蛋白质的三级结构通常依靠疏水核心、双硫键、氢键等来稳定结构.四级结构指不同蛋白质多肽链间相互作用形成具有不同功能的复合物分子形态.与天然态结构相对应的是去折叠结构(un-foldedstructure).理想状态的去折叠态蛋白质结构收稿日期:2010-09-17,修回日期:2011-06-03∗清华大学自主科研计划(20101081751)和林家翘专项捐款资助†E-mail:sunwt@tsinghua.edu.cn428力学进展2011年第41卷呈现无规卷曲(randomcoil)状态,没有形成规则的二级结构.研究表明,在强变性剂环境下(如8M尿素),去折叠态蛋白质的流体力学属性与无规卷曲多肽链相符[16-17].但是在没有变性剂的情况下,即使是极端的pH值和温度环境,去折叠蛋白质也不是真正的无规卷曲结构[18-20].在无规卷曲状态下,多肽链不同部分之间的相互作用与结构–溶液之间相互作用完全达到平衡.然而,蛋白质由20种具有不同物理化学属性的氨基酸组成,这种异质多肽链(heterogeneouspolypeptidechain)结构内部相互作用不易与结构–溶液间作用力完全平衡,多肽链本身不同部分之间的相互作用往往更占优势,因此去折叠态的蛋白质结构比无规卷曲结构更加紧密,更加有规则.除了天然折叠态和去折叠结构,许多蛋白质还具有稳定的中间态结构.具有如下特征的中间态结构一般称为熔球态(moltenglobule)[21]:(1)整体大小十分接近折叠态结构;(2)其二级结构的含量与天然态蛋白质相仿;(3)结构内部氨基酸侧链的空间分布更均匀;(4)与折叠态相比,结构内部氨基(amide)与溶液之间氢原子的交换更加迅速,但是相比去折叠态更缓慢;(5)中间态结构的焓与去折叠态结构十分接近,与折叠态结构相去甚远;(6)中间态/去折叠态结构之间转换迅速且具有非协作性(nonco-operative),中间态/折叠态结构之间的转换缓慢且具有协作性(co-operative)[22-24].自然状态下,蛋白质在水溶液中从去...
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