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《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》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、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
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3、非共价作用的统计热力学原理孙卫涛y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
4、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]发现蛋白质是由细胞内核糖体(ribosome)合成的蛋白质内部的结构组织具有层次性,并首次引入链状氨基酸高分子聚合物(
5、也称为多肽链(poly-了一级结构、二级结构、三级结构的名称.一般认peptidechain)),是生命活动必不可少的物质基础.为,蛋白质结构可以分为4种组织层次[15]:一级结蛋白质分子包含从几十个到上千个数量不等的氨构、二级结构、三级结构和四级结构.一级结构指基酸单元(称为残基(residue)),普通蛋白质分子由蛋白质多肽链的氨基酸序列.二级结构是多肽链数百个氨基酸串联组成.自然界存在20种氨基酸,局部折叠形成的稳定规则结构,包括α螺旋(he-不同种类氨基酸在蛋白质链上的排列顺序称为氨lix)、β片层(
6、sheet)和转角结构(turn)等.二级结基酸序列(sequence),氨基酸序列决定了蛋白质之构的生成与维持需要依靠不同氨基酸的C==O和间的差别.N—H基团间的氢键作用.三级结构指多个二级结蛋白质通过多肽链折叠形成特殊的三维空间构在空间中紧密排列所形成的三维结构.蛋白质分子结构,并由此实现对应的生物功能,这种空的三级结构通常依靠疏水核心、双硫键、氢键等间结构称为天然态结构(nativestructure).蛋白质来稳定结构.四级结构指不同蛋白质多肽链间相天然态结构特征可以通过X射线散射[1]、核磁互作用
7、形成具有不同功能的复合物分子形态.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]与天然态结构相对应的是去折叠结构(un-指出蛋白质内部存在规则的螺旋结构和片层结构,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yE-mail:sunwt@tsinghua.edu.c
8、n428力学进展2011年第41卷呈现无规卷曲(randomcoil)状态,没有形成规则的蛋白质折叠是个可逆过程,在添加变性剂、改二级结构.研究表明,在强变性剂环境下(如8M尿变温度和pH值、施加压力等情况下,处于天然态素),去折叠态蛋白质的流体力学属性与无规卷曲结构的蛋白质分子通常会发生去折叠(unfold)现多肽链相符[16-17].但是在没有变性剂的情况下,象.同时,如果溶液条件允许,即使在生物体外(如即使是极端的pH值和温度环境,去折叠蛋白质也实验室条件下),不同初始结构的蛋白质分子(这不是真正的无规
9、卷曲结构[18-20].在无规卷曲状态里主要指水溶性球蛋白)也能够实现快速折叠,并下,多肽链不同部分之间的相互作用与结构–溶液完全恢复到相同的天然态结构[25-26].早在19世之间相互作用完全达到平衡.然而,蛋白质由20种纪30年代,中国科学家吴宪就提出球蛋白的变性具有不同物理化学属性的氨基酸组成,这种异质(denaturation)是从紧密有序结构向松散无序结构多肽链(heterogeneouspolypeptidechain)结构内部的转变[27].同时,人们还发现蛋白质结构在发生相互作用不易与结构–溶
10、液间作用力完全平衡,多变性后,能够自发地重新折叠到天然态结构[28-29].肽链本身不同部分之间的相互作用往往更占优势,20世纪70年代,Anfinsen等[25-26]通过核糖核酸因此去折叠态的蛋白质结构比无规卷曲结构更加酶的去折叠–折叠实验表明,蛋白质的天然折叠态紧密,更加有规则.结构处于热力学平衡状态,天然态结构只依赖于除了天然折叠态和去折叠结构,许多蛋白质氨基酸序列和溶液环境.因此,蛋白质天然
