-
现代生物医学进展
Progress
in Modern Biomedicine
2009Vol.9No.4
分子伴侣及其在蛋白质折叠中的作用研究进展
*
王会峰
△
(
咸宁学院信息工程学院
湖北
咸宁
437100
摘要
:
蛋白质折叠是一
个复杂的
、
动态的过程
,
蛋白质的折叠不是自发的
,
需要
其他物质的帮助
。
了解分子伴侣在蛋白质折叠过程
中的的作用
,
有助于进一步研
究蛋白质折叠机制
。
本文介绍了分子伴侣及其分类
,
重点
综述了各类分子伴侣在蛋
白质折叠中的机
制
,
并提出了研究分子伴侣在蛋白质折叠中的作用的重要意义
。
关键字
:
分子伴侣
;
蛋白质折叠
;
作用机制
中国分类号
:Q50
文献标识码
:A
文章编号
:1673-6273(2009
04-746-03
Progress on Molecular
Chaperone and Its Role in Protein Folding*
WANG Hui-feng
△
(Information Engineering Institute,
Xianning College, 437100, Xianning, Hubei,
China
ABSTRACT:Protein
folding is a complex and dynamic process, which is
not
spontaneous and requires the
assistance of other mate-rials. Understanding the
role of
molecular chaperone in protein
folding is helpful for further study on protein
folding
mechanism. In this paper,
molecular chaperone and its classification were
introduced. We
emphasized the mechanism
of molecular chaperone in protein folding and
proposed its
important significance in
protein folding.
Key words:Molecular
chaperone; Protein folding; Mechanism Chinese
Library
Classification:Q50Document
code:A Article ID:1673-6273(2009
04-746-03*
基金项目
:
咸宁学院自然科学项目
(SK0603
作者简介
:
王会峰
(1977- ,
女
,
硕士
,
讲师
,
主要研究方向
:
生物物理
△
通讯作者
:
王会峰
,
电话
:, E-mail:huaren95867@(
收稿日
期
:2008-09-25
接受日期
:2008-10-21
前言
20
世纪
60
年代
, Anfinsen
根据还原性的牛胰核糖核酸酶
除去变性剂和还原剂
后
,
不需要任何其他物质的帮助
,
能够自
发地重新折叠并且恢复几乎全
部的生物活
性实验
,
提出了
“
一
级结构决定高级结构的
”
的著名论断
,
认为相同的氨基酸序列
必对应唯一的蛋白质空间结构
。
然而许
多实验表明
,
蛋白质多
肽片段在水溶液中具有与原同源肽段不同的二级结构
,
同一
片
段在不同的水溶液中三级构象互相转换
,
自主装学说无法解释
这一现象
[1]
。
新
的
“
有帮助的折叠
”
观点认为
,
新生肽是在肽段延
伸的同时折叠
,
又不断进行构象
的调整
,
这个过程中形成的结
构往往不一定是最终功能蛋白中的结构
,
它们之间有
可能发生
错误的相互作用从而形成没有活性的分子
,
特别是在拥挤的细
胞环境中
[2],
甚至会造成分子的聚集和沉淀
[3-4]
。
实际上蛋白质折
叠的过程是折叠中间
态
的正确途径与错误途径相互竟争的过
程
,
那么蛋白质的正确折叠式如何实现的
?
大
量研究表明
,
分子
伴侣在蛋白质正确折叠实现过程中起了关键作用
[5]
。
1
分子伴侣的生物学特性
1.1
分子伴侣
1978
年
, Laskey
发现
DNA
和组蛋白在体外生理离子强度
条件下
重组时
,
必须
有一种细胞核内的酸性蛋
白
-
核质素
(nu-
cleoplsmin
存在
,
二者才能组装成核小体
,
否则就生成沉淀
,
他
给帮助核小体组装的酸性蛋白起名为
即
分子伴侣
。
1980
年
,
在研究叶绿体内的核酮糖
1,
5-
二
磷
酸
羧
化
酶
-
加
氧
酶
(Ribulose1,
5-lisphosphate carboxy-lase-oxygenase ,
Rubisco
时发现叶绿体中合成的八个大
亚基和
细胞质中合成的八个小亚基都必须先和一种蛋白质组合后
,
才
能在叶绿体内
组装成有活性的
Rubisco
酶分子
,
并于
1986
年
提出
Rubisco
结合蛋白可能
是核质素
之后的第二个分子伴侣
,
1987
年
, Ellis
提出了普
遍意义上帮助新生肽链折叠的分子
伴
侣
。
1993
年
, Ellis [6]
对
分子伴侣做了更为确切的定义
:
即分子伴
侣是一类相互
之间有关系的蛋白
,
它们的功能是帮助其他含多
肽结构的
物质在体内进行正确的非
共价的组装
,
但并不构成被
帮助的蛋白质的组成部分
。
目前发现的分子伴侣主要有
:Hsp28
家族
; Hsp40(DnaJ
家族
; Hsp60(GroEL
家族
(
包括
Hsp60
Hsp70(DnaK
家族
(
包括
Hsp
70
、
Hsc70
、
P75
、
BIP
以及
GRP78
Hsp90(HtpG
家族
(
包括
Hsp90
、
Grp94
和
Grp96 Hspl00(CIp
家族
(
包括
Hspl00
和
Hspl04
等
[7]
。
此外
,
其他的分子伴侣还有
核质素
、
T
受体结合蛋白
(TRAP
、
大肠杆菌的
SecB
和触发因
子
(trigger
factor
及
PapD
、
噬菌体编码的支架蛋白
(scaffolding
proteins
等
。
1.2
分子内分子
伴侣
最近的研究表明
,
有许多含前导肽
(Pro
肽
的前体形式合
成的蛋白质
,
如枯草杆
菌素
,
α
水解蛋白酶
,
羧肽酶
γ
等
,
在缺
乏
Pro
肽的情况下
,
不能自发形成具有活性的
酶
,
这些蛋白质
的折叠与成熟必须要有
Pro
肽的存在才能完成
,
Pro
肽能够辅
746·
·
现代生物医学进展
Progress in Modern
Biomedicine
2009Vol.9No.4
助蛋白质的折叠和成熟
。
1993
年
Shinde
将这种具有与分子伴
侣类似功能的<
/p>
前导肽称为分子内分子伴侣
(intramolecularchap-erone,IMC
。
分子内分子伴侣可以
分为两类
:
一类主要参与多肽
的延伸和折叠
,
枯草杆菌素
,
α
水解蛋白酶等
;
另一类的
主要功
能是参与蛋白在胞内的转运和定位
,
并不直接参与蛋白质的折
叠
,
如生长激
素抑制素
,
氯过氧化物酶等
[8]
。
1.3
折叠酶
研究表明
,
折叠酶也可以帮助蛋白质折叠
,
这类酶催化与
蛋白质折叠直接有关
的
、
对形成功能构象所必需的共价键变
化
。
至今仅有
2
种酶被确定为折叠酶
:
一
种是蛋白质二硫键异
< br>
构酶
(PDI ,
它催化蛋白质分子中二硫键的形成
;
在体外的条件
下
, PDI
能够催化多肽链折叠成有利于形成天然二硫键所需的
构象
,
而不需要其他
分子伴侣的帮助
。
王志珍等
[9]
于
l993
年首先
提出了
“
蛋白质二硫键异构酶既是
酶又是分子伴侣
”
的假说
[10]
。
另一种是肽基脯氨酰顺反异构酶
(ppI ,
它催化蛋白
质分子中
某些稳定的反式肽基脯氨酰键异构成为功能蛋白所必需的顺
式构型
。
2
分子伴侣在蛋白质折叠中的作用
分子伴侣的作用机制实际上就是它如何与靶蛋白识别
、
结
合
、
又解离的机
制
。
有的分子伴侣具高度专一性
,
如一些分子内
分子伴侣
,
还有细菌
Pseudomonas
cepacia
的酯酶
,
有它自己的
“
私有分子伴侣
” ,
而一般的分子伴侣识别特异性不
高
。
研究表
明
,
不同类型的分子伴侣
,
在蛋白质折叠中的作用机制是不同
的
。
2.1
分子伴侣在蛋白质折叠中的作用
2.1.1
分子伴侣在新生肽的折叠和组装中的作用
在蛋白合成
过程中<
/p>
,
分子伴侣能
识别与稳定多肽链的部分折
叠的构象
,
从
而参与新生肽链的折叠与装配
。
例如
,
大
肠杆菌中的
“
分子伴
侣
” GroEL ,
它与
GroEs
基因构成
Gro
操纵子
,
成为热休克蛋
白
基因调节因子的重要组成部分
,
参与侵入噬菌体衣壳的组装
。
就
GroEL-GroES
介导的蛋白质折叠
, Jue
等提出
了两种模型
:
①
胶囊化模型
:
在多核苷酸存在的情况下
,
GroES
可以顺式结
合到多肽
GroEL
二元复合体上
,
封住了多肽
,
提供了一个保护
的
环境
,
使蛋白质不可能聚集
,
同时
GroES
的结合诱导
GroEL
构象发生了大的变化
,
使
中央空腔体积加倍并且掩盖了疏水多
肽结合区
,
刺激了多肽的折叠反应
,
当折叠持
续约
l
5~30S
后
, ATP
水解
,
释放
GroES ,
同时使多肽也有机会离开
GroEL
复合
体
,
释放多肽或者发生了去折叠
,
或者已经折叠
,
或重新结合相
同或不同的
GroEL
复合
体
,
这样再结合可能诱导错误折叠的
多肽发生去折叠
,
最终保汪了多肽的正确折
叠
。
②
反复退火模
型
:
在非变性情况下
,
未折叠的蛋白质处于天然态或者误折叠
中间体
。
分子伴侣结合到这些误折叠的蛋白质上
,
促进其去折
叠
,
所以多肽又获得
了达到天然态的机会
[5]
。
2.1.2
分子伴侣在蛋白跨膜运送过程中的作用
在细胞质中合
成的线粒体蛋白质
必须穿越线粒体膜到达其行使功能的位
。
前
体蛋白不能以折叠构象进行跨膜转运
,
只能以伸展的肽链形式
通过线粒体膜
。
在这一单向转运中
,
分子伴侣先解开细胞
质内
前体蛋白折叠的结构域
,
牵拉多肽链穿膜而过
,
然后再帮助已
进入基质的肽链
重新折叠
。
研究表明胞质中的前体蛋白通常折
叠不紧密
,
因此对蛋白酶极为敏
感
。
某些蛋白质紧密折叠的结
构域在某些情况下会影响蛋白质转运的效率
[11]
。
胞质
Hsp70s
家族成员
(ct-Hsp70
可与前体蛋白相互作用
,
防止前体蛋白形
成不可解
开的构象
,
也可以防止已松弛的前体蛋白聚集
。
除
ct-Hsp70s
外
,
还有一种细菌
DnaJ
的同源分子
YDJl
在高温应
激状态下具有类似的作用
[12]
。
线粒体基质
Hsp70(mHsp70
可与
进入线粒体腔的前导链交联
,
这预示
mHsp70
直接参与蛋白质
转运
。
Simon
[13]
提出一种作用机制一布朗棘轮模型
(Brownian
rachetmode1 ,
认为
在蛋白质转运孔道内
,
多肽链做布朗动摇摆
不定
,
一旦前导肽链自发进入线粒体腔
,
立即有分子
mHsp70
结合上去
,
这样就防止了前导肽链退回细胞质
。
随着肽链进一
步仲入线粒体腔
,
肽链会结合更多的
mHsp70
分子
。
根据该模
型可以预测一条折
叠肽链的转运应不怏于它的自发解链
。
许多
蛋白质的自发解链极慢
,
如细胞色素
b2,
其速度常以小时计
,
但细胞色素
b2
可在几分钟内进入线粒体
。
对这种现象的解
释
是同时附着在肽链和线粒体膜上的
mHsp70
通过改变构象产
生拖力从而拖拽前
导肽链
。
蛋白质跨膜转运至线粒体基质后再
折叠为天然构象以行使功能
。
mHps60
在
ATP
和另一种分子伴
侣
Hspl0
的辅助下
,
介导蛋白质再折叠
[14-16]
。
2.2
分子内分子伴侣在蛋自质折叠中的作用