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Science超越17年的新发现:蛋白折叠远比描述的更为复杂

2017/03/12 来源:生物通/卢兆丹
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导读
蛋白质分子的基本组成是氨基酸链。通过一系列中间过程,像折纸一样,氨基酸链折叠成三维结构,之后才具有功能。准确地描述这个折叠过程,需要已知所有中间状态的形态。最新研究就揭示这个过程中许多未知的状态,这一研究成果公布在3月3日的Science杂志上。


美国科罗拉多大学“JILA物理研究中心”的生物物理学家们通过更细致地测量了蛋白质折叠后,惊讶的发现,其折叠过程比科学家们曾经的预测更为复杂。这意味着,有关蛋白质,我们的了解程度尚在皮毛。蛋白质反应,远比我们过去17年检测到的水平,更迅捷、更精密。

蛋白质分子的基本组成是氨基酸链。通过一系列中间过程,像折纸一样,氨基酸链折叠成三维结构,之后才具有功能。准确地描述这个折叠过程,需要已知所有中间状态的形态。最新研究就揭示这个过程中许多未知的状态,这一研究成果公布在3月3日的Science杂志上。

研究人员的研究对象是一种能够将光转化成化学能的膜蛋白,称为——细菌视紫红质(bacteriorhodopsin, BR),分子量约为26kD,可为细胞膜受体蛋白提供模型,也有助于阐明药物与人体细胞靶受体以及信号转导途径中受体与信号的相互作用机制,BR还是细胞膜上离子蛋白通道的原型蛋白,具有跨膜转运质子的作用,所以又可以为其他离子通道蛋白的结构功能研究起到指导性作用,最后,它的光电响应和光致变色特定,使其在太阳能电池、人工视网膜、光信息储存、神经网络、生物芯片等领域有着广阔的前景。因此,BR研究吸引了世界上无数科学家的关注。然而,相比研究的比较多且体型比较小的球状蛋白的折叠,膜蛋白的折叠研究难度更大。

领导研究的Tom Perkins和同事们使用纳米级原子力显微镜(atomic force microscope, AFM),将BR蛋白伸展开来,以不同的拉伸速度(纳米/秒)测量它的伸展程度。测量方法来自JILA之前研究,柔软的AFM 短探针(short, soft AFM probes),在蛋白质展开过程中,能够快速测量力的突然变化,随即反馈一个蛋白质中间状态的信号。通过进一步细化这些AFM探针,JILA的研究人员可以更快(快100倍),更准(精度高10倍)的探测不同拉力下的BR蛋白。

JILA团队发现中间状态不仅比预期的多,并且整个折叠过程仅用时8微秒(1微秒等于百万分之一秒)。 该结果解释了为什么,实验数据与分子模拟之间长期存在着差异。同时,为分子模拟手段提供了信心,为将来膜蛋白的行为研究指明了一条路径。

该技术还可以应用于许多其他的分子研究,例如,医疗方面的,蛋白质和药物之间的相互作用。 更具体的例子,比如与BR结构相似的,并且与许多人类疾病和药物相关的蛋白质的结构功能研究。

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