蛋白的功能依賴于氨基酸肽鏈和這些肽鏈折疊的方式。盡管計算出前者相對而言比較容易,，但是后者代表著一個大的挑戰(zhàn),，甚至有一些嚴(yán)重的后果,，因為很多疾病是由于蛋白折疊錯誤造成的,。如今,，美國賓夕法尼亞大學(xué)一個化學(xué)家小組設(shè)計出一種方法“實時”觀察蛋白折疊，從而很可能導(dǎo)致人們從一般意義上更好地理解蛋白折疊和錯誤折疊,。
美國賓夕法尼亞大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院化學(xué)系教授Feng Gai和該化學(xué)系研究生Arnaldo Serrano以及賓夕法尼亞大學(xué)佩雷爾曼醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)和分子生物理學(xué)系研究生Robert Culik開展這項研究，同時他們也與新澤西學(xué)院化學(xué)系Michelle R. Bunagan進行合作,。
他們的研究結(jié)果發(fā)表在《Angewandte Chemie》期刊的國際版本上,，而且還作為該期期刊的封面,，被認(rèn)為是一篇非常重要的論文,。
Gai說，“找出蛋白折疊時發(fā)生什么是困難的原因之一就是我們沒有捕捉這種過程的像高速照相機那樣的工具,。如果這種折疊過程較慢的話,，我們還能夠隨著時間的推移拍出多張‘照片’，從而觀察到發(fā)揮作用的機制,。不幸的是,，沒有人有這種能力，蛋白折疊發(fā)生的速度要比眨眼睛還要快,。”
Gai研究小組使用紅外光譜(infrared spectroscopy)---一種測量分子不同部分吸收多少光的技術(shù)---來分析蛋白結(jié)構(gòu)和這種結(jié)構(gòu)如何變化,。在這篇研究中，研究人員利用紅外線激光器裝置來研究一種稱作Trp-cage的模式蛋白,。
在這種實驗中,，Gai研究小組使用兩種激光研究蛋白結(jié)構(gòu)隨時間的變化。第一個激光作為發(fā)令槍起作用,，通過加熱蛋白分子，它導(dǎo)致蛋白分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,。第二個激光作為相機發(fā)揮作用,，能夠追蹤蛋白組分氨基酸的運動,。
Gai說，“這個蛋白是由不同的原子基團組成的,，不同的基團能夠被看作為彈簧,。每個彈簧沿著不同的頻率來回移動，而且是基于彈簧兩端的原子質(zhì)量,。如果質(zhì)量越大,，彈簧振動更慢。我們的‘相機’能夠檢測這種運動的速度,，并將測得的速度與組成基團中的原子關(guān)聯(lián)起來,，從而能夠檢測蛋白肽鏈的相應(yīng)部分如何能夠運動。”
然而即便是像Trp-cage那樣的簡單蛋白,，也存在著很多相同的鍵，因而研究人員需要能夠?qū)⒈舜藚^(qū)分開來以便觀察它們當(dāng)中哪個鍵在蛋白折疊時正在移動,。他們采取的一種策略來解決這種問題就是采用一種分子追蹤設(shè)備,。
Culik說,，“我們使用一種用碳同位素標(biāo)記的氨基酸。如果它能正確地整合進蛋白中,，我們就知道它在那兒,。”
基于Trp-cage的單個碳同位素原子要比其他的碳原子略大一些，研究小組就能夠使用這種標(biāo)記來推斷當(dāng)它們折疊時其他碳原子的位置,。這樣研究人員然后就能夠調(diào)整激光的頻率來匹配蛋白的不同部分,，從而允許在分析時將它們區(qū)分開。也可將類似的同位素插入到更加復(fù)雜的分子中,，從而也能夠用紅外光譜觀察它們的折疊過程,。
Gai,，“這種技術(shù)增加我們的結(jié)構(gòu)分辨率,。它允許我們觀察哪個部分在運動。比如這將允許我們精確觀察疾病中蛋白是如何錯誤折疊的,。”(生物谷：towersimper編譯)
doi:10.1002/ange.201104085
PMC:
PMID:
Achieving Secondary Structural Resolution in Kinetic Measurements of Protein Folding: A Case Study of the Folding Mechanism of Trp-cage
Robert M. Culik, Arnaldo L. Serrano1, Michelle R. Bunagan, Feng Gai
Eine neuartige Multisonden- und Multifrequenzmethode ermöglicht die Untersuchung der Faltungsdynamik individueller Proteinstrukturelemente. Ausgelöst durch einen Temperatursprung entfaltet sich die 310-Helix (blau im Bild) des Miniproteins Trp-cage vor der globalen Entfaltung des Proteins, während die Bildung der Käfigstruktur von der Faltung der α-Helix (rot) abhängt.
