蛋白的功能依賴(lài)于氨基酸肽鏈和這些肽鏈折疊的方式,。盡管計(jì)算出前者相對(duì)而言比較容易，但是后者代表著一個(gè)大的挑戰(zhàn),，甚至有一些嚴(yán)重的后果,，因?yàn)楹芏嗉膊∈怯捎诘鞍渍郫B錯(cuò)誤造成的。如今,，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)一個(gè)化學(xué)家小組設(shè)計(jì)出一種方法“實(shí)時(shí)”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(cuò)誤折疊。
美國(guó)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(kāi)展這項(xiàng)研究,，同時(shí)他們也與新澤西學(xué)院化學(xué)系Michelle R. Bunagan進(jìn)行合作,。
他們的研究結(jié)果發(fā)表在《Angewandte Chemie》期刊的國(guó)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(shuō),，“找出蛋白折疊時(shí)發(fā)生什么是困難的原因之一就是我們沒(méi)有捕捉這種過(guò)程的像高速照相機(jī)那樣的工具,。如果這種折疊過(guò)程較慢的話(huà)，我們還能夠隨著時(shí)間的推移拍出多張‘照片’,，從而觀察到發(fā)揮作用的機(jī)制,。不幸的是，沒(méi)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(cè)量分子不同部分吸收多少光的技術(shù)---來(lái)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(xiàn)激光器裝置來(lái)研究一種稱(chēng)作Trp-cage的模式蛋白,。
在這種實(shí)驗(yàn)中,，Gai研究小組使用兩種激光研究蛋白結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化。第一個(gè)激光作為發(fā)令槍起作用,，通過(guò)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(gè)激光作為相機(jī)發(fā)揮作用,，能夠追蹤蛋白組分氨基酸的運(yùn)動(dòng),。
Gai說(shuō)，“這個(gè)蛋白是由不同的原子基團(tuán)組成的,，不同的基團(tuán)能夠被看作為彈簧,。每個(gè)彈簧沿著不同的頻率來(lái)回移動(dòng)，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(dòng)更慢。我們的‘相機(jī)’能夠檢測(cè)這種運(yùn)動(dòng)的速度,，并將測(cè)得的速度與組成基團(tuán)中的原子關(guān)聯(lián)起來(lái),，從而能夠檢測(cè)蛋白肽鏈的相應(yīng)部分如何能夠運(yùn)動(dòng)。”
然而即便是像Trp-cage那樣的簡(jiǎn)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(kāi)來(lái)以便觀察它們當(dāng)中哪個(gè)鍵在蛋白折疊時(shí)正在移動(dòng)。他們采取的一種策略來(lái)解決這種問(wèn)題就是采用一種分子追蹤設(shè)備,。
Culik說(shuō),，“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(jìn)蛋白中,，我們就知道它在那兒,。”
基于Trp-cage的單個(gè)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(lái)推斷當(dāng)它們折疊時(shí)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(lái)匹配蛋白的不同部分,，從而允許在分析時(shí)將它們區(qū)分開(kāi)。也可將類(lèi)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(guò)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(gè)部分在運(yùn)動(dòng),。比如這將允許我們精確觀察疾病中蛋白是如何錯(cuò)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.
