PNAS蛋白质折叠热力学最新进展

在生物物理学中，分子的动力学状态在其参与的代谢和生理过程中起着决定性的作用。现在，发表在《美国国家科学院院刊》(pNAS)上的一篇论文首次明确了蛋白质折叠的能量、熵和焓的水平。为此，研究组使用了可以在5℃到40℃之间改变实验温度的光学镊子装置。

这项研究是由来自巴塞罗那大学物理学院和纳米科学和纳米技术研究所的Fèlix Ritort教授领导的。它的第一作者是研究人员Marc Rico-pasto (UB)，它与来自意大利帕多瓦大学(University of padova)、瑞士洛桑生物工程研究所(Lausanne)和总部位于巴塞罗那科学园(pCB)的SpliceBio公司的团队合作。

光镊揭开生命的复杂性

光学和磁性镊子等创新技术的出现彻底改变了生物物理学的研究，特别是对蛋白质、核酸等大分子热力学性质的研究。这种技术可以利用皮牛顿(10-12牛顿)范围内的力，对单个分子进行纳米级精度的操纵。因此，研究人员可以以前所未有的分辨率来表征复杂生物分子的热力学性质。这些技术的应用为热力学领域从统计方法进行的实验研究提供了新的场景，这是迄今为止只能从理论角度解释热力学的一种方法。

然而，这些技术有局限性，使研究人员无法区分测量的力的起源。目前，结合不同的技术来扩大控制参数的数量是生物物理学的一个挑战。这正是负责这项研究的团队所做的:在光镊中引入温度监测器，首次确定蛋白质折叠的熵和焓。

蛋白质折叠中的能量分布

在蛋白质和其他大分子的折叠过程中，在自然状态和变性状态之间会发生不同的动力学状态。例如过渡态、分子中间体和错误折叠结构，它们具有一种瞬态性质，使得在同时分析大量分子的实验中难以进行热力学表征。这些分子来自于1023分子阶，即阿伏伽德罗数。与蛋白质折叠特别相关的是过渡状态，因为它们的寿命非常短。

“我们的结果表明，在过渡状态下，蛋白质骨骼结构已经构建好了。然而，残基之间的大多数范德华相互作用——弱力——并不是稳定的”，UB凝聚态物理系成员Fèlix Ritort教授指出。

“结论表明，蛋白质折叠可以被理解为一个由两个步骤定义的过程。在第一种情况下，蛋白质达到了形成天然骨骼结构的过渡状态，水被从多肽链的内部排出。”Ritort继续说。“在第二步中，蛋白质崩溃，蛋白质残基之间的相互作用趋于稳定，蛋白质达到了原始状态”，研究者总结道。

对结果的初步解读表明，在过渡态期间，焓和熵的变化大约相当于折叠过程中测量的总焓和熵的20%。“这种现象表明，蛋白质骨骼结构需要20%的残基之间的相互作用。我们对蛋白质折叠的解读与蛋白质折叠领域的最新假设一致，”凝聚态物理系成员马克·里科-帕斯托(Marc Rico-pasto)说。

尽管已经声明蛋白质骨骼结构是在过渡状态下形成的，但作者说他们不能得出在这种状态下存在的天然相互作用的数量。“他们说，我们可以做一个初步的估计，但量化这个结果需要一些实验变量，让我们能够实时测量或确定分子折叠过程中形成的化学键的数量。”

由Fèlix Ritort教授领导的团队，是物理学院小型生物系统实验室的负责人，对生物分子中复杂系统的热力学性质的研究做出了重大贡献。在之前的研究中，该团队使用了barnase蛋白的模型——一种由解淀粉芽孢杆菌分泌的球状生物分子——被过渡状态隔开。barnase在折叠过程中不表现出超过1毫秒的中间态，也是蛋白质折叠过程中过渡态表征方法(phi-value analysis)的参考模型。

Molten globule–like transition state of protein barnase measured with calorimetric force spectroscopy