多肽聚集过程的调控机理研究(3)

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蛋白质和多肽在生命体内的生物功能与其机构密切相关。蛋白质之间通过分子自组装过程形成更高级的组装结构，这种高级结构将具备某些特殊的生物功能。因此，分子自组装是自然界生物系统的一类基本属性，是一切生命活动的重要基础。生物体内如DNA合成和蛋白质合成与折叠等生物化学过程都是分子自组装过程。许多复杂的、具有生物功能的大分子体系都是通过分子自组装形成的，如多肽和蛋白质的二级结构及高级结构等。更完整、更复杂的生命有机体也是以蛋白质为基础进行多级组装后所得的产物。因此，自组装是生命体中生物分子活动、演变的一种重要形式，是生命科学最本质的内容之一。推动自组装的驱动力不是共价键，而是包括氢键、范德华力、静电力、疏水作用、π-π堆积作用、给体-受体相互作用、金属-配体配位作用和疏溶剂作用等的弱相互作用力[6]。与共价键作用力（键能35-135 Kcal/mol）相比，非共价键作用力属于弱相互作用力(键能2-20 Kcal/mol) [7]。同时，自组装体系的稳定性和完整性也是靠这些弱相互作用力来维持的。同时，多种弱相互作用力的协同效应和加和效应极大程度地提高了自组装体系的稳定性。

1.3 蛋白质的结构、功能与构象病

蛋白质的自组装在生命活动中起着重要作用，其中蛋白质只有正确的折叠和组装，才能发挥正常的生物学功能。如果蛋白质因为基因突变、体内蛋白质质量控制系统功能失调或者外部环境的诱导等各种因素的影响而发生错误折叠和异常组装，则它们原有的生物学功能将会丧失，并将对生命体造成一定的损伤，最终导致一系列疾病的发生。由于这类疾病的发生和发展与相关特异性蛋白质的空间构象密切相关，因此，这类疾病被称为蛋白质构象病（protein conformation disease）。这一类疾病的病理特征是神经元细胞丧失，原发性神经元变性，所以又称为神经退行性疾病(Neurodegenerative disease)，主要包括阿尔兹海默病（Alzheimer’s disease，AD）[8-10]、帕金森氏病（Parkinson’s disease，PD）[11-13]、II 型糖尿病（Type II diabetes mellitus，T2DM）[14-18]、疯牛病（prion disease）[19-23]、以及某些癌症[24-26]等二十余种疾病，这些疾病均具有淀粉样蛋白聚集沉淀的相似的病理特征，相关蛋白结构中具有典型的片层结构[27]。

神经退行性疾病可由多种因素导致，包括神经元或神经胶质细胞不能提供充分的营养、轴突传递功能损伤、代谢通路受损、折叠错误的蛋白质形成增加或降解不充分等。其中蛋白质错误折叠、分子异常组装或聚集、淀粉样异常聚集所导致的沉淀以及神经元变性死亡，是人类及其他哺乳动物中枢神经系统机能退行性改变的共同病理特征[28]。文献综述

研究表明，错误折叠可导致蛋白质分子的异常自组装，形成不同形态和大小的纳米聚积物，包括纳米聚积体、纳米纤维以及纳米环等(见图1.2)。错误折叠蛋白质的聚积物为类似球状物且大小在纳米尺度下时，具有明显的细胞毒性[29-31]。因此，研究细胞内外纳米级聚积物的组装机制及其影响因素的作用，以及细胞毒性的分子机制，不但在化学、生物学方面具有重要的理论意义，同时将对神经退行性疾病的预防、诊断和治疗具有重要的启示。

淀粉样蛋白纤维化过程示意图

图1.2 淀粉样蛋白纤维化过程示意图

1.4 蛋白质的结构研究方法

对于蛋白质的结构研究，人们对于淀粉样蛋白的研究较多，在此就以淀粉样蛋白的研究方法为例介绍蛋白质的结构研究方法。由于淀粉样蛋白的难溶性、难结晶性、多态性等特征，高分辨的结构解析还存在许多的问题，所以需要发展各种不同的新颖的表征手段，来获得细致而丰富的结构信息[27]。目前人们已经发展出了多种结构分析方法，在不同组装层次上理解蛋白质的构象转变诱发聚集组装的规律（见附表一）。圆二色光谱（circular dichroism, CD）可以通过测定蛋白质对偏振光的特定吸收来分析其二级结构，而傅里叶变换红外光谱（Fourier transformed infrared, FTIR）及二维红外光谱技术（Two-dimensional infrared, 2D IR）则可以通过主链的振动跃迁来研究蛋白质的二级结构，例如淀粉样蛋白的平行与反平行的beta-折叠二级结构；利用核磁共振波谱（Nuclear magnetic resonance spectroscopy，NMR）可以获得孤电子对在蛋白质结构中的空间距离，通过结合理论模拟来获得蛋白质的精细结构；X-射线单晶衍射（Single crystal X-ray diffraction, XRD）反映了蛋白质晶体中原子的排布结构，是分辨率最高的结构分析技术，但是由于淀粉样蛋白结晶的困难，目前国际上仅有几种淀粉样多肽片段获得了原子分辨的结构。最近几年研究者们利用扫描隧道显微技术的高分辨成像特性，研究了小肽和一些典型淀粉样蛋白的组装结构，对于淀粉样蛋白的结构解析是非常有益的补充；在寡聚体、原纤维和纤维等聚集体水平，离子迁移质谱(Ion mobility mass spectroscopy, IMS)可以反映蛋白质聚集体的尺寸及包含单体的数目，电子显微技术（Electron microscopy, EM）和原子力显微技术（Atomic force microscopy, AFM）可以直接对淀粉样蛋白聚集体的形状和尺寸等形貌结构进行表征[32]。源[自[751``论`文]网·www.751com.cn/