多肽链的折叠

细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自发完成的，其折叠过程需要分子伴侣（molecular chaperone）的辅助。分子伴侣是细胞中一大类蛋白质，是由不相关的蛋白质组成的一个家系，广泛存在于原核与真核生物细胞中，凡具有帮助蛋白质折叠功能的蛋白，都称为分子伴侣。分子伴侣是完全不同的蛋白质，介导其他蛋白质的正确装配，但自己不成为最后功能结构中的组分。分子伴侣主要功能是：①封闭待折叠肽链暴露的疏水区段，阻止新生肽链的不正常聚集；②创建一个隔离的环境，可以使肽链的折叠互不干扰；③遇到应激刺激，使已折叠的蛋白质去折叠，使不正常聚集的蛋白质分子解散。

目前认为许多热休克蛋白具有分子伴侣活性。热休克蛋白（heat shock proteins，HSP）是从细菌到哺乳动物中广泛存在的一类热应急蛋白质。当有机体暴露于高温的时候，就会由热激发合成此种蛋白，以保护有机体。按照分子量的大小，热休克蛋白共分为5类，分别为HSP100、HSP90、HSP70、HSP60以及小分子热休克蛋白（sHSP）。热休克蛋白HSP70是最主要的分子伴侣之一。大肠埃希菌中HSP70由基因DnaK编码，故HSP70又称为DnaK蛋白。它有两个功能域：一个是N－端的ATP酶结构域，能结合和水解ATP；另一个是C－端的肽链结合结构域。但是HSP70不能独自起作用，还需要HSP40（DnaJ）和HSP20 （GrpE）的辅助。它们一起被称为HSP70反应系统。HSP70反应系统促进肽链折叠的过程叫作HSP70反应系统循环。具体步骤如图11－12。首先，DanJ与未折叠肽链结合，再与DanK－ATP复合物结合，使ATP水解，形成DanJ—DanK—ADP—肽链复合物。然后，在GrpE作用下，ATP与ADP交换，释放被部分折叠的肽链。蛋白质的折叠是经过几轮的结合与解离完成的。当蛋白质的链延长时，DnaK可能从一个结合位点上解离，接着又重新结合到其他位点，使底物蛋白质的一部分有序地正确折叠。随后，HSP70系统将部分正确折叠蛋白传递到HSP60家族分子伴侣GroEL上继续折叠。

HSP60本身（在大肠埃希菌中称为GroEL）形成具有14个亚基的结构，以相反的方向互相堆叠成两个七聚体环；也即这两个环的顶部及底部的表面是完全相同的。中心的空洞贯穿这两个环，所以这个结构像是一个中空的圆柱体。两个GroEL环一个是近端环（与GroES结合），另一个是远端环（未与GroES结合）。GroES是由7个相同亚基组成的圆顶状复合物，可作为GroEL桶的盖子。需要折叠的肽链进入GroEL的桶状空腔后，GroES可作为“盖子”瞬时封闭GroEL出口。封闭后的桶状空腔提供了能完成该肽链折叠的微环境，消耗大量ATP，帮助肽链在密闭的GroEL空腔内折叠。折叠完成后，形成了天然空间构象的蛋白质被释放，GroEL－GroES复合物被再利用，尚未被完全折叠的肽链可进入下一轮循环，重复以上过程，直到形成天然空间构象（图11－12）。

图11－12 分子伴侣帮助肽链折叠

HSP70系统帮助一个新生蛋白质折叠，经几次循环，随后将部分正确折叠的蛋白质传递到GroEL－GroES系统中继续折叠，直到形成天然空间构象