蛋白质的折叠速度有多快？
蛋白质形成复杂三维结构的速度甚至比DNA还要快。科学家首次直接测量出普通单个蛋白质折叠所需的时间，结果令人意外——蛋白质的氨基酸序列、分子大小与其折叠形成三维结构的耗时之间并无关联。尽管蛋白质的组成成分更为复杂，但其折叠效率似乎高于DNA等其他生物分子。3月9日，相关研究成果发表于《物理评论快报》。
蛋白质折叠形成三维结构的过程，耗时可不足1微秒（艺术家想象图）。图片来源：Christoph Burgstedt/SPL
蛋白质的功能与其复杂的三维结构密切相关。例如，部分蛋白质拥有特定的凹陷或凸起结构，能使其与细胞受体结合，进而传递信号。论文合著者、美国国家糖尿病、消化道和肾脏疾病研究所的生物物理学家Hoi Sung Chung表示，无论最终的结构多么精密，蛋白质最初都是一条氨基酸链，“就像一根长长的意大利面”，可以通过无数种方式折叠。蛋白质折叠不当或不完全，可能会导致功能异常、引发疾病或产生毒性，因此科学家希望弄清折叠过程的具体细节。
在烧杯中悬浮的相同蛋白质分子，形成最终三维结构的时间各不相同，且每个分子在折叠过程中都会经历多次失败的尝试。科学家已掌握包括这些失败尝试在内的整体折叠过程的大致耗时，但在此之前，测量折叠行为本身所花费的时间几乎是不可能的——这一快速过程被称为过渡路径时间。
这个过渡阶段极为短暂，且必须对单个分子展开研究。科学家迄今只能通过人工放慢折叠速度，或观察折叠速度较慢的特殊蛋白质，才能窥见折叠过程的全貌。
Chung的研究团队通过改进单分子荧光光谱法的时间分辨率，直接捕捉到了这一过渡阶段。借助该技术，科学家可通过测量荧光信号，分析带有荧光染料标记的分子的动态变化。
研究人员在氨基酸链的一端连接了红色染料分子，另一端连接了绿色染料分子。绿色染料可自行发光，而红色染料只有接收绿色染料传递的能量后才能被激活。在氨基酸链完成折叠前，只能观测到绿色染料的荧光；当氨基酸链开始折叠时，两种染料分子的距离被拉近，能量得以从绿色染料分子传递至红色染料分子，红色染料随即开始发光。但这一荧光信号过于微弱，难以被检测到，因此研究人员使用了一种带有纳米级微孔阵列的导光装置，放大染料发出的信号。这一方法让他们成功观测到了8种蛋白质转瞬即逝的折叠瞬间。
“这是近年来该领域最重大的进展之一。”美国得克萨斯大学奥斯汀分校的化学物理学家Dmitrii Makarov说。为了观察蛋白质的折叠行为，科学家必须探测到数量相对稀少的光子，这是一项技术难题。“真正令人赞叹的是，他们并非只对一种蛋白质完成了这项观测，而是8种，这让我们能够提出更有价值的问题。”
研究发现，这些蛋白质的最短过渡路径时间不足1微秒，最长约为4微秒。折叠速度与蛋白质的大小、长度、序列及折叠结构均无关联，而是与蛋白质折叠后氨基酸之间的相互作用数量相关——不包括未折叠的线性氨基酸链中相邻氨基酸间的相互作用。这类相互作用越多，蛋白质的折叠效率就越高。Makarov表示，此前的理论模型已对此做出预测，如今这一结论得到实验验证，令人振奋。
Chung指出，该研究表明，蛋白质实际折叠行为的完成速度，也快于DNA等其他生物分子。DNA仅由4种名为碱基的基本单元构成，且每种碱基在最终结构中只能与另一种特定碱基结合；而蛋白质由22种氨基酸构成，能形成的相互作用类型远多于DNA。他推测，自然选择的结果，让蛋白质的折叠速度变得更快。
相关论文信息：https://doi.org/10.1103/2q9m-4scc
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