蛋白質結構分析方法：X射線晶體衍射分析和核磁共振
x 射線衍射法的解析度可達到原子的水平，使它可以測定亞基的空間結構、各亞基間的相對拓撲布局，還可清楚的描述配體存在與否對蛋白質的影響。多維核磁共振波譜技術已成為確定蛋白質和核酸等生物分子溶液三維結構的唯一有效手段。NM R技術最大的優點不在於它的解析度，而在於它能對溶液中和非晶態的蛋白質進行測量。
蛋白質的序列結構測定:
1.到目前為止，最經典的蛋白質的氨基酸序列分析方法是，sarI等人基於Edman降解原理研製的液相蛋白質序列儀，及後來發展的固相和氣相的蛋白質序列分析儀。
2.質譜：早期的質譜電離的方式主要是電子轟擊電離(EI)，它要求樣品的揮發性好，一般與
氣相色譜聯用。但使用G C／M S分析，肽的長度受到限制，只能分析小的肽段。近年來，
在離子化的技術及儀器方面取得了突破性進展，使得質譜所能測定的分子量的范圍大大超
出了10k u。因此，軟離子化技術、基質輔助的激光解吸／離子化(MALDI)和電噴霧離子化(E SI)顯得尤為有前途。通過串聯質譜技術(MS／MS)和源後衰減基質輔助的激光解吸／離子化(PSD—MAIDI—MS)，人們就可以從質譜分析中獲得肽及蛋白質的結構信息。
㈡ 測定蛋白質構象的最佳方法是
蛋白質三級結構測定主要有X射線衍射法、核磁共振技術、三維電鏡重構技術三種方法。
X線晶體衍射是最經典的測定生物大分子結構的方法。蛋白質晶體衍射中最大的難點就在於蛋白質的結晶，也在一定程度上限制了它的發展。NMR技術後起之秀，相對於X-RAY較為簡單，近年來技術越發成熟，可測定蛋白質的分子量也在攀升，而且其解析度也很高，
三維電鏡重構技術也是結構生物學研究中的一種較新的技術。技術難點在於演算法。
㈢ 可以用X射線衍射法確定溶液中蛋白質的空間結構嗎
熒光蛋白最常用做監測完整細胞和組織內基因表達及蛋白定位的理想探針標記。廣泛應用於轉基因動物的研究、融合標記、基因治療、蛋白在活細胞內功能定位及遷移變化，病原菌侵入活細胞的分子過程等。利用它的熒光特點將該基因轉入細胞內穩定表達並監測就能確定目的蛋白在細胞內的分布。蛋白質的空間分布指的是其空間構象分布，即蛋白的三維結構在空間上的分布。是在分子水平上的，當然檢測不到。研究蛋白質構象的方法有x射線衍射法——測定蛋白質晶體結構；熒光偏振法——研究溶液中蛋白構象的方法，常結合熒光探針使用。我也只是知道個皮毛，若你想了解更多，建議查閱相關文獻。希望可以幫到你
㈣ 蛋白質工程主要有哪些研究手段
蛋白質工程
所謂蛋白質工程，就是利用基因工程手段，包括基因的定點突變和基因表達對蛋白質進行改造，以期獲得性質和功能更加完善的蛋白質分子。
蛋白質是生命的體現者，離開了蛋白質，生命將不復存在。可是，生物體內存在的天然蛋白質，有的往往不盡人意，需要進行改造。由於蛋白質是由許多氨基酸按一定順序連接而成的，每一種蛋白質有自己獨特的氨基酸順序，所以改變其中關鍵的氨基酸就能改變蛋白質的性質。而氨基酸是由三聯體密碼決定的，只要改變構成遺傳密碼的一個或兩個鹼基就能達到改造蛋白質的目的。蛋白質工程的一個重要途徑就是根據人們的需要，對負責編碼某種蛋白質的基因重新進行設計，使合成的蛋白質變得更符合人類的需要。這種通過造成一個或幾個鹼基定點突變，以達到修飾蛋白質分子結構目的的技術，稱為基因定點突變技術。
蛋白質工程是在基因重組技術、生物化學、分子生物學、分子遺傳學等學科的基礎之上，融合了蛋白質晶體學、蛋白質動力學、蛋白質化學和計算機輔助設計等多學科而發展起來的新興研究領域。其內容主要有兩個方面：根據需要合成具有特定氨基酸序列和空間結構的蛋白質；確定蛋白質化學組成、空間結構與生物功能之間的關系。在此基礎之上，實現從氨基酸序列預測蛋白質的空間結構和生物功能，設計合成具有特定生物功能的全新的蛋白質，這也是蛋白質工程最根本的目標之一。
目前，蛋白質工程尚未有統一的定義。一般認為蛋白質工程就是通過基因重組技術改變或設計合成具有特定生物功能的蛋白質。實際上蛋白質工程包括蛋白質的分離純化，蛋白質結構和功能的分析、設計和預測，通過基因重組或其它手段改造或創造蛋白質。從廣義上來說，蛋白質工程是通過物理、化學、生物和基因重組等技術改造蛋白質或設計合成具有特定功能的新蛋白質。
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蛋白質工程的基本途徑
從預期的蛋白質功能出發→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到相對應的核糖核苷酸序列（RNA）→找到相對應的脫氧核糖核苷酸序列（DNA）
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【研究的核心內容】
蛋白質結構分析
蛋白質工程的核心內容之一就是收集大量的蛋白質分子結構的信息，以便建立結構與功能之間關系的資料庫，為蛋白質結構與功能之間關系的理論研究奠定基礎。三維空間結構的測定是驗證蛋白質設計的假設即證明是新結構改變了原有生物功能的必需手段。晶體學的技術在確定蛋白質結構方面有了很大發展，但是最明顯的不足是需要分離出足夠量的純蛋白質（幾毫克～幾十毫克），制備出單晶體，然後再進行繁雜的數據收集、計算和分析。
另外，蛋白質的晶體狀態與自然狀態也不盡相同，在分析的時候要考慮到這個問題。核磁共振技術可以分析液態下的肽鏈結構，這種方法繞過了結晶、X－射線衍射成像分析等難點，直接分析自然狀態下的蛋白質的結構。現代核磁共振技術已經從一維發展到三維，在計算機的輔助下，可以有效地分析並直接模擬出蛋白質的空間結構、蛋白質與輔基和底物結合的情況以及酶催化的動態機理。從某種意義上講，核磁共振可以更有效地分析蛋白質的突變。國外有許多研究機構正在致力於研究蛋白質與核酸、酶抑制劑與蛋白質的結合情況，以開發
具有高度專一性的葯用蛋白質。
結構、功能的設計和預測
根據對天然蛋白質結構與功能分析建立起來的資料庫里的數據，可以預測一定氨基酸序列肽鏈空間結構和生物功能；反之也可以根據特定的生物功能，設計蛋白質的氨基酸序列和空間結構。通過基因重組等實驗可以直接考察分析結構與功能之間的關系；也可以通過分子動力學、分子熱力學等，根據能量最低、同一位置不能同時存在兩個原子等基本原則分析計算蛋白質分子的立體結構和生物功能。雖然這方面的工作尚在起步階段，但可預見將來能建立一套完整的理論來解釋結構與功能之間的關系，用以設計、預測蛋白質的結構和功能。
創造和改造
蛋白質的改造，從簡單的物理、化學法到復雜的基因重組等等有多種方法。物理、化學法：對蛋白質進行變性、復性處理，修飾蛋白質側鏈官能團，分割肽鏈，改變表面電荷分布促進蛋白質形成一定的立體構像等等；生物化學法：使用蛋白酶選擇性地分割蛋白質，利用轉糖苷酶、酯酶、醯酶等去除或連接不同化學基團，利用轉醯胺酶使蛋白質發生膠連等等。以上方法只能對相同或相似的基團或化學鍵發生作用，缺乏特異性，不能針對特定的部位起作用。採用基因重組技術或人工合成DNA，不但可以改造蛋白質而且可以實現從頭合成全新的蛋白質。
蛋白質是由不同氨基酸按一定順序通過肽鍵連接而成的肽構成的。氨基酸序列就是蛋白質的一級結構，它決定著蛋白質的空間結構和生物功能。而氨基酸序列是由合成蛋白質的基因的DNA序列決定的，改變DNA序列就可以改變蛋白質的氨基酸序列，實現蛋白質的可調控生物合成。在確定基因序列或氨基酸序列與蛋白質功能之間關系之前，宜採用隨機誘變，造成鹼基對的缺失、插入或替代，這樣就可以將研究目標限定在一定的區域內，從而大大減少基因分析的長度。一旦目標DNA明確以後，就可以運用定位突變等技術來進行研究。
定位突變蛋白質中的氨基酸是由基因中的三聯密碼決定的，只要改變其中的一個或兩個就可以改變氨基酸。通常是改變某個位置的氨基酸，研究蛋白質結構、穩定性或催化特性。噬菌體M13的生活周期有二個階段，在噬菌體粒子中其基因組為單鏈，侵入宿主細胞以後，通過復制以雙鏈形式存在。將待研究的基因插入載體M13，製得單鏈模板，人工合成一段寡核苷酸（其中含一個或幾個非配對鹼基）作為引物，合成相應的互補鏈，用T4連接酶連接成閉環雙鏈分子。經轉染大腸桿菌，雙鏈分子在胞內分別復制，因此就得到兩種類型的噬菌斑，含錯配鹼基的就為突變型。再轉入合適的表達系統合成突變型蛋白質。
盒式突變1985年Wells提出的一種基因修飾技術——盒式突變，一次可以在一個位點上產生 20種不同氨基酸的突變體，可以對蛋白質分子中重要氨基酸進行「飽和性」分析。利用定位突變在擬改造的氨基酸密碼兩側造成兩個原載體和基因上沒有的內切酶切點，用該內切酶消化基因，再用合成的發生不同變化的雙鏈DNA片段替代被消化的部分。這樣一次處理就可以得到多種突變型基因。
PCR技術DNA聚合酶鏈式反應是應用最廣泛的基因擴增技術。以研究基因為模板，用人工合成的寡核苷酸（含有一個或幾個非互補的鹼基）為引物，直接進行基因擴增反應，就會產生突變型基因。分離出突變型基因後，在合適的表達系統中合成突變型蛋白質。這種方法直接、快速和高效。
高突變率技術從大量的野生型背景中篩選出突變型是一項耗時、費力的工作。有兩種新的突變方法具有較高的突變率：①硫代負鏈法：核苷酸間磷酸基的氧被硫替代後修飾物（α－（S）－dCTP）對某些內切酶有耐性，在有引物和（α－（S）－dCTP）存在下合成負鏈，然後用內切酶處理，結果僅在正鏈上產生「缺口」，用核苷酸外切酶III從3『→5『擴大缺口並超過負鏈上錯配的核苷酸，在聚合酶作用下修復正鏈，就可以得到二條鏈均為突變型的基因；②UMP正鏈法：大腸桿菌突變株RZ1032中缺少脲嘧啶糖苷酶和UTP酶，M13在這種宿主中可以用脲嘧啶（U）替代胸腺嘧啶（T）摻入模板而不被修飾。用這種含U的模板產生的突變雙鏈轉化正常大腸桿菌，結果含U的正鏈被寄主降解，而突變型負鏈保留並復制。
蛋白質融合將編碼一種蛋白質的部分基因移植到另一種蛋白質基因上或將不同蛋白質基因的片段組合在一起，經基因克隆和表達，產生出新的融合蛋白質。這種方法可以將不同蛋白質的特性集中在一種蛋白質上，顯著地改變蛋白質的特性。現在研究的較多的所謂 「嵌合抗體」和「人緣化抗體」等，就是採用的這種方法。
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【實際應用】
提高蛋白質的穩定性
葡萄糖異構酶（GI）在工業上應用廣泛，為提高其熱穩定性，朱國萍等人在確定第138位甘氨酸 (Gly138)為目標氨基酸後，用雙引物法對GI基因進行體外定點誘變，以脯氨酸（Pro138）替代Gly138，含突變體的重組質粒在大腸桿菌中表達，結果突變型GI比野生型的熱半衰期長一倍；最適反應溫度提高10～12℃；酶比活相同。據分析，Pro替代Gly138後，可能由於引入了一個吡咯環，該側鏈剛好能夠填充於Gly138附近的空洞，使蛋白質空間結構更具剛性，從而提高了酶的熱穩定性。
融合蛋白質
腦啡肽(Enk)N端5肽線形結構是與δ型受體結合的基本功能區域，干擾素（IFN）是一種廣譜抗病毒抗腫瘤的細胞因子。黎孟楓等人化學合成了EnkN端5肽編碼區，通過一連接3肽編碼區與人α1型IFN基因連接，在大腸桿菌中表達了這一融合蛋白。以體外人結腸腺癌細胞和多形膠質瘤細胞為模型，採用3H－胸腺嘧啶核苷摻入法證明該融合蛋白抑制腫瘤細胞生長的活性顯著高於單純的IFN，通過 Naloxone競爭阻斷實驗證明，抑制活性的增高確由Enk導向區介導。
蛋白質活性的改變
通常飯後30～60min，人血液中胰島素的含量達到高峰，120～180min內恢復到基礎水平。而目前臨床上使用的胰島素制劑注射後120min後才出現高峰且持續180～240min，與人生理狀況不符。實驗表明，胰島素在高濃度（大於 10－5mol/L）時以二聚體形式存在，低濃度時（小於10－9mol/L）時主要以單體形式存在。設計速效胰島素原則就是避免胰島素形成聚合體。類胰島素生長因子－I(IGF－I)的結構和性質與胰島素具有高度的同源性和三維結構的相似性，但IGF－I不形成二聚體。IGF－I的B結構域（與胰島素B 鏈相對應）中B28－B29氨基酸序列與胰島素B鏈的B28－B29相比，發生顛倒。因此，將胰島素B鏈改為B28Lys－B29Pro，獲得單體速效胰島素。該速效胰島素已通過臨床實驗。
治癌酶的改造
癌症的基因治療分二個方面：葯物作用於癌細胞，特異性地抑制或殺死癌細胞；葯物保護正常細胞免受化學葯物的侵害，可以提高化學治療的劑量。皰症病毒（HSV）胸腺嘧啶激酶(TK)可以催化胸腺嘧啶和其他結構類似物如GANCICLOVIR和 ACYCLOVIR無環鳥苷磷酸化。GANCICLOVIR和ACYCLOVIR缺少3『端羥基，就可以終止DNA的合成，從而殺死癌細胞。HSV－TK 催化GANCICLOVIR和ACYCLOVIR的能力可以通過基因突變來提高。從大量的隨機突變中篩選出一種，在酶活性部位附近有6個氨基酸被替換，催化能力分別提高43和20倍。O6－烷基－鳥嘌呤是DNA經烷基化劑（包括化療用亞硝基葯物）處理以後形成的主要誘變劑和細胞毒素，所以這些亞硝基葯物的使用劑量受到限制。O6－烷基－鳥嘌呤－DNA烷基轉移酶O6－Alkylguanine－DNAalkyltransferase(AGT)能夠將鳥嘌呤O6上的烷基去除掉，起到保護作用。通過反向病毒轉染，人類AGT在鼠骨髓細胞中表達並起到保護作用。通過突變處理，得到一些正突變AGT基因且活性都比野生型的高，經檢查發現一個突變基因中的第139位脯氨酸被丙氨酸替代。
嵌合抗體和人緣化抗體
免疫球蛋白呈Y型，由二條重鏈和二條輕鏈通過二硫鍵相互連接而構成。每條鏈可分為可變區（N 端）和恆定區（C端），抗原的吸附位點在可變區，細胞毒素或其他功能因子的吸附位點在恆定區。每個可變區中有三個部分在氨基酸序列上是高度變化，在三維結構上是處在β折疊端頭的鬆散結構（CDR），是抗原的結合位點，其餘部分為CDR的支持結構。不同種屬的CDR結構是保守的，這樣就可以通過蛋白質工程對抗體進行改造。
鼠單克隆抗體被人免疫系統排斥，它潛在的治療作用得不到利用。嵌合抗體就是用人抗體的恆定區替代鼠單克隆抗體的恆定區，這樣它的免疫原性就顯著下降。如用於治療直腸結腸腺癌（COLORECTALADENOCARCINOMA）的單克隆抗體 Mab17－1A。盡管嵌合抗體還存在著免疫原的問題，但仍有幾種嵌合抗體通過了臨床實驗。所謂人緣化抗體就是將抗原吸附區域嫁接到人抗體上，這樣抗體上的外源肽鏈降低到最小，免疫原性也就最小。但是，僅將CDR轉接到人抗體上，其抗原吸附能力很小，必須帶上幾個框架氨基酸殘基，才能保持原有的吸附力。這樣就存在免疫原性與抗原吸附力之間的矛盾。通過逐個氨基酸替代或計算機模擬分析，可在保持原有吸附力的基礎之上，盡可能地降低免疫原性。第一個臨床上應用的用於治療淋巴肉芽腫病和風濕性關節炎的人緣化抗體CAMPATH－1H，盡管療效顯著，但仍有半數以上的患者有免疫反應。而其他人緣化抗體如治療脊髓性白血病的ANTI－CD33等，其免疫反應可以忽略不計。
蛋白質工程進展
當前，蛋白質工程是發展較好、較快的分子工程。這是因為在進行蛋白質分子設計後，已可應用高效的基因工程來進行蛋白的合成。最早的蛋白工程是福什特（Forsht）等在1982—1985年間對酪氨醯—t—RNA合成酶的分子改造工作。他根據 XRD（X射線衍射）實測該酶與底物結合部位結構，用定位突變技術改變與底物結合的氨基酸殘基，並用動力學方法測量所得變體酶的活性，深入探討了酶與底物的作用機制。佩里（Perry）1984年通過將溶菌酶中Ile(3)改成Cys(3)，並進一步氧化生成 Cys(3)-Cys（97）二硫鍵，使酶熱穩定性提高，顯著改進了這種食品工業用酶的應用價值。1987年福什特通過將枯草桿菌蛋白酶分子表面的 Asp（99）和Glu（156）改成Lys，而導致了活性中心His（64）質子pKa從7下降到6，使酶在pH＝6時的活力提高10倍。工業用酶最佳 pH的改變預示可帶來巨大經濟效益。蛋白工程還可對酶的催化活性、底物專一性、抗氧化性、熱變性、鹼變性等加以改變。由此可以看出蛋白工程的威力及其光輝前景。上述各例是通過對關鍵氨基酸殘基的置換與增刪進行蛋白工程的一類方法。另一類是以某個典型的折疊進行「從頭設計」的方法。1988年杜邦公司宣布，成功設計並合成了由四段反平行α—螺旋組成為73個氨基殘基的成果。這顯示，按人們預期要求，通過從頭設計以折疊成新蛋白的目標已是可望又可及了。預測結構的模型法，在奠定分子生物學基礎時起過重大作用。蛋白的一級結構，包含著關於高級結構的信息這一點已日益明確。結合模型法，通過分子工程來預測高級結構，已成為人們所矚目的問題了。
蛋白質工程匯集了當代分子生物學等學科的一些前沿領域的最新成就，它把核酸與蛋白質結合、蛋白質空間結構與生物功能結合起來研究。蛋白質工程將蛋白質與酶的研究推進到嶄新的時代，為蛋白質和酶在工業、農業和醫葯方面的應用開拓了誘人的前景。蛋白質工程開創了按照人類意願改造、創造符合人類需要的蛋白質的新時期。
蛋白質工程的前景
蛋白質工程取得的進展向人們展示出誘人的前景。例如，科學家通過對胰島素的改造，已使其成為速效型葯品。如今，生物和材料科學家正積極探索將蛋白質工程應用於微電子方面。用蛋白質工程方法製成的電子元件，具有體積小、耗電少和效率高的特點，因此有極為廣闊的發展前景。
㈤ 目前，目前關於蛋白質的空間結構的預測有哪些方法和手段，效果如何
1、通過實驗的方法預測蛋白質結構，即對蛋白質晶體使用X射線衍射或核磁共振，得到晶體電子密度等方面的信息，從而分析蛋白質結構。這是結構生物學的方法。該方法結果准確可信，但是工作量大，難度也比較高。例如要結晶得到純度高的蛋白質晶體有時候是很困難的，各種條件要慢慢摸索，往往要靠運氣。
2、用計算機程序，根據已有的蛋白質序列只是推測未知蛋白的結構。因為蛋白質序列有保守性，而且一定的序列其折疊方式是有規律的。這樣的方法依靠好的演算法，推測結構速度比較快，但是精確性比較差。
㈥ 誰知道蛋白質的折疊現象怎麼研究嗎
分類: 教育/科學 >> 科學技術
問題描述:
研究這個有什麼現實意義呢?最新進展怎樣?最好來點有價值的資料.謝謝.
解析:
研究蛋白質的折疊，是生命科學領域的前沿課題之一。蛋白質是一種生物大分子，基本上是由20種氨基酸以肽鍵連接成肽鏈。肽鏈在空間捲曲折疊成為特定的三維空間結構，包括二級結構和三級結構二個主要層次。有的蛋白質由多條肽鏈組成，每條肽鏈稱為亞基，亞基之間又有特定的空間關系，稱為蛋白質的四級結構。所以蛋白質分子有非常特定的復雜的空間結構。
通過「蛋白質結構預測」破譯「第二遺傳密碼」，是蛋白質研究最後幾個尚未揭示的奧秘之一。天津大學和中國科學院生物物理所的科學家已經做出了優秀的研究成果。他們預測，蛋白質的種類雖然成千上萬，但它們的折疊類型卻只有有限的650種左右。我國科學家在分子伴侶和折疊酶方面有特色的研究成果，也已經贏得了國際同行的注意。
外界環境的變化可以導致蛋白質空間結構的破壞和生物活性的喪失，但卻並不破壞它的一級結構（氨基酸序列），這稱為蛋白質的變性。變性的蛋白質往往成為一條伸展的肽鏈，在一定的條件下可以重新折疊成原有的空間結構並恢復原有的活性。對蛋白質變性作用的認識是我國科學家吳憲在三十年代首先提出的。 蛋白質異常的三維空間結構可以引發疾病，瘋牛病、老年性痴呆症、囊性纖維病變、家族性高膽固醇症、家族性澱粉樣蛋白症、某些腫瘤、白內障等等都是「折疊病」。造成瘋牛病的Prion病蛋白可以感染正常蛋白而在蛋白質之間傳染。研究蛋白質的折疊問題不僅具有重大的科學意義，而且在醫學和在生物工程領域具有極大的應用價值。
1分子生物學的中心法則
五十年代初運用X射線衍射技術解出了生命遺傳物質脫氧核糖核酸（DNA）分子的三維空間結構，闡明了生物遺傳的分子基礎，揭示了這個最主要的生命活動的本質，從而開創了在分子水平上認識生命現象的新學科———分子生物學。分子生物學的出現是經典生物學轉變成近代生物學的里程碑。 盡管自然界的生物物種千千萬萬，生命現象繁雜紛飛，在分子水平研究生命，使我們認識到各種生命現象的基本原理卻是高度一致的！從最簡單的單細胞生物到最高等的人類，它們最基本最重要的組成物質都是蛋白質和核酸。核酸是生物體遺傳信息的攜帶者，所有生物體能世代相傳，就是依靠核酸分子可以精確復制的性質。蛋白質則是生命活動的主要承擔者。所有的生命活動，呼吸、運動、消化……甚至感知、思維和學習，無一例外是依靠蛋白質來完成的。 蛋白質是一種生物大分子，基本上是由20種氨基酸以肽鍵連接成肽鏈。肽鍵連接成肽鏈稱為蛋白質的一級結構。不同蛋白質其肽鏈的長度不同，肽鏈中不同氨基酸的組成和排列順序也各不相同。肽鏈在空間捲曲折疊成為特定的三維空間結構，包括二級結構和三級結構二個主要層次。有的蛋白質由多條肽鏈組成，每條肽鏈稱為亞基，亞基之間又有特定的空間關系，稱為蛋白質的四級結構。所以蛋白質分子有非常特定的復雜的空間結構。每一種蛋白質分子都有自己特有的氨基酸的組成和排列順序，由這種氨基酸排列順序決定它的特定的空間結構，這就是榮獲諾貝爾獎的著名的Anfinsen原理。蛋白質分子只有處於它自己特定的三維空間結構情況下，才能獲得它特定的生物活性；三維空間結構稍有破壞，就很可能會導致蛋白質生物活性的降低甚至喪失。
二十世紀生物學領域最重要的成就之一，是繼DNA雙螺旋結構的發現總結出分子生物學的中心法則，揭示生命遺傳信息傳遞的方向和途徑。近半個世紀以來對闡明中心法則有關問題有傑出貢獻而獲得諾貝爾獎的學者先後多達34位。分子生物學的中心法則簡單表達如下：
分子生物學的中心法則中，DNA和核糖核酸（RNA）的復制、DNA轉錄成RNA、RNA逆轉錄成DNA以及以信使RNA為模板翻譯成多肽鏈的過程和機制基本上已經闡明。但從多肽鏈折疊成蛋白質的過程，即所謂「新生肽的折疊」問題，是中心法則至今留下的空白，又是從「遺傳信息」到「生物功能」的關鍵環節，有待我們在21世紀去解決。
2蛋白質折疊與「折疊病」
人們對由於基因突變造成蛋白質分子中僅僅一個氨基酸殘基的變化就引起疾病的情況已有所了解，即所謂「分子病」，如地中海鐮刀狀紅血球貧血症就是因為血紅蛋白分子中第六位的谷氨酸突變成了頡氨酸。現在則發現蛋白質分子的氨基酸序列沒有改變，只是其結構或者說構象有所改變也能引起疾病，那就是所謂「構象病」，或稱「折疊病」。
大家都知道的瘋牛病，它是由一種稱為Prion的蛋白質的感染引起的，這種蛋白質也可以感染人而引起神經系統疾病。在正常機體中，Prion是正常神經活動所需要的蛋白質，而致病Prion與正常Prion的一級結構完全相同，只是空間結構不同。這一疾病的研究涉及到許多生物學的基本問題。一級結構完全相同的蛋白質為什麼會有不同的空間結構，這與Anfinsen原理是否矛盾？顯然這里有蛋白質的能量和穩定性問題。
從來認為蛋白結構的變化來自於序列的變化，而序列的變化來自於基因的變化，生命信息從核酸傳遞到蛋白。而致病Prion的信息已被諾貝爾獎獲得者普魯辛納證明不是來自基因的變化，致病蛋白Prion導致正常蛋白Prion轉變為致病的折疊狀態是通過蛋白分子間的作用而感染！這種相互作用的本質和機制是什麼？僅僅改變了折疊狀態的分子又如何導致嚴重的疾病？這些問題都不能用傳統的概念給予滿意的解釋，因此在科學界引起激烈的爭論，有關研究的強度和競爭性也隨之大大增強。
由於蛋白質折疊異常而造成分子聚集甚至沉澱或不能正常轉運到位所引起的疾病還有老年性痴呆症、囊性纖維病變、家族性高膽固醇症、家族性澱粉樣蛋白症、某些腫瘤、白內障等等。由於分子伴侶在蛋白質折疊中至關重要的作用，分子伴侶本身的突變顯然會引起蛋白質折疊異常而引起折疊病。隨著蛋白質折疊研究的深入，人們會發現更多疾病的真正病因和更針對性的治療方法，設計更有效的葯物。現在發現有些小分子可以穿越細胞作為配體與突變蛋白結合，從而使原已失去作戰能力的突變蛋白逃逸「蛋白質質量控制系統」而「帶傷作戰」。這種小分子被稱為「葯物分子伴侶」，有希望成為治療「折疊病」的新葯。 新生肽的折疊問題或蛋白質折疊問題不僅具有重大的科學意義，除了上面提到的在醫學上的應用價值外，在生物工程上具有極大的應用價值。基因工程和蛋白工程已經逐漸發展成為產值以數十億美元計的大產業，進入21世紀後，還將會有更大的發展。但是當前經常遇到的困難，是在簡單的微生物細胞內引入異體DNA後所合成的多肽鏈往往不能正確折疊成為有生物活性的蛋白質而形成不溶解的包含體或被降解。這一「瓶頸」問題的徹底解決有待於對新生肽鏈折疊更多的認識。
3蛋白質折疊和「第二遺傳密碼」
蛋白質折疊的研究，比較狹義的定義就是研究蛋白質特定三維空間結構形成的規律、穩定性和與其生物活性的關系。在概念上有熱力學的問題和動力學的問題；蛋白質在體外折疊和在細胞內折疊的問題；有理論研究和實驗研究的問題。這里最根本的科學問題就是多肽鏈的一級結構到底如何決定它的空間結構？既然前者決定後者，一級結構和空間結構之間肯定存在某種確定的關系，這是否也像核苷酸通過「三聯密碼」決定氨基酸順序那樣有一套密碼呢？有人把這設想的一級結構決定空間結構的密碼叫作「第二遺傳密碼」。
如果說「三聯密碼」已被破譯而實際上已成為明碼，那麼破譯「第二遺傳密碼」正是「蛋白質結構預測」從理論上最直接地去解決蛋白質的折疊問題，這是蛋白質研究最後幾個尚未揭示的奧秘之一。「蛋白質結構預測」屬於理論方面的熱力學問題。就是根據測得的蛋白質的一級序列預測由Anfinsen原理決定的特定的空間結構。蛋白質氨基酸序列，特別是編碼蛋白質的核苷酸序列的測定現在幾乎已經成為常規技術，從互補DNA（cDNA）序列可以根據「三聯密碼」推定氨基酸序列，這些在上一世紀獲得重大突破的分子生物學技術，大大加速了蛋白質一級結構的測定。目前蛋白質資料庫中已經存有大約17萬個蛋白的一級結構，但是測定了空間結構的蛋白大約只有1．2萬個，這中間有許多是很相似的同源蛋白，而真正不同的蛋白只有1000多個。隨著人類基因組計劃的勝利完成，解讀了人類DNA的全序列，蛋白質一級結構的數據增長必定會出現爆炸的態勢，而空間結構測定的速度遠遠滯後，因此二者之間還會形成更大的距離，這就更需要進行蛋白質結構的預測。
由於蛋白質分子結構本身的極端復雜性決定了結構預測不可能一蹴而就。目前結構預測的方法大致可分為兩大類。一類是假設蛋白質分子天然構象處於熱力學最穩定，能量最低狀態，考慮蛋白質分子中所有原子間的相互作用以及蛋白質分子與溶劑之間的相互作用，採用分子力學的能量極小化方法，計算出蛋白質分子的天然空間結構。第二類方法是找出資料庫中已有的蛋白質的空間結構與其一級序列之間的聯系總結出一定的規律，逐級從一級序列預測二級結構，再建立可能的三維模型，根據總結出的空間結構與其一級序列之間的規律，排除不合理的模型，再根據能量最低原理得到修正的結構。這也就是所謂「基於知識的預測方法」。但是，第一類方法遇到在數學上難以解決的多重極小值問題，而逐級預測又受到二級結構預測精度的限制。因此必須解決這些困難，或者發展新的方法，將基於知識的預測方法與計算化學以及統計物理學結合起來，才有希望能破譯「第二遺傳密碼」。 另一方面，和以往只能利用存入蛋白質資料庫的數據進行預測相比，人類DNA的全序列的測定給予蛋白質結構預測更自然的、信息量更大得多的資料庫，因此可用基於同源性的重復循環技術非常可靠地靈敏地進行結構預測。已經有人根據基因組的數據用統計方法重新估計了蛋白質折疊類型數目大約為1000種，這和早期的理論估計是一致的。顯然，人類基因全序列的揭示必然為蛋白質結構預測、蛋白質相互作用的預測以及單核苷酸多態性的分子表型預測開辟前所未有的廣闊天地。天津大學和中國科學院生物物理所的科學家已經活躍在蛋白質結構預測領域，並做出了優秀的研究成果。他們預測，蛋白質的種類雖然成千上萬，但它們的折疊類型卻只有有限的650種左右。
蛋白質折疊第二個根本的科學問題是具有完整一級結構的多肽鏈又是如何折疊成為它特定的高級結構？這是一個折疊的動力學的問題，長期以來，主要用體外的實驗方法研究，雖然已有四五十年，但至今尚未解決。我們知道，多數蛋白質在體外是不穩定的，外界環境的變化，如溫度、酸度等，都可以導致其空間結構的破壞和生物活性的喪失，但卻並不破壞它的一級結構，這稱為蛋白質的變性。對蛋白質變性作用的認識是我國科學家吳憲在三十年代基於他在國內的工作首先提出來的，長期以來已經為國際上廣泛接受。變性的蛋白質往往成為一條伸展的肽鏈，由於一級結構仍然完整，根據Anfinsen原理它應該可以在一定的條件下重新折疊成原有的空間結構並恢復原有的活性。這就是長時間來在體外研究蛋白質折疊的基本模型。
現在知道，絕大多數蛋白質從一條伸展的肽鏈，折疊成有其特定結構的、有活性的蛋白質，並不是一步完成的，而要經過許多折疊的中間狀態。含有多個亞基的蛋白質分子，亞基間的相互作用使之組裝成復雜蛋白分子。研究人員用實驗方法，特別是近年來發展的快速測定方法去追蹤蛋白質重摺疊的全過程，盡可能捕捉折疊過程中的每一個中間狀態。不同階段的折疊速度不同，有的比較慢，比較容易發現和捕捉；但有的非常快，必須要有特殊的設備配合各種測試技術去進行研究。最近有人嘗試大幅度降低溫度使折疊速度減慢而得以追蹤。最終，人們要定量地描述整個折疊的動態過程，拍出一部蛋白質折疊的電影來，但這必然要經過一個長時間的艱苦的工作。 4細胞內的蛋白質折疊
盡管多年來體外蛋白質折疊研究為揭示蛋白質折疊的本質提供了大量信息，但細胞內蛋白質的生物合成，一個廣義的蛋白質折疊問題，是一個比試管內蛋白質折疊復雜得多的多的過程。蛋白質的多肽鏈都是在細胞內的一種由多種蛋白質和核糖核酸所組成的被稱為核糖體的復合物上，以信使核糖核酸為模板，從氨基末端開始，按照三聯密碼，一個氨基酸一個氨基酸加上去而合成出來的。現在比較一致的看法認為，這種新合成出來的多肽鏈（稱為新生肽）在合成過程中長度不斷增加，並在延伸的同時也在進行著折疊，而不是在合成完成脫離核糖體後再自發折疊成為蛋白質。所以上面介紹的在體外用變性伸展肽鏈的重摺疊研究蛋白質折疊的模型看來並不是研究細胞內蛋白質折疊的理想模型。由於每個信使核糖核酸可以同時攜帶多個核糖體，而每個核糖體上的多肽鏈的延伸程度又是不同的，所以核糖體上的多肽鏈的合成同步化是目前研究新生肽折疊的關鍵問題，但一直沒有解決。
我們實驗室暫時繞過這個障礙，制備一系列從氨基末端開始具有不同長度的肽段，比較研究它們的構象作為模型，對新生肽在合成延伸的同時也在進行著折疊的觀點已經提供了大量信息。從核糖體上合成出來的肽鏈還需經過與翻譯同時進行的和翻譯完成後的化學加工，如形成二硫鍵，完成糖基化作用、羥基化作用、磷酸化作用等化學修飾。化學修飾往往與肽鏈的折疊密切相關，沒有化學修飾的肽鏈往往不能完成正確折疊。
新生肽還要被運送到細胞的特定部位，「各就各位」才能發揮它特定的生物功能：例如進入細胞核中的 *** 白與DNA組成染色體；進入線粒體的蛋白參與能量代謝；組成膜的蛋白以及分泌到細胞外的蛋白必須進入內質網，先進行加工再繼續轉運等等。這些轉運都有一個穿越膜結構，甚至是多次越膜的過程。有完整空間結構的蛋白分子是不能越膜的，因此在轉運過程中折疊過多的分子必須解開折疊後才能越膜。此外，多亞基蛋白必須進行組裝。有些蛋白質，如一些酶和激素，以前體形式合成後還要經過水解除去某一段序列後才能成熟為有活性的分子。所有這些都包含在新生肽成熟為功能蛋白的全過程中，每一步都涉及新生肽鏈的構象變化、折疊和調整。 在試管中做蛋白質折疊實驗的條件往往人為簡化或不得不簡化，與新生肽在細胞內折疊的條件有質的或量的差別。所有的細胞中都存在著大量的蛋白質、核酸、多糖等各種生物大分子，它們大約佔用細胞容積的20－30％，總濃度高達每升80－200克，因此任何一種大分子都處於一個充滿其他大分子的「擁擠」環境中，使得任何一個大分子的實際可及空間大大減少，這種情況對所有大分子之間的反應在熱力學和動力學上都有很大的影響。最近，有人呼籲，在體外研究蛋白質折疊必須考慮模擬細胞內的「擁擠」環境。我們實驗室在這方面的研究已經得到國際同行的注意。此外，某一種蛋白在某一時刻在細胞內的局部濃度可以非常高，這樣高濃度的蛋白質在試管中必然發生聚集而不可能完成折疊。所以，在體外進行的實驗，為了提高蛋白折疊效率，並且有利於進行分析，實驗所用的蛋白濃度總是很低的；溫度也常在37攝氏度以下，有時低到10攝氏度以下，以減緩反應速度。溶液成分也盡量簡單，便於分析。 5分子伴侶蛋白和折疊酶
最近15年來，由於發現一些蛋白質的折疊必須在另一些蛋白質存在時才能正確完成的現象，對蛋白質折疊的概念產生了革命性的全新認識，「自發折疊」的經典概念發生了轉變和更新，這是蛋白質折疊研究中的大事。現在認為新生肽在細胞內的折疊和成熟在多數情況下是不能自發完成的，而是需要別的蛋白質幫助的。這個新概念並不與Anfinsen原理相矛盾，而是在動力學的觀點上完善了Anfinsen學說。一個在熱力學上可以成立的反應由於動力學的能障等問題在實際上未必可以完成，但在別的蛋白質幫助下可以克服能障而得以進行。
目前已認識到的在細胞內幫助新生肽鏈折疊的蛋白有二類：一類稱為分子伴侶蛋白，另一類是催化與折疊直接有關的化學反應的酶，又稱折疊酶。分子伴侶顯然是一種具有新功能的蛋白，近年來已經鑒定到越來越多新的分子伴侶蛋白或已知蛋白的新的分子伴侶活性。它們的精細三維結構、結構與功能的關系、它們幫助生物大分子折疊的機制都在活躍的研究之中；特別是有些蛋白的分子伴侶活性和在同一分子上的其他生物活性之間的關系以及在生命活動中的協作和調控更引起人們的興趣。現在發現，不僅蛋白質的折疊需要分子伴侶的幫助，DNA分子和RNA分子的折疊也往往需要分子伴侶的幫助，因為功能DNA和RNA分子，特別是它們與蛋白質形成的復合物都要有一定的構象。DNA和RNA分子本身具有較大的剛性，不容易折疊或在折疊過程中容易發生折疊錯誤，因此需要DNA分子伴侶或RNA分子伴侶幫助它們折疊而形成特定的構象。另一方面，不僅蛋白質，現在發現有一些核酸和磷脂也能發揮分子伴侶的作用；更有趣的是最近發現核糖體也有分子伴侶活性。有些生物大分子在成熟過程中需要一系列的分子伴侶在不同的階段給予幫助才能完成最終的折疊。另外，有一些小分子物質對某些蛋白質在體外的折疊有幫助作用，被稱之為「化學分子伴侶」。我國科學家在分子伴侶和折疊酶方面的有特色的研究成果已經贏得了國際同行的注意。
新生肽在細胞中折疊和成熟的過程由於轉錄或翻譯出現了錯誤，或受到各種環境 *** 而損傷，並非能百分之百地完成。為提高蛋白質生物合成的效率，處理掉不能繼續正確折疊的或錯誤折疊的「次品」或「廢品」，防止這些「垃圾」的堆積而危害正常生命活動，生命的進化使細胞獲得了一種「蛋白質質量控制系統」。這種系統是由分子伴侶和靠消耗三磷酸腺苷的能量而發揮作用的特定的蛋白水解酶組成。分子伴侶幫助新生肽正確折疊；而特定的蛋白水解酶把不能繼續正確折疊的或錯誤折疊的「垃圾」水解成小分子。這里的科學問題是質量控制系統到底如何進行質量控制？有人借用了醫院里診斷病人應該送到哪種病房作什麼治療的機制（triage）來描述細胞的蛋白質質量控制體系的作用機理。關鍵是如何「診斷」和區分什麼樣的新生肽「病人」可以送到分子伴侶「病房」進行治療和拯救，而什麼樣的新生肽「病人」已「無可救葯」，只能送給蛋白水解酶去處理。細胞內新生肽「病人」的命運主要是由分子伴侶處理「病人」的能力和速度在動力學上來決定的。尚未治好的新生肽「病人」可能獲得再治療的機會，但也可能不幸送到蛋白水解酶那裡去了；還有一種可能性就是形成聚集，聚集體是抗水解的。如果形成有規則的聚集體，即所謂「澱粉樣纖維」。一些神經系統退化疾病，如老年性痴呆症、帕金森氏病、亨廷頓氏病就是由此造成的。
在21世紀，人類在解決了新生肽折疊的問題，解決了基因調控的問題後，應該就可以說全面地最終地闡明了分子生物學的中心法則，那時人類對自身的認識又將有一個新的飛躍。