Only Perception: 抵達蛋白質動力學的高峰

2010-10-08

抵達蛋白質動力學的高峰

Reaching the summit of protein dynamics
http://www.physorg.com/news179673102.html

December 10, 2009

當一個蛋白質從某種形狀轉變成另一種時，對於起作用的、極為迅速之原子機制的了解，多年來一直都是個難以捉摸的科學目標，但對於闡明蛋白質功能的全貌而言，卻是最不可或缺的一個。蛋白質如何在截然不同的外型間轉變（或互換）而不用在過程中展開？直到目前為止，這個問題一直都是個假說，僅藉由計算而非在實驗上解決。

本週一項開創性的研究出現在 Cell 期刊中，Brandeis 研究者首度在運算上與實驗上揭露蛋白質越過能量障礙（爬過一座山）所採用的分子路徑。這項研究報告已折疊的蛋白質如何有效改變形狀同時避免展開，這對於細胞內任何一種蛋白質來說都是必要需求。

利用計算與 NMR 光譜術，研究者能夠實驗性地測量發訊氮調控蛋白（signaling nitrogen regulatory protein）從某種形狀跳到另一種形狀的速度有多快，並闡明原子論的路徑。

"當抵達一座山的高峰時，如果你考慮越過能量障礙，我們所揭露的是分子的「遠足」路線，蛋白循著這條路線從深深地山谷到達山峰附近的區域，然後返回另一個不那麼深的山谷，" Brandeis 生物物理學家以及 Howard Hughes 醫學研究所（HHMI）研究者 Dorothee Kern 表示。

在歷史上，科學家已提出，蛋白質在截然不同的活化形狀之間，必須要分離（break apart）或部份不折疊。"那對我而言沒有意義，" Kern 說，"因為你若能破壞蛋白的形狀，你得要重新建立它，而且那太複雜且太沒有能源效益了；可能耗時許久。"

Kern 表示，她們發現，發訊蛋白在分鐘的時間尺度下展開，每五分鐘一次，而功能性活化狀態的互換（interconversion），則在微秒的時間尺度下發生。

Kern 及其同僚第一個在計算上與實驗上證明，（蛋白質）事實上未曾以那種方式展開，反而是在不到一奈秒的時間內經歷轉變 -- 或橋接（bridging）-- 狀態。證據呢？在這些轉變狀態中，氫鍵，那不存在於蛋白質的基態（山谷）中，啟用功能同時防止展開的風險發生。

"這是一份原理驗證論文；那改變了蛋白質動力學的典範，因為這些短暫的非原生（nonnative）原子交互作用，之前真的都被隱蔽起來，" Kern 說。"這份論文強調，需要在運算與實驗之間開發一種迭代的方法法。"

「理解蛋白質動力學」對於為了各種應用目的（包括工程、材料科學，以及藥理學）而改善蛋白質的設計來說，是必要的。

"我們並不了解如何製造改變其形狀的蛋白質；這個遺失的環節是了解大自然如何非常有效率地以及明確地改變蛋白質的形狀，" Kern 說。"如果我們更了解蛋白質的物理學，那將能幫助我們設計更好的功能性蛋白。"

※ 相關報導：

＊ Transient Non-native Hydrogen Bonds Promote Activation of a Signaling Protein
http://www.cell.com/abstract/S0092-8674%2809%2901434-2

Alexandra K. Gardino, Janice Villali, Aleksandr Kivenson,
Ming Lei, Ce Feng Liu, Phillip Steindel, Elan Z. Eisenmesser,
Wladimir Labeikovsky, Magnus Wolf-Watz, Michael W. Clarkson
and Dorothee Kern
Cell, Volume 139, Issue 6, 1109-1118, 11 December 2009
doi: 10.1016/j.cell.2009.11.022