蛋白質摺疊為什麼趨向能量最低構象？

01-07

原理

「蛋白質的摺疊趨向於能量最低的構象」這個說法大體是對的，如果從自由能的角度談談「穩定性」只能看到一個表象，這裡面還有更多值得討論的東西。

平時我們討論一個化學反應進行的方向，當然都是在「自由能」的意義下而言的。從自由能的角度看，蛋白質從去摺疊到摺疊還要跨過一個能壘，當然，多數情況下跨過能壘之後能量最低的構象就是自由能最低的構象。但是這樣問題就結束了嗎？蛋白質摺疊問題遠不止是這樣，我們還會談「能量」，而且必須談「能量」。因為從自由能的角度看，要讓自由能降低，可以讓能量降低，也可以讓熵增高。而事實上，我們見到的蛋白質往往都是選擇降低能量，增加有序，而不是增加無序。這個問題不是完全用物理化學就能解釋清楚的。要真的理解為什麼是摺疊的時候蛋白質總是「趨向於能量最低的構象」，就必須要看到其中有進化的遺產。

從物理化學的角度，我們可以認為，能量最低的天然態構象可以讓分子結構最穩定……不過穩定就對生物體就最好么？你馬上就可以反駁我說，太穩定反而會不利於與其它蛋白質（或者其它生物分子）結合，不如選擇一個更無序、更鬆散的結構讓自己的自由能減少。在漫長的進化過程中，對於不同功能蛋白質而言，它需要做出一個選擇，到底是去往能量更小的方向，還是去往熵更大的方向。因為完全也可能有另外一種進化的途徑，使得蛋白質自由能降低是通過進化得越來越無序而產生的。

那麼蛋白質分子究竟會怎樣進化呢？為了從更生物的角度說明這個問題，不妨先了解：「不是所有的氨基酸序列都是蛋白質的序列。」

假設一個蛋白質全是由 D E K R H 這樣的帶電氨基酸構成，電荷電荷之間充滿了相互排斥，這條序列很可能根本沒有辦法摺疊成一個密堆的結構，這樣的序列並不是我們通常意義上的蛋白質序列，但這樣的序列並非沒有功能，正因為沒有固定的結構，它們很可能與許多種不同的分子去結合，現在研究的「Intrinsically unstructured proteins」中就富含帶電氨基酸。此外，如果一條序列可以摺疊到許多個能量最低的狀態，而蛋白質要用來實現具體的生物功能往往需要有一種比較固定的構象。那些可能摺疊到其它各種構象的序列很可能出現錯誤的摺疊從而使得特定的蛋白質失去功能，更危險的情況就是發生聚集。這些對生命而言都是致命的，因此在進化中，對於需要有固定結構的那些蛋白質分子，其序列是經過進化而「設計」的。這樣的序列往往可能有以下的特徵：

在摺疊之後能量會最低，而且最低的構象能量要比其它的構象能量都低很多，這是保證蛋白質不會發生錯誤摺疊的一個約束。
保證了有一個能量最低的點，還需要保證摺疊的道路不能太曲折。雖然能量最低的構象確實能量最低，但是在摺疊的道路上，並不是「每次都作最佳選擇得到最好累積結果」，這樣仍然存在錯誤摺疊或者聚集的風險。假如有一個最優的結構雖然能量低，但是摺疊的道路過於曲折（高阻挫），很可能「正確摺疊」的要求會太高。為了避免這樣的問題，一種可能的方案是考慮是引入分子伴侶，但顯然也不可能每個蛋白都要由他們來負責摺疊，錯誤摺疊對一個生命來說實在太可怕了，很可能若干種的功能就無法正常實施。在漫長的進化的過程中，可以相信，那些摺疊的道路不那麼曲折的變異將更可能會被保存下來。這個原則叫做「阻挫最小」原則。

以上大致是解釋這一問題的可能的生物學原因。從物理學的角度所談的能量與熵的競爭，從生物的角度就是在進化的過程中，對錯誤摺疊的不容忍（穩定性）與結合的可能性的競爭。在分子進化的過程中，兩個極端方向上分別出現了蛋白質（能量降低）和無序蛋白（熵增高）。

如圖，蛋白質的摺疊也可以看成是能量與熵的競爭。能最好地反應能量跟熵的競爭的圖莫過於「能量漏斗」了（左圖）。大多數的漏斗圖都是縱軸為能量，橫軸為熵，漏斗的頂部和底部都是自由能比較小的點（右圖），因此進入這樣一個漏斗之後，「往下掉」並沒有表面上看起來那麼簡單。從頂部摺疊到底部，必然面對著用能量降低來對抗熵的減小。這是抽象地討論蛋白質摺疊問題的一個普遍的方式。蛋白質摺疊的能量漏斗是內能的漏斗，而不是自由能的漏斗。各類預測蛋白質天然態結構的模型首先考慮的也是能量，能量的問題能解決了，採取考慮 Loop 區的結構，進一步提高預測能力。圖片來源：http://www.bioscience.org/2009/v14/af/3415/fulltext.php?bframe=figures.htm

簡單說，對於熱力學過程，能量越低越穩定。

具體到蛋白質摺疊，下面一幅圖解決問題：

周圍一圈是未摺疊構象，中間的N代表native state。蛋白質摺疊的驅動力主要是salt bridge和hydrophobic effect，這兩種效應提供的自由能用來彌補（pay for）摺疊導致的更高有序度（熵減）。

你就想像在上圖的漏斗模型的邊緣放一個小鋼球，它最終滾動到native state的時候能量才是最低最穩定的。

在上圖中，你還可以看到一些能量低於未摺疊構象，但是高於native state的亞穩態，通常在殘基突變的情況下，蛋白質就有可能落到亞穩態中而無法摺疊成native state。一個一級結構並不說明摺疊構象就是唯一的，關於這一點，可以參考維基詞條「Prion」。

為了加深對亞穩態的印象，下面貼兩張錯誤的漏斗模型：

我今早把幾片檸檬切好，亂序放到了水杯里。晚上回去的時候，變成了這樣：

檸檬不太親水的表面的作用力下，他們又摺疊在一起，嚴絲和縫。在體內，蛋白也是，疏水性作用力是讓他們摺疊的最大動力之一。

實際上這個問題本身是不成立的，或者是在此一時刻不成立。因為迄今為止，蛋白質物理學的研究，都是以小型單體可溶性球蛋白為對象，在這一層次上說，蛋白質的摺疊的確是帶有簡單熱力學的印記。但是也正因為如此，蛋白質物理學家常常提醒大家，在考慮蛋白質物理學問題時，一定要特別了解這些結論的邊界。比如如果對於多亞基可溶性蛋白/膜蛋白這樣的蛋白而言，這樣的結論就是不成立的，因為這些蛋白的摺疊質量控制過程，涉及到多種分子伴侶如熱激蛋白等的參與或者多種修飾酶的參與，並不全然是一個自發的過程，而是一個受遺傳嚴格控制的過程，在這一過程中，比較少關注蛋白質摺疊的能量問題。

關於摺疊過程，樓上的都講得差不多了，能量景圖和自由能都可以很好的說明。

但要說原因，我覺得目前還能難解釋，只能說是一種自然的選擇。

擴展閱讀：http://www1.lsbu.ac.uk/water/protein2.html