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第十章 多伴侣的演化:进化电容器的创新
分子伴侣和伴侣蛋白是大型和进化上保守的蛋白质家族的一部分,它们参与细胞中的多种功能。 这些功能中最主要的是它们能够帮助其他缓慢折叠的蛋白质获得其天然构象。
伴侣蛋白家族由于它们通过基因型调节表型的能力,伴侣蛋白是进化的有效电容,因为它们允许创新突变的存活,尽管它们对蛋白质结构具有不稳定作用。从这个意义上讲,伴侣蛋白通过使蛋白质更广泛地探索基因型网络,增加蛋白质对突变和燃料进化的抵抗力。
未来的研究将旨在了解这些蛋白质如何产生新功能,并使用这些电容作为定义细胞功能景观的手段。
合成蛋白质的一级氨基酸序列包含驱动折叠通过曲折的能量景观朝向最小能量和最稳定的天然构象所需的信息。
一个蛋白质被合成一个线性的多肽链,它启动了一个复杂的折叠途径,以达到最小能量(ΔG)状态。一开始该途径的ΔG较高(三角形的红色截面),蛋白质不稳定,当蛋白质接近景观的最低能量部分时,蛋白质的结构将稳定,在那里它获得天然的,功能性的构象。
在细胞或细胞器的胞浆中,一个100纳米立方体包含大约30,000小分子和50,000离子,非特异性聚集体是通常是通过部分未折叠蛋白质的疏水暴露表面之间的相互作用形成的。
大多数在蛋白质编码基因中发生的非同义核苷酸突变(即涉及密码子和编码氨基酸变化的突变)都是有害的。它们的随机性导致蛋白质结构不稳定,最终导致非特异性蛋白质聚集体的形成。伴侣结合暴露非天然蛋白质的疏水性表面以一种非特异性的方式,从而防止错误折叠和非特异性聚集,并允许本机折叠的新机会发生。
伴侣蛋白通常被组织为多个亚基,每个亚基包含许多不同的结构域(一般三个),它们交织成机械关系,每个亚基呈现两个主要结构域,包含底物结合区的顶端和包含ATP结合位点的赤道以及底物相互作用位点。这两个结构域通过由第三个灵活结构域,即中间结构域介导的复杂且实质的构象变化以相对的方式相互移动(Saibil和Ranson,2002)。
这些子单元被组织成一个或两个背靠背的环,每个环形成一个与其姐妹环一起工作的腔室有两个主要的伴侣蛋白家族占据了生命的三个领域,证明了它们对细胞功能的绝对必要性。 伴侣蛋白家族I或I组伴侣蛋白存在于细菌细胞质(也称为GroEL)或细菌内共生源的真核细胞器中,包括线粒体(Hsp60)或叶绿体和氢化体(Brocchieri和Karlin 2000)。 另一方面,II型伴侣蛋白存在于古细菌细胞质(通常称为热体)和真核细胞溶质(CCT / TRiC)中。