蛋白质折叠与生物热力学：生物热力学如此高效，我们真的应该感到惊讶吗？

《Annual Review of Biophysics》：Collapse and Protein Folding: Should We Be Surprised That Biothermodynamics Works So Well?

本文探讨了蛋白质变构态（DSE）的热力学性质及其对稳定性测量的影响，指出不同变性条件下DSE的热力学等效性源于其高度扩展且氢键结构极少的特性，验证了吉布斯-亥姆霍兹方程和线性外推模型的可靠性，并提出了折叠中间体的结构特征及形成机制。

　　蛋白质的功能和动态特性是理解其生物学行为的核心。在研究蛋白质折叠过程中，我们不仅需要关注其折叠后的稳定状态（即天然态构象集合NSE），还必须深入探讨其未折叠状态（即变性态构象集合DSE）的特性。变性态构象集合通常被认为是蛋白质在失去其天然构象后所处的一种状态，其内部结构的多样性可能会对稳定性计算造成干扰。然而，通过一系列实验方法和理论模型，我们发现即使在不同的环境条件下，DSE的热力学性质仍然具有高度的一致性，这为蛋白质折叠的热力学研究提供了可靠的基础。

蛋白质折叠是一个复杂的过程，涉及到多种物理化学因素的相互作用。例如，氢键、疏水作用、熵变和能量变化等都会影响折叠路径和稳定性。在许多情况下，蛋白质在变性状态下仍然保持一定的结构，这种残余结构在不同条件下的表现可能有所不同。然而，这些差异并不影响热力学测量结果的一致性，因为这些测量方法能够通过热力学等价性，将不同条件下的数据统一到一个共同的参考状态。这种热力学等价性是多种方法（如差示扫描量热法DSC、化学变性以及氢-氘交换HDX）得出一致结论的重要原因。

热力学测量通常通过比较DSE和NSE之间的结构分布和能量变化来实现。其中，差示扫描量热法（DSC）和氢-氘交换（HDX）是两种广泛应用的手段。DSC通过测量蛋白质变性过程中所需的热量变化，可以推导出折叠的热力学参数，如焓变ΔH、熵变ΔS和热容变ΔCp。而HDX则通过观察蛋白质中氢键的断裂情况，间接反映其结构的稳定性。这些方法在不同条件下的测量结果在很大程度上是一致的，这表明DSE在各种条件下可能具有类似的物理特性，尽管其结构表现可能有所变化。

在某些情况下，DSE可能会表现出一定的收缩性，尤其是在高温或高浓度变性剂存在的情况下。这种收缩通常与疏水作用的增强有关，疏水作用在蛋白质折叠过程中扮演着至关重要的角色。然而，尽管DSE在某些条件下会经历收缩，其整体仍保持一种高度扩展的状态，这种状态可能与蛋白质在折叠过程中的动态行为密切相关。此外，一些实验数据表明，DSE在某些情况下甚至可能比在变性条件下更加扩展，这说明DSE的结构特性在不同的物理环境下可能具有一定的适应性。

值得注意的是，蛋白质折叠并非总是由单一的疏水作用驱动。在某些情况下，折叠过程可能涉及多个步骤，包括氢键的形成、二级结构的构建以及三级结构的稳定。例如，通过氢-氘交换实验，我们发现某些蛋白质在折叠过程中形成了较高的氢键含量，尤其是在过渡态（TSE）中。这表明，即使在变性态构象集合中，蛋白质仍然可能保留一定量的结构信息，这些信息在折叠过程中会被逐步利用。

对于蛋白质折叠的热力学研究，一个重要问题是其是否在特定条件下表现出非特异性收缩。例如，某些蛋白质在低温或特定溶剂条件下可能经历一种被称为“冷变性”的现象，这表明折叠过程可能不仅仅依赖于高温驱动的疏水作用。通过热力学方程和模型，我们可以推断出在不同温度下的折叠行为，从而揭示蛋白质折叠的普遍性和可预测性。此外，一些研究还表明，折叠路径可能并非单一，而是存在多种可能性，这取决于蛋白质的序列特征、环境条件以及折叠过程中的能量变化。

在蛋白质折叠过程中，热力学和动力学之间的关系也值得关注。虽然热力学方法可以提供关于折叠稳定性的整体信息，但动力学研究则揭示了折叠过程的详细步骤和速率。例如，某些蛋白质在折叠过程中表现出非特异性收缩，这可能与折叠路径中的某些中间状态有关。然而，这些中间状态通常不会积累，而是快速通过折叠路径到达稳定的构象。这种现象被称为“热力学下坡”过程，意味着一旦蛋白质达到了一定的组织化程度，后续的折叠步骤将变得更加高效。

此外，折叠路径的多样性也可能受到蛋白质序列的影响。某些蛋白质可能更倾向于通过特定的步骤进行折叠，例如通过折叠单元（foldon）的逐步添加。这些折叠单元可能具有类似于天然态的结构特征，从而促进蛋白质的稳定性和折叠效率。在某些情况下，折叠路径的多样性甚至可能影响蛋白质的折叠速度和稳定性，这提示我们对蛋白质折叠过程的理解仍需进一步深入。

总体而言，蛋白质折叠的热力学研究揭示了其在不同环境条件下的行为特征，以及其结构和稳定性之间的复杂关系。尽管变性态构象集合在不同条件下可能表现出不同的物理特性，但这些差异并未影响热力学测量结果的一致性。这说明，DSE的热力学性质具有一定的普适性，能够作为蛋白质折叠研究的可靠参考状态。同时，蛋白质折叠过程中的非特异性收缩和结构形成是相互关联的，这为理解蛋白质折叠机制提供了重要的理论支持。未来的研究将继续探索这些现象的分子基础，并进一步揭示蛋白质折叠的普遍规律。