原子尺度的模型可以帮助完善已经建立的关于蛋白质如何与溶液相互作用的理论
长期以来，人们一直认为水的存在会影响蛋白质的折叠方式。一项新的研究对这些细节提出了质疑。
发表在美国化学学会《物理化学快报》上的一篇论文显示，在折叠过程中可能进化为避免水的蛋白质，实际上可能以科学家们没有预料到的方式表现出来。
Dilip Asthagiri
据莱斯大学的一位工程师说，这一发现可能会改变科学家对溶液中疏水(避水)和亲水(吸水)相互作用的看法。
来自莱斯大学、杜兰大学和约翰霍普金斯大学医学院的合作者们创建了多肽的原子级模型，显示折叠也受到它们所占据的溶剂的热膨胀的影响，但其方式与之前的假设不一致。
赖斯布朗工程学院的化学和生物分子工程副教授Dilip Asthagiri说，长期以来的观点是，疏水性氨基酸是蛋白质折叠的主要力量，疏水性氨基酸通过尽可能有效地聚集在一起来避免水。
新的研究表明，温度，一个并不总是包含在蛋白质折叠模型中的因素，也会影响这一现象。研究人员认为，这应该促使人们重新评估蛋白质在溶液中的折叠是如何稳定的。
Asthagiri说:“有许多蛋白质在本质上是紊乱的，根本无法折叠。”“一种解释不折叠的方法是观察疏水基团和带电基团的平衡，假设后者占主导地位，得出多肽不折叠的结论。
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插图:Dilip Asthagiri
他说:“我们在2017年发现，在一个没有侧链的本质上紊乱的肽模型中，亲水效应实际上可以压倒仍然存在的疏水效应所导致的崩溃，并推动肽的展开，即使在没有带电残留物的情况下。”那项研究和2016年早些时候发表的一项研究都强调了亲水效应的作用。但我们没有考虑温度的影响。”
因此，由Asthagiri领导的研究小组开始对多肽(包括生物系统中的蛋白质)在不同温度下与水接触时如何折叠和展开进行精确建模。
当研究人员计算一个水合的十烷基丙氨酸肽序列及其侧链的自由能时，他们发现溶剂和肽之间的吸引力也起作用，特别是当涉及多个肽时。
他们发现，在他们模拟的温度范围内，当加热时，多肽周围的溶剂基质会膨胀，减少了周围的溶剂分子数量并与多肽接触。这使得溶剂和缩氨酸之间的结合作用不太有利。
他们指出，这种效应对于溶剂中的小分子来说是微小的，但是对于大的肽和蛋白质来说会放大。他们还说，该理论表明亲水效应会导致冷溶液中蛋白质的变性或展开。
“溶液环境是蛋白质结构的重要贡献者，”Tulane化学工程师和共同通讯作者Lawrence Pratt说，他是哮喘的长期导师。“溶液所做的一切，包括水，都与这些蛋白质如何组合以及它们的功能有关。”
他说，自20世纪40年代以来，人们就认识到蛋白质折叠中的疏水效应。“It’s是一个相当棘手的东西，因为它有不同寻常的温度依赖性，”普拉特说。“你知道，如果你改变温度，生物就会生存或死亡。
他说:“当你提高温度时，一些疏水效应会增强，所以事情会变得更稳定。”但迪利普表示，随着温度升高强度的增加可能来自其他地方，包括所有化学家都认为是亲水的影响。
“亲水和疏水效应都起作用了，”他说。于是他们开始竞争，开始合作。因此，能够以一种非常令人信服的方式来区分它们，是将所有这些行为分类的一大步。”
这篇论文的共同通讯作者是Dheeraj Tomar和Michael Paulaitis。Dheeraj Tomar是哮喘学的前研究生，目前在马萨诸塞州沃尔瑟姆市的Xilio Therapeutics工作，Michael Paulaitis是约翰霍普金斯医学院的教授。普拉特是杜兰大学化学工程的赫尔曼和乔治·r·布朗主席。
美国能源部科学办公室支持这项研究。
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