蛋白质折叠之谜得到解决

科学家揭示蛋白质核心55%堆积率的奥秘，源于氨基酸复杂形状造成的“拥堵”极限。

生命体内的蛋白质，这种由成百上千氨基酸构成的生物大分子，承担着催化、分子运输、DNA修复等各式各样的关键角色。要胜任这些工作，它们必须精巧地折叠成特定的三维形态。这个过程对生命至关重要，却又极其复杂，尽管研究不断深入，蛋白质如何完成折叠的奥秘仍有许多未解之处。

最近，一篇发表于《PRX Life》期刊的研究为此领域带来了一线曙光。这项发现不仅加深了我们对蛋白质折叠的理解，更有望催生出设计全新蛋白质的新思路，从而应用于药物治疗、新型生物材料开发等诸多前沿领域。

在 Corey O'Hern 的带领下，研究团队利用计算机模拟技术，对蛋白质数据库(一个在线资源库)中所有的球状蛋白进行了深入分析。他们精确测量了这些蛋白质内部核心区域的“拥挤”程度，结果惊人地一致：所有蛋白质的核心堆积分数都稳定在55%，也就是说，核心区域里55%的空间被原子占据。这一发现立刻引出了两个核心疑问。

“为什么所有蛋白质都选择了这个数值？更具体地说，为什么偏偏是55%呢？” Corey O'Hern 解释道，“答案似乎在于，当蛋白质核心达到某种‘堵塞’或刚性化的临界状态时，其内部原子的堆积密度便无法再继续增加了。”

换句话说，构成蛋白质核心的那些氨基酸分子，在蛋白质折叠过程中被挤压到一定程度后，就再也“塞”不进去了。物体能够堆积得多紧密，很大程度上取决于它们自身的形状。就好比一堆完美的球体，它们能达到的最大堆积密度大约是64%。

Corey O'Hern 指出：“然而，氨基酸的形状远比球体复杂得多。”

“虽然有少数几种氨基酸接近球形，但绝大多数都因为带有侧链而显得细长，并且表面因为布满了成键的氢原子而凹凸不平。根据软物质物理学的原理，像这样形状不规则、表面粗糙的粒子，在被紧密堆积至‘堵塞’状态时，其密度自然要低于那些光滑、滚圆的球体。这恰好解释了为什么蛋白质核心的堆积密度止步于相对较低的55%。”

那么，一个引人思考的问题随之而来：在生理环境之外，蛋白质核心的堆积密度能否突破55%的限制呢？例如，科学家们已经在尝试研究蛋白质在高压环境下的表现，比如模拟深海热液喷口那种极端压力条件。这类环境被认为可能与地球上最初有机分子的合成息息相关。

对高压下蛋白质结构的分析确实显示，其核心堆积密度可以提升至58%到60%之间。由此可见，这项关于蛋白质“内部空间”的研究，竟然也和我们探索生命起源的宏大命题产生了联系。

论文的主要作者、 O'Hern 实验室的博士研究生 Alex Grigas 表示：“既然我们已经掌握了常规折叠条件下蛋白质核心的特性，那么或许，蛋白质核心的堆积密度并非一定要止步于55%。如果我们能够改变它们所处的环境，比如调整溶剂、施加压力，或者快速改变温度，也许就能诱导氨基酸以更高的效率堆积起来。”

Corey O'Hern 进一步补充道，当前的蛋白质设计主要集中在通过创造新的氨基酸序列来构建具有新结构和功能的蛋白质。“而我们的研究则开辟了一个全新的视角：即使氨基酸序列保持不变，仅仅通过调控蛋白质折叠时的外界条件，或许也能设计出具有新颖结构与功能的蛋白质。”