他山之石5 曲径通幽处

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曲径通幽处

       The dynamics of chemical reactions in solution are described by Kramers' theory, but the parameters involved have eluded direct measurement. A study of protein folding reveals how this problem can be overcome.

 
       蛋白质在不同的构象之间跳荡以完成它们复杂而又精确的任务。蛋白质周围的水分子的无规运动提供了无休无止的热碰撞，这些碰撞发挥着为蛋白质的动态构象变化提供分子驱动力的作用。反直觉地，同样的溶剂分子的热运动也能够限制生物分子运动的速度，这就是所谓的溶剂摩擦效应。然而，科学家们越来越清楚的是，在若干重要的场合，蛋白质分子内部的摩擦可能对分子的动态行为起着决定性的阻碍作用。在10月23日Nature网络版发表的一篇研究论文中¹， Chung和Eaton报道了迄今为止最让人难忘的研究之一——这项研究定量地阐明了对于正处在折叠过程中的蛋白质分子，内摩擦对分子动态的贡献！

        以跨越势垒过程来描述化学反应进行的速率是最通用的概念。在绝大多数化学教科书中所考虑的最简单的情况下，这个势垒相当于一个气态下的分子的一个化学单键断裂所需要的能量。由荷兰物理学家Hans Kramers发展起来并于1940年发表的普适性的跨越势垒的概念可以应用到复杂得多的过程中^2,3，从溶液中的化学反应到蛋白质折叠⁴。

 
 
图1 蛋白质折叠过程中的势垒跨越

       构成这样一个对反应动力学的简化的描述要具备两个关键要素：一个是合适的“自由能面”的形态，用于描述处于平衡态的系统的焓与熵的性质；另一个是内摩擦力的大小，用于确定系统能够以怎样的速率在其自由能面上移动。几乎在其所有的时间，一个分子都处于自由能面的谷底（自由能面的极小值）。在蛋白质折叠的情况下，这些谷底对应着折叠和非折叠状态。

       很多分子过程都可以被描述为一个粒子在自由能面上扩散的过程，这种描述绘就了一幅焓与熵的综合效应沿着一个合理选择的代表着反应进程的坐标变化的图景。此时，一个处于非折叠状态的蛋白质对应着一个自由能面上的盆地，蛋白质必须跨越一个自由能势垒才能到达折叠状态，即另一个盆地。图上白色的箭头代表蛋白质跨越自由能表面的扩散途径。Chung 和Eaton¹利用单分子荧光实验（原文为optical single-molecule experiment。根据论文内容，译作单分子荧光实验，更契合实际，也便于理解。）来探测在势垒顶部扩散过程的动态行为。

       一个分子从一个谷底到另一个谷底的几率——也就是反应发生的频率——由两个谷之间势垒高度决定。但是，在这个蕴含着实际上反应中各个分子动态变化步骤的事件中，最让人感兴趣的是势垒的真实跨越过程。分子在这个过渡态区间仅用其所有时间中的极少部分，因此其跨越过程的信息难以把握。

       去年，Chung、Eaton及其同事通过记录由单个蛋白质发出的荧光并逐个光子地分析荧光信号的方法成功地测试到这些微秒长短的过渡态时间，这种巧妙的测试方法他们已经有过报道^5,6。如今，通过在前所未有的细节上探测过渡态区间内（即自由能面的顶部）小螺旋蛋白质的动态过程，他们向前迈出了关键一步。

       以前，有关蛋白质折叠势垒顶部分子结构-性质的信息是通过研究独立地改变蛋白质中氨基酸的序列怎样影响蛋白质折叠动力学得到的结果来推测的⁷。跨越势垒的时间尺度曾用激光诱导的温度突跃实验（用激光照射来加热分子集束⁸）对非常小的势垒方法研究，最近也用单分子测试方法研究^5,9。

       但是，仍需应对的令人生畏的挑战是给蛋白质折叠反应的Kramers描述的关键要素进行定量，特别是给内摩擦以及内摩擦在折叠过程的变化进行定量。早期的工作已经证明：内摩擦在折叠动力学中是一个决定性的参数^10,11；它可能高度定域在自由能面的特定区域¹²；当非折叠的蛋白质变得更加紧密时，其贡献倾向于增大¹³。

       现在，Chung和Eaton已经直接研究了单个分子折叠的势垒的性质。作者测试了一种称为α3D的蛋白质过渡态-通过的时间作为温度和溶剂粘度的函数以反映溶剂和内摩擦的特征标志。同时并存多种致使势垒跨越速度降低的分子内和分子间相互作用也需要能够解释为什么Kramers的理论可以在这个场合使用。相反，对于一些小分子的反应，势垒跨越如此之快以至于溶剂跟不上速度，简单的理论就失效了³。

       Chung和Eaton的研究结果使他们能够直接推断势垒高度——通常来说这是一个困难的工作，因为大的熵变对折叠过程有贡献；但这又是一个基本的问题，因为势垒高度是动力学的关键因子。为了给自由能面的形状做个模型，作者利用改进的计算方法以便在原子水平的细节上模拟蛋白质折叠并且与实验上的折叠速率和过渡态-通过的时间非常吻合。

       不过，还有两个目标尚未实现。一个是直接从单分子实验、而不是通过分子模拟来解析发生在势垒顶部的一系列事件。另一个是理解内摩擦的分子起源。内摩擦的分子起源究竟是肽链中围绕化学键的旋转过程中的立体阻碍决定的，还是瞬间形成的分子内氢键或者是疏水残基的团簇、亦或是其它使正确折叠能够进行必须破坏的短寿命的相互作用决定的，这个问题还不明朗^10,12。但是，由Chung和Eaton报道的精密实验和理论模拟得到的结果是大有希望的进展，因为这将增进我们在分子水平上对生物动态过程的详细机制有所了解。

参考文献

1. Chung, H. S. & Eaton, W. A. Nature http://dx.doi.org/10.1038/nature12649 (2013). 

2. Kramers, H. A. Physica 7, 284–304 (1940). 

3. Hänggi, P., Talkner, P. & Borkovec, M. Rev. Mod. Phys. 62, 251–341 (1990). 

4. Bryngelson, J. D. & Wolynes, P. G. J. Phys. Chem. 93, 6902–6915 (1989). 

5. Chung, H. S., McHale, K., Louis, J. M. & Eaton, W. A. Science 335, 981–984 (2012). 

6. Gopich, I. V. & Szabo, A. J. Phys. Chem. B 113, 10965–10973 (2009). 

7. Matouschek, A., Kellis, J. T. Jr, Serrano, L. & Fersht, A. R. Nature 340, 122–126 (1989). 

8. Yang, W. Y. & Gruebele, M. Nature 423, 193–197 (2003). 

9. Yu, H. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 109, 14452–14457 (2012). 

10. Wensley, B. G. et al. Nature 463, 685–688 (2010). 

11. Hagen, S. J. Curr. Protein Peptide Sci. 11, 385–395 (2010). 

12. Borgia, A. et al. Nature Commun. 3, 1195 (2012). 

13. Soranno, A. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 109, 17800–17806 (2012). 

孙景志 教授 翻译并推荐

译者按：建议那些想在AIE的机理研究和应用方面有所建树的同学，认真地阅读有关的文献。译者认为：构象、内摩擦、内旋转、溶剂、粘度、熵，这些基本概念无一不和AIE/RIR相关。这应该是AIE型荧光探针最有价值的应用领域。

原作题目：Biophysics: Rough passage across a barrier*

作者：Benjamin Schuler¹ & Jane Clarke²

1. Benjamin Schuler is in the Department of Biochemistry, University of Zurich, 8057 Zurich, Switzerland. 

2. Jane Clarke is a Wellcome Trust Senior Research Fellow in the Department of Chemistry, University of Cambridge, Cambridge CB2 1EW, UK.

来源：Nature, Published online; 23 October 2013, doi:10.1038/nature12697.

*这个题目极难翻译准确。Rough本身在这里具有多重含义。本身有“起伏不平”的意思，是指蛋白质折叠需要跨越势垒，是一个rough passage。从作者写这篇文章的出发点看，rough passage意味着Keramers理论从1940年建立，发展至今经历了“坎坷”的道路。同时，rough又有“粗糙”之意，暗含着蛋白折叠跨越势垒的理论在分子水平上还显得粗糙，还有若干不明因素，如内摩擦的分子起源和过渡态期间分子处于自由能面顶部时的一系列事件。因此，暂借唐代常建《题破山寺后禅院》中的诗句“曲径通幽处”为题。
        

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