朱欽士 （美國(guó)南加州大學(xué)醫(yī)學(xué)院）

（上接2018年第4 期第24 頁(yè)）

1.3 蛋白質(zhì)分子中肽鏈的折疊機(jī)制 蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的執(zhí)行者，除了催化細(xì)胞內(nèi)數(shù)千種化學(xué)反應(yīng)外，蛋白質(zhì)還在細(xì)胞和機(jī)體結(jié)構(gòu)、生物防衛(wèi)、信息傳遞等方面起不可或缺的作用。這里說(shuō)的“信息傳遞”，不是傳遞蛋白分子自身的信息，而是細(xì)胞外部和內(nèi)部的信息，例如細(xì)胞表面的受體就是由蛋白質(zhì)組成的，它們接收各種外部信息，包括光信號(hào)、機(jī)械振動(dòng)、溫度、壓力、酸堿度、滲透壓，以及調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)分化的信號(hào)等，再傳輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)部。

不同的生理功能不僅需要不同的蛋白質(zhì)，還需要蛋白質(zhì)分子形成各自的結(jié)構(gòu)和形狀。形成不同結(jié)構(gòu)和形狀的生物大分子理論上可以走2 條路線：一種是分支的，像灌木的樹(shù)枝；另一種是不分支的，即線性的，像毛線繞成線團(tuán)。前者在每個(gè)分支處都需要專門的酶，使得生物大分子的合成和分解較為困難，所以只限于支鏈淀粉和多糖這樣相對(duì)簡(jiǎn)單的分子。不分支的生物大分子只需要一種酶，即可完成將組成單位合成為大分子，或?qū)⒋蠓肿臃纸鉃榻M成單位的過(guò)程，效率很高。核酸（DNA 和RNA）和蛋白質(zhì)這樣的生物大分子都是線性的。但線性的蛋白質(zhì)分子也帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，它像一根細(xì)長(zhǎng)的繩子。是什么機(jī)制讓其“繞”成不同的形狀？

蛋白質(zhì)是由20 種氨基酸線性相連組成的分子。每個(gè)氨基酸分子內(nèi)有一個(gè)“中心碳原子”，稱為α-碳原子。這個(gè)碳原子發(fā)出4 根化學(xué)鍵，平均伸向空間，與其他原子相連。要直觀地了解這4 根化學(xué)鍵的方向，可以想象一個(gè)四面體，即金字塔的形狀，與碳原子相連的4 個(gè)原子分別位于四面體的4 個(gè)頂角上，碳原子則位于四面體的中心，它與4 個(gè)原子連線的方向就是碳原子4 根化學(xué)鍵的方向。這樣，每2 根鍵之間的夾角都是109.5 度，所以任意2 根化學(xué)鍵都不在一條直線上。

這4 根化學(xué)鍵中，一根連上一個(gè)氨基（-NH2），一根連上一個(gè)羧基（-COOH，其中的2 個(gè)氧原子都與碳原子相連，其中一個(gè)氧原子還與一個(gè)氫原子相連），第3 根連上一個(gè)功能基團(tuán)，第4 根連上一個(gè)氫原子。一個(gè)氨基酸分子上的氨基和另一個(gè)氨基酸分子上的羧基可彼此反應(yīng)，脫掉一個(gè)水分子而連到一起，形成“肽鍵”（peptide bond，-CONH-，其中的氧原子只與碳原子相連，氫原子只與氮原子相連）。多個(gè)氨基酸分子這樣線性相連，就形成“肽鏈”（peptide）。第3 條化學(xué)鍵所連的功能基團(tuán)不參與肽鏈的形成，朝向一側(cè)伸出，像長(zhǎng)繩子上橫向伸出的短繩子，成為“側(cè)鏈”。肽鏈卷曲成為最后功能狀態(tài)的形狀，就是通常所說(shuō)的 “蛋白質(zhì)”（protein）。

在分子中，以單鍵相連的2 個(gè)原子是可以彼此轉(zhuǎn)動(dòng)的，就像被一根牙簽穿在兩頭的2 個(gè)塑料球；而以雙鍵相連的2 個(gè)原子則不能相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，就像2 個(gè)塑料球被2 根牙簽穿在一起。肽鍵中的碳-氮鍵，看似單鍵，其實(shí)由于氮原子上的一對(duì)“未共用電子”和碳-氧雙鍵中的π 電子部分重疊，所以這個(gè)碳-氮鍵具有部分雙鍵性質(zhì)，是不能轉(zhuǎn)動(dòng)的；肽鍵中的4 個(gè)原子也都位于同一個(gè)平面上，相對(duì)位置無(wú)法改變，像一個(gè)剛性的“片”。而α-碳原子與羧基中的碳原子之間的化學(xué)鍵，以及α-碳原子與氨基中的氮原子之間的化學(xué)鍵，是“真正”的單鍵，所以與α-碳原子相連的羧基碳原子和氨基氮原子是可以轉(zhuǎn)動(dòng)的，并且?guī)еc它們相連的分子部分一起轉(zhuǎn)動(dòng)。再加上這2 條化學(xué)鍵不在一條直線上，使得肽鏈的形狀得以改變。這是肽鏈能夠改變形狀的原因，也使得線性的蛋白質(zhì)分子“卷”成特定的三維結(jié)構(gòu)成為可能。在生物化學(xué)中，“卷”的專業(yè)名詞是“折疊”（fold）。

肽鏈改變形狀的機(jī)制清楚了，現(xiàn)在的問(wèn)題是，肽鏈?zhǔn)窃鯓诱郫B成具有一定三維結(jié)構(gòu)的分子的？這是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，因?yàn)闋可娴牧ψ饔命c(diǎn)數(shù)量太多，就連目前世界上功能最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)都無(wú)法加以模擬，但是可以形象地加以描述。肽鏈折疊的過(guò)程，總的來(lái)說(shuō)就是分子內(nèi)的電荷彼此相互作用，包括肽鍵上的電荷和側(cè)鏈上的電荷，以及這些電荷與環(huán)境中分子相互作用的結(jié)果。

肽鍵上的氧原子和氮原子都是“電負(fù)性”（獲取電子的能力）比較強(qiáng)的原子，能從與它們相連（即共享電子）的原子上多得一些電子，因此帶部分負(fù)電，所以在肽鍵（-CO-NH-）中，氧原子和氮原子都帶部分負(fù)電，而與氮原子相連的氫原子則帶部分正電。這樣，一個(gè)肽鍵上的氧原子就可以與同一條肽鏈中的另一個(gè)肽鍵上的氫原子彼此通過(guò)電荷相互吸引，形成“氫鍵”（hydrogen bond）。氫鍵不是共價(jià)鍵，但卻是分子之間或分子內(nèi)不同部分相互作用的重要力量。

一條肽鏈含有許多肽鍵，但不是任何2 個(gè)肽鏈之間都可形成氫鍵。α-碳原子上的化學(xué)鍵也不是可以任意角度旋轉(zhuǎn)，帶有側(cè)鏈的氨基酸會(huì)在一些角度構(gòu)成空間障礙，這樣相鄰或相距太近的肽鍵之間就無(wú)法形成氫鍵。在肽鍵之間“舒服地”形成比較穩(wěn)定的氫鍵主要有2 種方式。一種是肽鏈卷成右旋的螺旋狀，每個(gè)肽鍵上的氧原子和相隔2 個(gè)（即第3 位）的肽鍵上的氫原子形成氫鍵。這樣每3.6 個(gè)氨基酸單位繞一圈，形成所謂的“α-螺旋”（α-helix）。這個(gè)螺旋總體看就像一根“圓棍”，側(cè)鏈從圓棍上伸出，好像樹(shù)干每3.6 圈長(zhǎng)出一片樹(shù)葉。α-螺旋是蛋白質(zhì)分子中最重要的基本結(jié)構(gòu)之一，它上面伸出的側(cè)鏈的性質(zhì)決了這段螺旋的親水性和親脂性，例如蛋白分子穿越細(xì)胞膜就是通過(guò)親脂的α-螺旋實(shí)現(xiàn)的。

另一種在肽鍵之間形成氫鍵的方式不是肽鏈卷成螺旋狀，而是肽鏈中的一些片段伸直，在這些伸直的片段之間的肽鏈則彎曲，將這些伸直的片段平行地排列在一起（想象一根繩子在地板上來(lái)回彎曲，形成多條平行的伸直部分）。肽鏈像曲別針那樣直接拐彎回來(lái)，形成的2 根伸直的肽鏈片段方向是相反的，但是相鄰的肽鏈片段也可以是同方向的，這就需要中間的肽鏈部分不是簡(jiǎn)單地折回來(lái)，而是要在空中“繞一圈”。這樣，一根伸直肽鏈片段上的肽鍵就可以與相鄰的、 同樣是伸直的肽鏈片段上的肽鍵形成氫鍵。多條這樣彼此以氫鍵相連的伸展肽鏈節(jié)段就會(huì)形成一個(gè)大致的平面，就像幾根筷子排在一起可以構(gòu)成一個(gè)平面。說(shuō)是“大致”，是因?yàn)樘荚影l(fā)出的4 根化學(xué)鍵不在一個(gè)平面上，肽鏈上的原子不可能都在一個(gè)平面上，所以肽鏈不可能完全伸直，而是有“皺褶”。多個(gè)伸直的肽鏈片段也不一定都在一個(gè)平面上，而是可以彼此之間方向有小的轉(zhuǎn)動(dòng)，形成扭轉(zhuǎn)的平面； 也可以兩邊的肽鏈片段抬高，形成卷曲的平面。這樣形成的結(jié)構(gòu)叫做“β-折疊”（β-sheet），是蛋白質(zhì)分子中另一個(gè)重要的基本結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是α－螺旋像“棍”，而β-折疊像“片”。

還有一些肽鏈部分既不在α-螺旋中，也不在β-折疊中，肽鍵的結(jié)構(gòu)常常是無(wú)定形的。所以蛋白質(zhì)分子中肽鏈的形狀可分為3 類：①在α-螺旋中的；②在β-折疊中的；③不在以上2 種結(jié)構(gòu)中的。這3 種結(jié)構(gòu)有自各的空間排布形式，在不同方向上的光學(xué)性質(zhì)也不一樣，對(duì)左旋圓偏振光和右旋圓偏振光的吸收程度不同，稱為“圓二色性”（circular dichroism，CD）。通過(guò)測(cè)定蛋白物質(zhì)的圓二色性，即可知道其中α-螺旋和β-折疊的含量。

除了肽鍵，許多側(cè)鏈也是帶電的，例如谷氨酸和天冬氨酸的側(cè)鏈因?yàn)橛恤然?，所以帶?fù)電；賴氨酸、 精氨酸和組氨酸的側(cè)鏈上還有氮原子，帶正電。絲氨酸的側(cè)鏈上有羥基（-OH），半胱氨酸的側(cè)鏈上有巰基（-SH），其上的氫原子都帶一些正電。這些電荷也會(huì)彼此作用，以及與肽鍵上的電荷相互作用，影響肽鏈最后形成的形狀。

除了分子內(nèi)電荷的相互作用，蛋白質(zhì)分子是溶在水中的，而水分子是帶電的分子，其中的氧原子帶部分負(fù)電，2 個(gè)氫原子帶部分正電。不僅水分子之間可以形成氫鍵（這也是水的沸點(diǎn)如此之高的原因），水分子和蛋白質(zhì)中帶電的部分也會(huì)形成氫鍵；水中溶解的帶電離子，包括鉀、鈉等正離子和氯、碳酸根等負(fù)離子，也會(huì)與蛋白質(zhì)分子上的電荷相互作用，從而影響肽鏈的折疊過(guò)程。

有些氨基酸的側(cè)鏈?zhǔn)遣粠щ姷模绫彼?、亮氨酸和異亮氨酸的?cè)鏈完全由碳原子和氫原子組成，無(wú)論是碳原子還是氫原子都不帶電。這些側(cè)鏈無(wú)法與水分子之間形成氫鍵，若突進(jìn)水分子之間又會(huì)破壞水分子之間的氫鍵，在能量上是不利的，所以這些“憎水”的側(cè)鏈往往被水環(huán)境排斥，位于分子的內(nèi)部，以避開(kāi)與水分子的接觸，形成蛋白質(zhì)分子的“油性內(nèi)核”。

所有這些相互作用都會(huì)影響肽鏈的折疊，所以蛋白質(zhì)分子的折疊是一個(gè)極為復(fù)雜的過(guò)程，肽鏈可以采取的形狀的數(shù)量也是天文數(shù)字。如果蛋白質(zhì)分子隨機(jī)地嘗試所有這些形狀，即使有億萬(wàn)年的時(shí)間也不夠，但是在細(xì)胞內(nèi)，肽鏈在合成后不到1 s 的時(shí)間就完成折疊過(guò)程，這又是如何實(shí)現(xiàn)的？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是遵循最低能量法則，即將肽鏈折疊到能量最低、也最穩(wěn)定的形狀。肽鏈在伸展?fàn)顟B(tài)時(shí)，許多氫鍵都沒(méi)有形成，相當(dāng)于儲(chǔ)存了許多“勢(shì)能”，就像位于高處的石頭，很容易向較低的地方滾動(dòng)。氫鍵的形成逐步釋放出這些能量，相當(dāng)于石頭逐漸滾下山坡，最后到達(dá)位置最低處。在蛋白的氨基酸序列里就包含有信息，折疊從一些局部開(kāi)始，最后擴(kuò)展到整個(gè)分子。

由于折疊過(guò)程的復(fù)雜性，走向能量較低狀態(tài)的路徑也許不只一條，相當(dāng)于山頂上的石頭可從不同的路徑滾下山坡，而且還有比較低、但不是最低的地方“等著”它，所以石頭不一定能夠到達(dá)最低的地方。

環(huán)境條件的變化，例如溫度、酸堿度、鹽濃度、其他分子的存在狀況等，都可能影響蛋白的折疊過(guò)程。許多肽鏈在合成尚未完成時(shí)就開(kāi)始折疊，由于缺乏整體的信息，由部分肽鏈折疊成的形狀也許是不正確的。

基因突變也可能影響蛋白的折疊。如果基因突變改變了蛋白質(zhì)分子中與折疊有重要關(guān)系的一個(gè)或多個(gè)氨基酸，就會(huì)使蛋白尋求另一種最低能量狀態(tài)，即不能再折疊成正常蛋白的形狀了。最著名的例子是鐮刀形紅血球貧血癥（Sickle-cell anaemia，SCA）。患者血紅蛋白β-亞基的基因中發(fā)生了突變，一個(gè)堿基從A 變成了T，使得第6 位的谷氨酸殘基（由GAG 編碼）被纈氨酸殘基（由GTG 編碼）取代。由于谷氨酸殘基的側(cè)鏈?zhǔn)菐ж?fù)電的，而纈氨酸殘基的側(cè)鏈不帶電，這一個(gè)電荷的變化就影響了蛋白質(zhì)分子中電荷相互作用的情形，使得變異的蛋白質(zhì)形狀改變，紅血球也從碟形變?yōu)殓牭缎?，且不能有效地輸送氧氣?/p>

蛋白在細(xì)胞中濃度過(guò)高也會(huì)引起折疊變化。許多功能蛋白復(fù)合物含有多個(gè)蛋白亞基，這就要求每個(gè)亞基在細(xì)胞中生產(chǎn)的數(shù)量必須彼此匹配。如果某個(gè)亞基生產(chǎn)過(guò)多，這個(gè)亞基“找不到”復(fù)合物中其他的亞基，只能自己?jiǎn)为?dú)存在，而這種狀態(tài)是不穩(wěn)定的，也會(huì)導(dǎo)致異常的折疊狀況。

抗體分子由重鏈和輕鏈2 種蛋白質(zhì)組成。為了對(duì)數(shù)量巨大的外來(lái)物質(zhì)產(chǎn)生結(jié)合力，抗體蛋白的可變部分（即用于結(jié)合外來(lái)物質(zhì)的部分）是由DNA 小片段隨機(jī)組合而成的序列編碼的。這種機(jī)制能從有限數(shù)量的DNA 片段產(chǎn)生數(shù)量極為巨大的DNA 序列，是生物的“聰明”之處，但是這種機(jī)制也有問(wèn)題，即有時(shí)產(chǎn)生的重鏈和輕鏈非常容易轉(zhuǎn)變?yōu)镻rion 型的結(jié)構(gòu)。

即使蛋白分子折疊成為正確的形狀，也是容易改變的。氫鍵的鍵能一般不超出10 kcal/mol，遠(yuǎn)低于共價(jià)鍵的每摩爾近百到幾百千卡，而和室溫下分子的動(dòng)能在一個(gè)級(jí)別上，因此溫度升高會(huì)使氫鍵破裂，即氫鍵會(huì)因周圍分子的碰撞而被“撞斷”，因此隨著溫度的升高，蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性也降低。雞蛋被煮后蛋清凝固變白就是高溫使蛋白中的氫鍵破裂，肽鏈伸開(kāi)互相纏繞的緣故，這個(gè)過(guò)程稱為蛋白質(zhì)的“變性”（denaturation）。

由于這些原因，新合成的肽鏈中，平均有約30%不能折疊成為正確的形狀，已折疊好的蛋白質(zhì)分子也有可能變性。為應(yīng)付這種情況，細(xì)胞發(fā)展出了多種機(jī)制以減少和清除折疊錯(cuò)誤的蛋白。

一種機(jī)制是細(xì)胞發(fā)展出的“伴侶蛋白”（chaperones），它們結(jié)合在尚未完成的肽鏈上，防止蛋白質(zhì)分子過(guò)早折疊，并幫助蛋白質(zhì)分子折疊成為正確的形狀。這些蛋白也能減少溫度升高時(shí)蛋白質(zhì)的變性，在細(xì)胞遇到熱沖擊時(shí)會(huì)增加這些伴侶蛋白的量，所以這些蛋白又稱為“熱休克蛋白”（heat-shock protein，hsp），例如hsp70，hsp90、hsp104 等，其中的數(shù)字表示這些蛋白的分子量（kDa，即千道爾頓）。

若蛋白分子已經(jīng)折疊錯(cuò)誤并不可挽回時(shí)，唯一的辦法就是清除它們。細(xì)胞質(zhì)內(nèi)是不能有降解蛋白分子的蛋白酶的，不然正常的蛋白分子也會(huì)被降解。細(xì)胞采取的辦法是將這些異常蛋白質(zhì)在蛋白體（proteosome）中降解，或者在細(xì)胞中的“胃”——溶酶體（lysosome）中降解。

蛋白體是由多個(gè)蛋白亞基組成的圓筒形結(jié)構(gòu)，中段的內(nèi)面有蛋白酶活性，可將進(jìn)入筒內(nèi)的蛋白質(zhì)（以伸展開(kāi)的肽鏈的形式）水解為氨基酸。由于蛋白酶的活性位于圓筒內(nèi)面，對(duì)圓筒外的蛋白質(zhì)不會(huì)有影響。為了只讓要被清除的蛋白進(jìn)入蛋白體，細(xì)胞將需銷毀的蛋白分子都打上“標(biāo)簽”，這個(gè)“標(biāo)簽”也是一種蛋白質(zhì)分子，由于在各個(gè)細(xì)胞中廣泛存在，稱為“泛素”（ubiquitin）。只有被泛素標(biāo)記的蛋白質(zhì)才能被蛋白體識(shí)別并讓其進(jìn)入。

折疊錯(cuò)誤的蛋白常彼此結(jié)合，聚合成為較大的“團(tuán)塊”或成纖維狀。這些聚集的蛋白即使被打上“泛素”的標(biāo)簽，也由于其體積太大而使蛋白體“啃”不動(dòng)它們。這時(shí)細(xì)胞就會(huì)啟動(dòng)另一種功能，即“自噬”（autophagy），細(xì)胞質(zhì)內(nèi)形成半球形的膜，像張開(kāi)的“嘴”，將一部分細(xì)胞內(nèi)容物，包括蛋白凝聚物，甚至一些細(xì)胞器如線粒體，都“吞”進(jìn)去，形成完全由膜包裹的“自噬體”（autophagosome），自噬體和溶酶體融合，自噬體中的內(nèi)容物就進(jìn)入溶酶體，在那里被消化。

若折疊異常的蛋白在細(xì)胞外凝聚，細(xì)胞就不易將其清除。瘋牛病的Prion 蛋白和引起老年癡呆癥的Aβ 蛋白（見(jiàn)后文）都是在神經(jīng)細(xì)胞外形成聚合物和斑塊的，細(xì)胞不能有效地清除它們，最后導(dǎo)致細(xì)胞的死亡。即使是在細(xì)胞內(nèi)，在有些情況下，細(xì)胞也無(wú)法清除它們。因此，即使細(xì)胞有多種機(jī)制用于防止蛋白折疊異常和清除折疊異常的蛋白質(zhì)，在有些情況下，折疊異常的蛋白質(zhì)還是會(huì)出現(xiàn)，并在細(xì)胞外或細(xì)胞內(nèi)留存、積累，從而導(dǎo)致疾病。

1.4 傳染性蛋白的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和傳染性的由來(lái)蛋白分子發(fā)生異常折疊后，分子的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，其中最重要的是原來(lái)的α-螺旋和無(wú)定形的肽鏈部分轉(zhuǎn)變?yōu)棣?折疊。例如“正?！钡腜rion 蛋白（PrPc）中含有大約40%的α-螺旋，而幾乎沒(méi)有β-折疊。而在引起癢羊病的Prion 蛋白（PrPsc）中，卻有45%的肽鏈部分在β-折疊中。

不僅如此，PrPsc中的β-折疊還會(huì)作為模板，“誘使”PrPc蛋白也形成同樣的β-折疊，即變成PrPsc的分子結(jié)構(gòu)。換句話說(shuō)，PrPsc蛋白有以自身為模板，以PrPc為原料，“復(fù)制”自己的能力。這正是這種形式的蛋白質(zhì)具有傳染性的原因。即使到了新的動(dòng)物體內(nèi)，它也能將該動(dòng)物的PrPc改變成為PrPsc，即在新的動(dòng)物中復(fù)制自己。

如果PrPsc復(fù)制自己后仍停留在單分子狀態(tài)，則沒(méi)有毒性，最多使得PrPc的數(shù)量減少，相當(dāng)于使PrPc的功能減弱或消失。但是PrPsc分子并不停留在這一步，而是多個(gè)PrPsc分子還會(huì)通過(guò)β-折疊一層層地疊加，形成細(xì)長(zhǎng)的纖維狀結(jié)構(gòu)，稱為“小纖維”（fibril）。這樣的結(jié)構(gòu)就可以具有毒性，導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞的壞死。用聚合程度不同的PrPsc聚合物感染豚鼠的大腦，發(fā)現(xiàn)含有14~28 個(gè)PrPsc分子的小纖維，即聚合程度尚不高的小纖維，毒性最強(qiáng)，但其殺死神經(jīng)細(xì)胞的機(jī)制尚不清楚。

用電鏡觀察這些小纖維，發(fā)現(xiàn)其直徑在10 nm左右，不分支。新的PrPsc分子加在小纖維的頂端，使小纖維不斷延長(zhǎng)，因此觀察到的小纖維長(zhǎng)度不一。在小纖維中，β-折疊中肽鏈的方向是與纖維的長(zhǎng)軸相互垂直的，稱為“橫向”的β-折疊（cross β-sheet），即小纖維是由β-折疊的“片”一層層地疊加而成的，就像盤子可以疊起來(lái)，形成一大摞盤子一樣。這樣形成的結(jié)構(gòu)極為穩(wěn)定，不易被蛋白酶水解，且能耐受高溫處理。這是食用受瘋牛病感染的牛肉，即使經(jīng)過(guò)充分的烹煮或燒烤，也會(huì)被傳染上疾病的原因。

這樣的結(jié)構(gòu)可用染料“剛果紅”（Congo Red）染成磚紅色。在結(jié)合到Prion 型的肽鏈結(jié)構(gòu)時(shí)，剛果紅在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的吸收峰會(huì)向波長(zhǎng)更長(zhǎng)的方向移動(dòng)，從剛果紅自身的480 nm 變?yōu)殚L(zhǎng)于500 nm。此性質(zhì)可用于鑒定Prion 型的蛋白結(jié)構(gòu)。由于小纖維中β-折疊具有方向性，對(duì)偏振光的吸收率隨方向而不同，被剛果紅染過(guò)的PrPsc蛋白在偏振光顯微鏡中呈蘋果綠色，稱為“雙折射”（birefringence）現(xiàn)象，這是鑒定傳染性蛋白的另一個(gè)特征性指標(biāo)。還有一種染色辦法是用硫黃素T （Thioflavin T，ThT）。它在結(jié)合到傳染性蛋白上后熒光強(qiáng)度會(huì)增加，且發(fā)出的熒光峰值有紅移現(xiàn)象，即發(fā)射光譜的波長(zhǎng)變長(zhǎng)，從445 nm 移到482 nm，由此可作為另一個(gè)鑒定Prion 型蛋白的指標(biāo)。

同樣是β-折疊，為什么多數(shù)蛋白的β-折疊并不引起蛋白分子聚集為小纖維，也不引起疾病，而傳染性蛋白卻能通過(guò)它們的β-折疊聚合成小纖維，引起疾??？ 2017年，德國(guó)科學(xué)家用冷凍電鏡成像技術(shù)（cryo-electron microscopy）測(cè)定了引起老年癡呆癥的Aβ 纖維的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，找到了問(wèn)題的答案。在“正?！钡牡鞍追肿又校?折疊的“片”通常被α－螺旋的“棍”隔開(kāi)，彼此不能接觸，所以“正?！钡牡鞍追肿又袥](méi)有β－折疊的“片”疊加在一起的情形。這些β-折疊的“片”通過(guò)它們氨基酸殘基的側(cè)鏈與肽鏈的其他部分，以及溶液中的分子彼此相互作用，保持蛋白分子大致球形的形狀。在這樣的蛋白分子中，親脂的側(cè)鏈位于分子內(nèi)部，不與外界的水接觸，親水的側(cè)鏈則位于分子表面，與水“親密接觸”，形成內(nèi)部是“油性”，外部是“水性”的分子結(jié)構(gòu)，即所謂的“油滴”模型。而在傳染性蛋白中，β-折疊“片”的中心部分是親脂的，即這些部分的許多氨基酸殘基的側(cè)鏈?zhǔn)遣粠щ姷?，而“片”的周圍是親水的，形成的不是“中心油滴”，而是“中心油片”。由于片內(nèi)油性的中心不像“油滴”分子那樣是被親水的外部完全包裹、彼此隔絕的，而只是在平面的周圍被親水部分圍繞，在上、下兩面仍然是暴露于水溶液的。這是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，再加之這樣的“中心油片”之間沒(méi)有α－螺旋“棍”的阻擋，所以這樣的“片”能疊在一起，中心部分通過(guò)它們親脂的側(cè)鏈相互作用，周圍部分通過(guò)親水的側(cè)鏈相作用，導(dǎo)致“片”的疊加，形成不分支的小纖維。這些小纖維的中心部分是親脂的，周圍則是親水的，所以不是被親水部分包裹的“油滴”，而是被親水部分包裹的“油棍”。這是比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。與“油滴”結(jié)構(gòu)是彼此獨(dú)立的情形不同，這種“片”的疊加是沒(méi)有終點(diǎn)的，每個(gè)肽鏈形成的“片”都可無(wú)限制地疊加在已形成的小纖維末端，形成越來(lái)越長(zhǎng)的纖維。

這樣的結(jié)構(gòu)有些像DNA 的雙螺旋，親脂的堿基在內(nèi)部，彼此疊加在一起，親水的磷酸-核糖鍵在外部。Aβ 蛋白形成的小纖維甚至也是“雙螺旋”，每一層由2 條Aβ 肽鏈組成，它們各自形成的一個(gè)β-折疊“片”，2 片通過(guò)離子鍵對(duì)在一起，成為小纖維中的一層，且整條纖維也呈一定的螺旋結(jié)構(gòu)，但不是α－螺旋，而是更大尺度上的螺旋。

許多蛋白質(zhì)都含有容易變?yōu)棣?折疊的肽鏈部分，若將這些部分從分子中游離出來(lái)（例如引起老年癡呆癥的Aβ 片段從它的前體蛋白APP中游離出來(lái)，見(jiàn)后文），除去那些可形成α－螺旋的肽鏈部分，且這樣形成的β-折疊片是“中間油性周圍水性”的，就可以形成β-折疊片疊加的情形?；蛲蛔円部梢愿淖兊鞍追肿拥恼郫B方式，在不刪除肽鏈其余部分的情況下，也可以形成可疊加的β-折疊片。這樣形成的小纖維由同樣的基本原理形成，但具體結(jié)構(gòu)卻隨肽鏈的不同而異，沉積的位置不同，引起的疾病也不相同，導(dǎo)致一大類蛋白分子因“折疊錯(cuò)誤”而引起的疾病，因其都與傳染性蛋白形成“淀粉樣”的沉積有關(guān)，故統(tǒng)稱為“淀粉樣變性病”。這將在本文的第2 部分中加以介紹。

（待續(xù)）