蛋白质折叠漏斗(protein folding funnel)
一条刚合成的蛋白质从核糖体上下来时,是一条软塌塌、长长的链——想象一根刚从袋子里抽出来的长鞋带。这根线条不知怎地就得团成一个精确而紧凑的三维形状,而且要找得很快,常常不到一秒钟。它怎么做到不必把所有可能的形状一个一个都试过去呢?折叠漏斗就是生物学家用来解释这件事的图景。
想象一只又宽又坑坑洼洼的漏斗:未折叠的链从宽阔的漏斗口出发,而那个唯一正确的(天然)形状坐落在漏斗的最底部。漏斗壁向下倾斜,是因为当链形成有利的接触——氢键、把油腻的疏水侧链埋藏起来远离水——它的自由能就降低,从而向底部滑去。这里没有唯一固定的台阶;一千条不同的链可以从漏斗口上一千个不同的点出发,沿不同的路线滚下来,可几乎全都落到同一个低处。漏斗壁上的坑洼和侧谷,就是链途中可能停留的、半折好半卡住的状态。这正是对莱文塔尔悖论(Levinthal's paradox)的现代回答:链并不是在天文数字般多的形状里随机乱找,而是被漏斗引导着一路向下,奔向天然折叠。
漏斗是描绘能量景观的一种方式——一张地图,标出链摆成每一种可能形状时各有多少自由能。它之所以重要,是因为它把折叠重新理解为有引导的过程,而非靠运气;也因为那些侧谷解释了出错的方式:链可能陷进一个错误的深坑里(错误折叠的状态),或与邻居黏成一团,而到不了底部。漏斗是一个模型和比喻,不是一个能拍照的实物;真实的能量景观崎岖不平,连那个天然的底部本身也是一小簇不停抖动的形状,而非一尊冻住的雕像。
一种叫做胰凝乳蛋白酶抑制剂2的小蛋白质大约在千分之一秒内就折叠完成。它的不同分子沿漏斗滚下时走的路并不相同——有的先形成结构的这一部分,有的先形成另一部分——但它们最终都到达同一个形状,正如漏斗图景所预言的。
起点众多、路线众多,底部却唯一——这正是漏斗概念的精髓。
漏斗并不意味着折叠总是顺畅或必然成功。许多蛋白质,尤其是拥挤细胞中的大蛋白质,会卡在坑洼上,需要辅助蛋白(分子伴侣)才能正确折叠。