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蛋白质是生命活动的执行者,除了催化数千种化学反应,蛋白质还在生物的身体结构、信息传递、生物防卫等方面起不可缺少的作用。不同的生理功能不仅需要不同的蛋白质,还需要蛋白质分子形成各自的结构和形状。而蛋白质分子是由不分支的肽链组成的,从新合成的肽链到具有特定三维结构和有生理功能的蛋白质,需要复杂精细的肽链折叠过程。由于各种折叠方式之间的能量差别甚小,许多因素,包括自身浓度的变化、分子中一部分肽链缺失或者延长、基因突变引起的氨基酸残基改变、环境中酸碱度改变、离子浓度变化、周围的分子环境变化等,都能够使肽链的折叠方式发生改变。肽链折叠方式改变的后果之一,就是形成特殊的b-折叠:肽链中彼此平行而又方向相反的区段以氢键联系,形成片状结构,多个分子的这种片状结构还能逐层叠加,形成纤维状的聚合物。不仅如此,这样的结构还会使“正常”的蛋白也改变折叠方式,变成和自己一样的结构,因此这些结构的蛋白质具有“传染性”,也就是能够复制自己的结构,统称“传染性蛋白”,从英文的Prion一词意译而来。在许多情况下,这种“折叠错误”的蛋白会丧失原有的生理功能,而且其聚合物对细胞有害,引起疾病,包括疯牛病、痒羊病、人类的克-雅氏病、老年痴呆、帕金森氏症、杭廷顿氏症等中枢神经系统病症。除了这些疾病,折叠错误的蛋白还可以沉积在身体各处,引起各式各样的“淀粉样变性病”(Amyloidosis)。另一方面,Prion型的蛋白由于其稳定性和特殊结构,又可以获得新的生理功能,在生物材料的建造,物质储存、作为黑色素和牙釉合成时的模板、动物的长期记忆、以及免疫系统的信息传输中发挥重要作用,即一些传染性蛋白也能够发挥正常的,甚至不可替代的生理功能。本文以三个部分分别介绍传染性蛋白被发现的历史和形成机制、传染性蛋白所引起的疾病(负面),以及传染性蛋白执行的正常生理功能(正面)。
1958年,DNA双螺旋结构的发现者之一的佛朗西斯·克里克(Francis Crick)提出了分子生物学中的“中心法则”(The central dogmaof molecular biology)。按照这个法则,信息在生物大分子之间的流动是有方向性的:DNA(脱氧核糖核酸)分子中储存的信息可以经过mRNA(信使核糖核酸)流向蛋白质分子,RNA(核糖核酸,包括信使核糖核酸)中的信息也可以反向传递回DNA,但是储存在蛋白质分子中的信息却不能反向传回RNA或者DNA,也不能传给其它蛋白分子。这几句话比较抽象,下面具体“翻译”一下。
DNA(deoxynucleic acid,其中下面带横线的字母被用于缩写中)是由四种脱氧核苷酸线性相连组成的生物大分子,这四种脱氧核苷酸叫做脱氧腺苷酸、脱氧鸟苷酸、脱氧胞苷酸和脱氧胸苷酸,分别用英文字母A、G、C、T代表。“脱氧”(deoxy)不是说这些核苷酸分子中没有氧原子,而是这些核苷酸的组成成分之一的核糖中,一个羟基(-OH)被氢原(-H)子取代,所以少一个氧原子。这四种脱氧核苷酸在DNA中的排列顺序(即序列)就是DNA储存信息的方式,类似于英文用26个字母按一定顺序排列写出含有信息的文章。在这些信息中,一种是为蛋白质中的氨基酸序列编码的,每三个核苷酸序列对应一种氨基酸,例如GAT对应天冬氨酸,GAA对应谷氨酸,AGA对应精氨酸,CAC对应组氨酸等,叫做为蛋白编码的“三连码”(triplet code)。这些信息在基因表达(即信息输出时)时先转录(transcription,意思是“信息转抄”)在mRNA上,即以DNA为模板合成mRNA。被合成的mRNA分子和模板DNA分子有相同的序列,包括为蛋白编码的三联码,只是脱氧胸苷酸T变成了尿苷酸U,脱氧核糖变成了核糖。合成的mRNA分子再作为DNA的“替身”,在核糖体中指导蛋白质分子的合成,核糖体按照mRNA分子中三联码出现的顺序,把对应的氨基酸依次加上,蛋白质就被合成了。这个过程叫做“转译”(translation),意思是核苷酸序列中存储的信息到这一步才被“翻译”为蛋白分子中的氨基酸序列。
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