研究人员发现一种异常蛋白质的异常玻璃态行为

当加州大学圣塔芭芭拉分校的材料科学家奥马尔·萨利赫(Omar Saleh)和研究生伊恩·摩根(Ian Morgan)试图了解实验室中无序蛋白的力学行为时，他们希望拉伸后，一种特定的模型蛋白会像橡皮筋一样瞬间回弹。

取而代之的是，这种无序的蛋白质缓慢地放松了，花了数十分钟才能放松成它的原始形状，这种行为违背了预期，暗示了一种内部结构，人们一直认为这种结构已经存在，但是很难证明。

“ 放松的速度很重要，因为它使我们对蛋白质的结构组织有了一定的了解，”主要作者摩根说，他在《物理评论快报》上发表了一篇论文。“这很重要，因为蛋白质的结构组织通常与其生物学功能有关。”

具有固定“折叠”的蛋白质(定义明确的三维结构)与其功能相关，而具有不稳定结构的无序蛋白质则从其动力学中获取其功能。

摩根说：“超过40%的人类蛋白质至少部分展开，它们通常与关键的生物学过程以及使人衰弱的疾病有关。”

缓慢的松弛实际上是折叠蛋白质通常保留的行为。

“在1980年代，人们发现折叠的蛋白质表现出缓慢的松弛，”摩根说，这是玻璃所特有的行为。玻璃是一类既不是真正的液态也不是结晶固态的材料，但是可以表现出两种状态的特征。

“我们已经对折叠蛋白进行了很长时间的研究，并为折叠蛋白开发了很多很好的工具，因此很快就发现缓慢的松弛可以用一种机制来解释，即“沮丧的”分子试图使自身适合于蛋白质。很小的空间，”摩根说-一种称为“干扰”的机制。“这一解释帮助我们更好地理解了折叠蛋白的结构，并解释了许多其他系统中的玻璃态行为。”

但是，研究人员试图通过一种称为磁力镊子的装置拉伸的蛋白质是一种无序的蛋白质。萨利赫说，按照定义，它并不是试图将许多分子堆积在一个狭小的空间内，因此它不应该遇到干扰问题。

摩根说：“因此，当我们观察到缓慢的松弛时，要么意味着我们对蛋白质的定义是错误的，要么必须存在另一种机制。”

此外，研究人员发现，通过使拉伸的蛋白质放松，然后在其没有完全松弛的机会之前以较小的力将其再次拉伸，研究人员发现该蛋白质“记住”了其先前的拉伸-如预期的那样，以更大的力开始伸长，但最终缓慢用更少的力再次放松，如预期的那样，然后随时间慢慢放松。摩根解释说，从概念上讲，蛋白质伸展的时间越长，放松所花费的时间就越长，因此它“记住”了被拉动的时间。

为了解释这些出乎意料的玻璃状行为，研究人员从一些相当平凡的物体中汲取了灵感：弄皱的纸和记忆泡沫。两种结构无序的系统，在受到力后都表现出相似的缓慢，对数松弛，特别是在泡沫的情况下，具有“记忆”效应。

对于研究人员而言，这些行为表明，像记忆泡沫和弄皱的纸一样，蛋白质的内部结构也不是单个固定单元之一，而是对强度和弱点具有一定强度范围的几种独立子结构之一沿不同的时间长度施加在材料上的力的范围。例如，坚固的结构在被拉开之前可能会承受一定的应变，并且是第一个松弛的结构，而坚固的结构将以较小的力拉伸并需要更长的松弛时间。

基于这种多重亚结构的概念并得到实验数据的证实，研究人员确定该蛋白质的对数弛豫速率与拉伸力成反比。

Saleh解释说：“ 施加于无序蛋白质的拉伸力越强，在相同的时间内蛋白质松弛的程度就越大。”

摩根说：“具有类似结构安排的机械无序系统往往非常耐用。” “它们还具有不同的机械性能，具体取决于您对它们施加的拉力和压缩程度。这使它们非常灵活，具体取决于力的大小和频率。” 摩根说，了解这种适应能力背后的结构可以为将来的动态材料打开大门，就像大脑一样，可以帮助他们过滤掉不重要的信息，并使它们更有效地存储重复的刺激。

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