蛋白质在缺氧时折叠

蛋白质通常由成百上千个独立的部分组成，即氨基酸。它们像链条上的链环一样连接在一起。然而，蛋白质分子不能像长丝一样来回摆动。因此，每一件作品在创作过程中都以自己独特的方式折叠起来。对于从细胞外释放或运输到细胞内储存的蛋白质，这种折叠发生在细胞的一个特定位置:内质网(ER)。这里，在蛋白质折叠过程中相互靠近的部分链也可以在特定的点上连接在一起。这可以防止球散开，并保持其功能形状。

这种联系是通过一种机制建立的，许多人在完全不同的环境中都很熟悉——在发廊。那是因为它被用于烫发，以保持头发的形状。为此，在卷发器上涂上某些化学物质。它们确保在相邻的毛发蛋白之间形成被称为二硫键的化学键。波恩大学作物科学与资源保护研究所(INRES)的Andreas Meyer教授解释说:“在蛋白质折叠过程中，连接相邻亚链的二硫桥也在蛋白质丝的某些点形成。”

分子“桶线”向前传递电子  

化学上，这个过程是一种氧化:这是因为某些氨基酸含有结合的硫化氢(化学上:S-H)。如果两个这样的氨基酸在灯丝折叠过程中彼此靠近，其中一个氨基酸从它们的S-H基团中分离出氢(H)，就会形成二硫化物桥(化学名称:S-S)。在这个过程中，从两个原始的S-H键中分别去掉一个电子。这是通过某些蛋白质对电子施加精确匹配的“牵引力”来完成的。然而，移除的电子必须被引导出这个环境，否则它们会造成破坏。

当发生火灾时，人们有时会排成一排，把满桶的水从一个人传递给另一个人。在植物中也有类似的情况:被移除的电子通过支持蛋白质链传递，最终被处理掉。为了实现这一目标，这条链上的每一个蛋白质都需要更多的牵引力——在研究中，这也被称为氧化还原电位。梅耶解释说:“这些过程原则上可以从机械上理解。”“然而，活细胞中的氧化还原电位到底有多大，整个反应链是如何动态工作的，都是未知的。”

但牵引力的程度对于蛋白质折叠产生预期结果至关重要:如果牵引力太大，太多的S-H基团会被氧化。然后氨基酸球被连接在错误的地方，并没有采取正确的形状。相反，过低的氧化还原电位导致稳定性不足，因为形成的二硫桥太少。

迈耶的合作者José Manuel Ugalde说:“我们现在已经开发了一种方法来测量活细胞内质网中一个分子的氧化还原电位。”“由于氧化还原电位会随着时间的推移而变化，我们在几个小时的时间里每隔三分钟做一次。”测量是用一种传感器蛋白进行的，当激光照射时，该传感器蛋白本身会发出光，即荧光。发射的光强度取决于被测分子的氧化还原电位。研究人员专注于“桶线”的最后一个环节，ER氧化还原素(EROs)。它们把从蛋白质上抢来的电子转移到氧上，从而把它们处理掉。

牵引力不及预期  

来自Münster和Bonn的组使用拟南芥作为实验植物。它有两个稍微不同的EROs，它们的构建指令在两个不同的基因上。迈耶解释说:“我们能够证明，EROs对电子施加的牵引力比之前认为的要小得多。”“所以整个链条的校准方式可能不同。”

EROs需要氧气来摆脱电子。然而，当发生内涝时——例如，由于过度浇水或在农田洪水之后——部分植物缺氧。在这些条件下，EROs似乎可以调整桶线中的氧化还原电位，以一种允许二硫桥形成继续进行的方式，尽管速度有所降低。这意味着这种植物即使在缺氧的环境下也能生长。为了更详细地研究这种影响，研究人员完全关闭了其中一个ERO基因，并使另一个显著地更不活跃。因此，植物对缺氧和其他类型的减少胁迫更加敏感。例如，它的增长非常缓慢。“然而，在这些条件下，蛋白质折叠仍然有效，至少部分有效，”梅耶说，他也是波恩大学“可持续未来”跨学科研究领域的成员。“因此，我们假设还有第二种机制拟南芥完成内质网蛋白质中S-H残基的氧化。”

研究人员现在想要找出到底是哪一种。因此，从长远来看，他们的发现可能有助于培育出能够更好地承受短期缺氧的植物品种。随着气候变化不仅增加了干旱，而且增加了洪水，未来对这些资源的需求可能会显著增加。