蛋白質在缺氧時折疊

蛋白質通常由成百上千個獨立的部分組成，即氨基酸。它們像鏈條上的鏈環一樣連接在一起。然而，蛋白質分子不能像長絲一樣來回擺動。因此，每一件作品在創作過程中都以自己獨特的方式折疊起來。對于從細胞外釋放或運輸到細胞內儲存的蛋白質，這種折疊發生在細胞的一個特定位置:內質網(ER)。這里，在蛋白質折疊過程中相互靠近的部分鏈也可以在特定的點上連接在一起。這可以防止球散開，并保持其功能形狀。

這種聯系是通過一種機制建立的，許多人在完全不同的環境中都很熟悉——在發廊。那是因為它被用于燙發，以保持頭發的形狀。為此，在卷發器上涂上某些化學物質。它們確保在相鄰的毛發蛋白之間形成被稱為二硫鍵的化學鍵。波恩大學作物科學與資源保護研究所(INRES)的Andreas Meyer教授解釋說:“在蛋白質折疊過程中，連接相鄰亞鏈的二硫橋也在蛋白質絲的某些點形成。”

分子“桶線”向前傳遞電子  

化學上，這個過程是一種氧化:這是因為某些氨基酸含有結合的硫化氫(化學上:S-H)。如果兩個這樣的氨基酸在燈絲折疊過程中彼此靠近，其中一個氨基酸從它們的S-H基團中分離出氫(H)，就會形成二硫化物橋(化學名稱:S-S)。在這個過程中，從兩個原始的S-H鍵中分別去掉一個電子。這是通過某些蛋白質對電子施加精確匹配的“牽引力”來完成的。然而，移除的電子必須被引導出這個環境，否則它們會造成破壞。

當發生火災時，人們有時會排成一排，把滿桶的水從一個人傳遞給另一個人。在植物中也有類似的情況:被移除的電子通過支持蛋白質鏈傳遞，最終被處理掉。為了實現這一目標，這條鏈上的每一個蛋白質都需要更多的牽引力——在研究中，這也被稱為氧化還原電位。梅耶解釋說:“這些過程原則上可以從機械上理解。”“然而，活細胞中的氧化還原電位到底有多大，整個反應鏈是如何動態工作的，都是未知的。”

但牽引力的程度對于蛋白質折疊產生預期結果至關重要:如果牽引力太大，太多的S-H基團會被氧化。然后氨基酸球被連接在錯誤的地方，并沒有采取正確的形狀。相反，過低的氧化還原電位導致穩定性不足，因為形成的二硫橋太少。

邁耶的合作者José Manuel Ugalde說:“我們現在已經開發了一種方法來測量活細胞內質網中一個分子的氧化還原電位。”“由于氧化還原電位會隨著時間的推移而變化，我們在幾個小時的時間里每隔三分鐘做一次。”測量是用一種傳感器蛋白進行的，當激光照射時，該傳感器蛋白本身會發出光，即熒光。發射的光強度取決于被測分子的氧化還原電位。研究人員專注于“桶線”的最后一個環節，ER氧化還原素(EROs)。它們把從蛋白質上搶來的電子轉移到氧上，從而把它們處理掉。

牽引力不及預期  

來自Münster和Bonn的組使用擬南芥作為實驗植物。它有兩個稍微不同的EROs，它們的構建指令在兩個不同的基因上。邁耶解釋說:“我們能夠證明，EROs對電子施加的牽引力比之前認為的要小得多。”“所以整個鏈條的校準方式可能不同。”

EROs需要氧氣來擺脫電子。然而，當發生內澇時——例如，由于過度澆水或在農田洪水之后——部分植物缺氧。在這些條件下，EROs似乎可以調整桶線中的氧化還原電位，以一種允許二硫橋形成繼續進行的方式，盡管速度有所降低。這意味著這種植物即使在缺氧的環境下也能生長。為了更詳細地研究這種影響，研究人員完全關閉了其中一個ERO基因，并使另一個顯著地更不活躍。因此，植物對缺氧和其他類型的減少脅迫更加敏感。例如，它的增長非常緩慢。“然而，在這些條件下，蛋白質折疊仍然有效，至少部分有效，”梅耶說，他也是波恩大學“可持續未來”跨學科研究領域的成員。“因此，我們假設還有第二種機制擬南芥完成內質網蛋白質中S-H殘基的氧化。”

研究人員現在想要找出到底是哪一種。因此，從長遠來看，他們的發現可能有助于培育出能夠更好地承受短期缺氧的植物品種。隨著氣候變化不僅增加了干旱，而且增加了洪水，未來對這些資源的需求可能會顯著增加。