楊力權(quán)，桑 鵬，李珍貴

(1.大理學(xué)院農(nóng)學(xué)與生物科學(xué)學(xué)院，云南 大理 671003;2.云南大學(xué)云南省生物資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650091)

自然界中蛋白質(zhì)發(fā)揮功能的過程其實(shí)就是蛋白質(zhì)之間或蛋白質(zhì)與其他生物分子連接和相互作用的過程。因此，闡明蛋白質(zhì)－配體識別與連接的驅(qū)動(dòng)力及機(jī)理對于理解其功能發(fā)揮起到非常重要的作用。

1 蛋白質(zhì)連接的模型

目前，描述蛋白質(zhì)連接機(jī)理的模型主要有以下三種:鎖－鑰匙模型 (lock－and－key)［1］，誘導(dǎo)契合模型 (induced－fit)［2］和構(gòu)象選擇模型 (conformational selection)［3］(如圖1所示)。

圖1 蛋白質(zhì)－配體連接模型

此圖引用并修改于參考文獻(xiàn)［3］。

1.1 鎖－鑰匙模型和誘導(dǎo)契合模型

在鎖－鑰匙模型中，蛋白質(zhì)連接部位 (比喻為鎖)和配體 (比喻為鑰匙)的結(jié)構(gòu)必須是高度互補(bǔ)的，而且蛋白質(zhì)和配體的結(jié)構(gòu)是剛性的，以保證正確的匹配和連接 (如圖1A所示)。在誘導(dǎo)契合模型中，配體的結(jié)合能夠誘導(dǎo)蛋白質(zhì)連接部位構(gòu)象發(fā)生變化，使連接部位甚至于整個(gè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)不同于連接前的結(jié)構(gòu) (如圖1B所示)。誘導(dǎo)契合發(fā)生的前提是蛋白質(zhì)的連接部位必須有足夠的構(gòu)象靈活性。

1.2 構(gòu)象選擇模型

構(gòu)象選擇模型是基于自由能圖景理論［4］提出的，自由能圖景理論已經(jīng)被廣泛用于描述蛋白質(zhì)的折疊［5］，并且逐漸用于描述蛋白質(zhì)的連接［6］。自由能圖景理論描述了蛋白質(zhì)折疊和連接過程中體系的能量變化與蛋白質(zhì)構(gòu)象的關(guān)系，三維空間下的自由能圖景，縱坐標(biāo)代表了體系的吉布斯自由能，橫坐標(biāo)代表了蛋白質(zhì)構(gòu)象的熵。在蛋白質(zhì)的自由能圖景理論下，連接過程中體系自由能的不斷降低伴隨著連接中間體構(gòu)象自由度的逐漸減少，決定了蛋白質(zhì)連接的自由能圖景為漏斗狀的，稱為連接漏斗［5］。

在漏斗狀的自由能圖景理論中，蛋白質(zhì)的連接過程被描述為發(fā)生在粗糙的漏斗底部的過程，表現(xiàn)為漏斗底部自由能井的熔合 (蛋白質(zhì)之間連接)［6］或者漏斗底部自由能井的延伸 (蛋白質(zhì)與配體連接)［7］。而且，自由能圖景底部是粗糙的和動(dòng)態(tài)可變的，也就是說，在天然構(gòu)型附近存在著多種能量相近、構(gòu)象不同的構(gòu)象并存平衡，當(dāng)有影響體系自由能改變的條件時(shí)，構(gòu)象之間可以發(fā)生相互轉(zhuǎn)換，能量圖景的形狀會(huì)隨之發(fā)生變化。

構(gòu)象選擇模型認(rèn)為不同的構(gòu)象并存平衡于粗糙的自由能圖景底部，連接過程中配體選擇最合適的構(gòu)象進(jìn)行連接，使得構(gòu)象平衡朝向連接的構(gòu)象移動(dòng)［5，8］(如圖1C所示)。與誘導(dǎo)契合模型相似，構(gòu)象選擇模型適合于構(gòu)象靈活性較高的蛋白質(zhì)，高靈活性可以降低構(gòu)象間的能壘，增加配體選擇合適構(gòu)象及構(gòu)象轉(zhuǎn)換 (平衡移動(dòng))的幾率。

1.3 幾種模型之間的聯(lián)系

在自由能圖景理論下，鎖－鑰匙模型和誘導(dǎo)契合模型都可以看作是構(gòu)象選擇模型的特例。例如，構(gòu)象選擇模型雖然描述多種構(gòu)象存在于漏斗底部粗糙的多個(gè)能量井中達(dá)到共存平衡，但連接的過程只是選擇性的發(fā)生在最適合構(gòu)象所存在的唯一能量井中，隨后才導(dǎo)致構(gòu)象平衡朝向復(fù)合物形成的構(gòu)象移動(dòng)。選擇連接的過程與鎖－鑰匙模型描述的過程相似［5，8］。對于誘導(dǎo)契合模型，雖然連接后的最終構(gòu)象與連接前的不一樣，但最初的選擇接觸碰撞過程決定了只有接近構(gòu)象互補(bǔ)的狀態(tài)才能保證提供足夠的連接強(qiáng)度和時(shí)間，使得形成的中間體內(nèi)進(jìn)一步調(diào)整，最終形成連接復(fù)合物。因此，最初的碰撞選擇是隨后的構(gòu)象調(diào)整變化的前提，從這個(gè)角度講，誘導(dǎo)契合模型也可以被認(rèn)為是構(gòu)象選擇模型的特例。

總的說來，這三種模型并不是孤立存在、相互排斥的，它們在蛋白質(zhì)分子識別和連接過程中發(fā)揮著聯(lián)合的作用［5，8］。由于構(gòu)象選擇模型包含了鎖－鑰匙模型和誘導(dǎo)契合模型，在解釋蛋白質(zhì)－配體連接過程中更加全面和合理。在這個(gè)模型中，最初的構(gòu)象選擇過程 (通過鎖－鑰匙)對于相互作用分子最初的識別接觸非常重要，決定了連接的特異性;隨后的構(gòu)象調(diào)整過程(通過誘導(dǎo)契合)決定了連接的親和性。

2 蛋白質(zhì)連接過程的驅(qū)動(dòng)力

雖然蛋白質(zhì)與配體的連接過程可以用前述的三個(gè)模型來解釋，但進(jìn)一步闡明蛋白質(zhì)－配體連接過程的驅(qū)動(dòng)力對于理解三個(gè)模型的機(jī)理有很大幫助。

2.1 連接過程的基本熱力學(xué)屬性

與蛋白質(zhì)折疊過程相似，蛋白質(zhì)－配體連接過程的驅(qū)動(dòng)力也是蛋白質(zhì)－配體－溶劑體系吉布斯自由能的降低［5］。在蛋白質(zhì)－配體連接過程中，體系的吉布斯自由能 (△G)，一般可以通過如下的方程表示:

其中，焓變部分 (△H)來源于連接過程中蛋白質(zhì)－配體－溶劑之間非共價(jià)鍵 (如氫鍵、范德華力、靜電作用等)的形成與斷裂;熵變部分 (△S)來源于所有溶劑分子、蛋白質(zhì)分子和配體分子的構(gòu)象變化。

正如方程 (1)所描述，體系吉布斯自由能的變化受焓變 (△H)和熵變 (T△S)共同影響，它們對自由能具有相反的影響效果。在連接過程中，負(fù)的焓變值意味著發(fā)生了放熱反應(yīng)，對降低體系自由能有利;正的焓變值意味著吸熱反應(yīng)，不利于自由能的降低。需要注意的是，連接過程的焓變是整個(gè)體系全局性的特性，包含了蛋白質(zhì)與配體、蛋白質(zhì)與溶劑、配體與溶劑的相互作用。例如，蛋白質(zhì)－溶劑，配體－溶劑之間的氫鍵、靜電作用、范德華力的斷裂需要吸收能量，導(dǎo)致體系焓變增加 (△H為正值);在蛋白質(zhì)表面附近發(fā)生的蛋白質(zhì)－配體－溶劑之間非共價(jià)鍵的形成釋放能量，導(dǎo)致體系焓變減少 (△H為負(fù)值)。連接過程的焓變是這些具體焓變的綜合效應(yīng)，具體的連接控制著具體的焓變。

熵是蛋白質(zhì)－配體－溶劑體系中能量平均分布的一個(gè)程度，能量在體系中盡可能平均分布的趨勢會(huì)降低最初體系的有序程度，因此，熵也可以看作是體系混亂度和無序程度的一個(gè)體現(xiàn)。在連接過程中，熵增加對于降低體系吉布斯自由能有利，熵減少不利于降低自由能。由于蛋白質(zhì)連接過程體系的復(fù)雜性，體系總的熵變 (△Stot)包含三個(gè)方面:溶劑熵變 (△Ssolv)，構(gòu)象熵變 (△Sconf)，旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)換熵變 (△Sr/t)［5，8］。

其中，溶劑熵變 (△Ssolv)是連接過程釋放了與結(jié)合部位相連的溶劑分子引起的，溶劑分子(水)的混亂度增加，連接過程中的熵增加，對總熵變 (△Stot)增加有利。構(gòu)象熵變 (△Sconf)是由于在連接過程中蛋白質(zhì)與配體圍繞旋轉(zhuǎn)角度的旋轉(zhuǎn)自由度降低引起的，熵減少，不利于總熵變的增加;旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)換熵變 (△Sr/t)是由于復(fù)合物的形成導(dǎo)致蛋白質(zhì)與配體的轉(zhuǎn)換和旋轉(zhuǎn)的自由度降低引起的，同樣不利于總熵變的增加。由于熵減少會(huì)使自由能增加，對連接不利，因此構(gòu)象熵變、旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)換熵變也被稱為熵?fù)p失［5］。然而，連接過程使連接部位表面緊密存在的水分子網(wǎng)絡(luò)得到釋放，增加了水分子 (溶劑)的自由度，由于水分子巨大的數(shù)量產(chǎn)生了大量的熵增加值，能夠克服和抵消由于構(gòu)象熵變、旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)換熵變帶來的不利影響，使得總熵變值增加，有利于體系總的吉布斯自由能降低［8］。

2.2 熵焓互補(bǔ)平衡

值得注意的是，方程 (1)所描述的焓變和熵變之間的線性關(guān)系導(dǎo)致了一個(gè)重要的現(xiàn)象——熵焓互補(bǔ)［9］。換句話說，有利于連接的焓變 (△H為負(fù))(如蛋白質(zhì)和配體間非共價(jià)鍵的形成)不可避免的會(huì)帶來不利于連接的熵變 (△S為負(fù))(如非共價(jià)鍵的形成帶來的構(gòu)象自由度的降低);反過來，連接過程產(chǎn)生的有利的熵變 (△S為正)也不可避免的會(huì)帶來不利的焓變 (△H為正)，這個(gè)過程導(dǎo)致了連接過程的自由能會(huì)有變化和波動(dòng)，造成體系吉布斯自由能的升高或降低。這種熵焓互補(bǔ)決定連接過程自由能變化的特征，使得很難區(qū)分特定配體的連接過程到底是焓驅(qū)動(dòng)還是熵驅(qū)動(dòng)，也使得希望通過修飾配體的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)連接的特異性和親和性變得很困難。

3 不同連接過程的連接機(jī)理

區(qū)分一個(gè)連接過程具體是由熵增加驅(qū)動(dòng)、焓減少驅(qū)動(dòng)還是熵增加和焓減少共同驅(qū)動(dòng)對于理解連接的機(jī)理有極大的幫助。這里并不針對具體的配體和具體的蛋白受體討論連接過程，而作為一般性討論三種模型的連接機(jī)理及具體驅(qū)動(dòng)因素。

3.1 鎖－鑰匙連接的機(jī)理

對于鎖－鑰匙連接過程的機(jī)理，由于蛋白質(zhì)和配體連接部位結(jié)構(gòu)的高度互補(bǔ)性，連接過程釋放了結(jié)合部位表面的大量水分子，導(dǎo)致產(chǎn)生的大量溶劑熵增加值 (△Ssolv)對于降低體系自由能起到了實(shí)質(zhì)性的作用。同時(shí)，由于蛋白質(zhì)受體和配體具有高度的構(gòu)象剛性，連接過程不會(huì)發(fā)生大的骨架構(gòu)象變化和側(cè)鏈的旋轉(zhuǎn)，因此只產(chǎn)生少量的構(gòu)象熵變 (△Sconf)以及旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)換熵變(△Sr/t)降低值。產(chǎn)生的少量熵?fù)p失 (△Sconf+△Sr/t)很容易被蛋白質(zhì)和配體間連接形成的非共價(jià)鍵導(dǎo)致的焓降低值抵消?？偨Y(jié)起來，鎖－鑰匙連接過程的機(jī)理主要受溶劑的熵增加所驅(qū)動(dòng)，這也證實(shí)了作為溶劑的水分子在連接過程中發(fā)揮了重要的作用。由于蛋白質(zhì)和配體間高度的構(gòu)象互補(bǔ)性是獲得大量熵增加的前提，因此鎖－鑰匙模型所描述的過程可以用來解釋連接的特異性。

3.2 誘導(dǎo)契合連接的機(jī)理

對于誘導(dǎo)契合模型，由于缺乏高度的構(gòu)象互補(bǔ)性，蛋白質(zhì)和配體表面最初的接觸釋放了相對較少的水分子數(shù) (相對于鎖－鑰匙模型)。產(chǎn)生的少量溶劑熵增加值 (△Ssolv)不足以抵消構(gòu)象的熵?fù)p失 (△Sconf+△Sr/t)。然而，蛋白質(zhì)連接部位的高度構(gòu)象柔性在適應(yīng)配體時(shí)發(fā)生了大的構(gòu)象調(diào)整，使蛋白質(zhì)和配體之間在結(jié)合部位進(jìn)行全面的接觸，形成了大量的非共價(jià)鍵。產(chǎn)生了足夠克服熵?fù)p耗 (△Sconf+△Sr/t)的巨大負(fù)焓變值 (△H為負(fù))，大的負(fù)焓變值對于蛋白質(zhì)－配體－溶劑體系總吉布斯自由能的減少起到了實(shí)質(zhì)性的作用?？偨Y(jié)起來，誘導(dǎo)契合連接過程主要由大量的焓變減少驅(qū)動(dòng)。由于誘導(dǎo)契合過程產(chǎn)生的大量非共價(jià)鍵作用把配體穩(wěn)定在連接部位上，因此，誘導(dǎo)契合模型可以解釋配體連接的親和性。

3.3 構(gòu)象選擇連接的機(jī)理

如前所述，構(gòu)象選擇模型包含了鎖－鑰匙過程和誘導(dǎo)契合過程，最初的選擇連接可被近似的認(rèn)為是鎖－鑰匙過程，產(chǎn)生了大量的溶劑熵增加值 (△Ssolv);隨后的構(gòu)象調(diào)整階段在蛋白質(zhì)和配體形成了廣泛的分子間接觸，形成大量的非共價(jià)鍵，產(chǎn)生了巨大的負(fù)焓變值 (△H為負(fù))。熵增加值和負(fù)焓變值大大的超過了不可避免的熵?fù)p耗 (△Sconf+△Sr/t)，導(dǎo)致了體系總的吉布斯自由能顯著降低。總結(jié)起來，構(gòu)象選擇模型過程受熵增加和焓減少共同驅(qū)動(dòng)，不僅可以用來解釋連接的特異性，還可以解釋連接的親和性。事實(shí)上，自然界中的大多數(shù)蛋白質(zhì)都是具有構(gòu)象活性的(特別是在連接部位)，以能量相近但構(gòu)象有差異的構(gòu)象聚集體平衡形式存在。因此，選擇連接伴隨著構(gòu)象調(diào)整的過程應(yīng)該是進(jìn)化選擇的結(jié)果，它有利于調(diào)節(jié)連接過程蛋白質(zhì)－配體－溶劑體系的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，也使得蛋白質(zhì)能夠識別和連接潛在的分子以發(fā)揮生物學(xué)功能［10］。

4 結(jié)論

總的說來，蛋白質(zhì)的連接過程是由蛋白質(zhì)－配體－溶劑體系吉布斯自由能的降低驅(qū)動(dòng)的，而體系的吉布斯自由能又是受體系熵變和焓變之間的精細(xì)平衡互補(bǔ)機(jī)理——熵焓互補(bǔ)機(jī)理決定［5，10］。作為溶劑的水混亂度增加 (熵最大化)導(dǎo)致蛋白質(zhì)－配體－溶劑體系熵增加是蛋白質(zhì)連接最初的驅(qū)動(dòng)力，而隨后蛋白質(zhì)－配體相互接觸并形成大量的非共價(jià)鍵導(dǎo)致的焓變值減少進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)了連接的進(jìn)行。因此，蛋白質(zhì)的連接過程是由熱力學(xué)的熵焓互補(bǔ)機(jī)理決定的自由能降低的過程。

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