生物非鍵模體.pdf

1、按照經(jīng)典中心法則的定義，生命體內(nèi)遺傳信息是由DNA經(jīng)RNA流向多肽序列。近年來(lái)隨著人們對(duì)分子生物世界的深入認(rèn)識(shí)，該信息流經(jīng)途徑得到了進(jìn)一步擴(kuò)展，即新生肽鏈需要折疊成具有精密構(gòu)造的三維結(jié)構(gòu)，進(jìn)而與其他生物分子和/或生物基質(zhì)發(fā)生時(shí)空特異性的識(shí)別和相互作用，最終實(shí)現(xiàn)遺傳信息從基因型到表型的映射。可以看到，上述擴(kuò)增部分所涉及到的關(guān)鍵環(huán)節(jié)即蛋白質(zhì)折疊和識(shí)別是由可逆的弱化學(xué)力所支配的，通常稱(chēng)這些化學(xué)力為生物非鍵作用(biological nonco

2、valent interaction)。本文進(jìn)一步擴(kuò)展了生物非鍵作用的概念，用以描述生物環(huán)境中一個(gè)或數(shù)個(gè)非鍵作用按照一定空間排列模式構(gòu)成的具有一定功能的有機(jī)整體，稱(chēng)之為生物非鍵模體(biological noncovalent motif)。在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)生物分子中幾類(lèi)長(zhǎng)期被人們所忽視的非鍵模體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)開(kāi)展了系統(tǒng)的調(diào)查：另外還定義了數(shù)種新型生物非鍵模體，并以理論計(jì)算和數(shù)據(jù)庫(kù)檢索相結(jié)合的方式論證了它們的存在性和功能性；最后介紹了一

3、種我們開(kāi)發(fā)的用于在二維頁(yè)面上示意性描繪蛋白質(zhì)復(fù)合物界面非鍵模體的分子圖形學(xué)軟件包2D-GraLab。下面對(duì)這些工作逐一進(jìn)行概述：
　　 (1)蛋白質(zhì)中的含硫氫鍵(sulfur-containing hydrogen bond):蛋白質(zhì)中氮和氧原子參與形成的常規(guī)氫鍵曾引起了相關(guān)領(lǐng)域研究者的廣泛興趣并進(jìn)行了深入研究，但由另一類(lèi)元素即硫所形成的含硫氫鍵卻長(zhǎng)期被人們所忽視了。本文對(duì)Top500數(shù)據(jù)庫(kù)中所有高質(zhì)量蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分

4、析，從中獲得了大量關(guān)于蛋白質(zhì)含硫氫鍵的幾何和分布信息。研究發(fā)現(xiàn)：①含硫氫鍵的鍵長(zhǎng)通常大于常規(guī)氫鍵、而鍵角則普遍小于常規(guī)氫鍵，從而表現(xiàn)出較弱的化學(xué)力特征。②Met和Cys的硫原子是不良的氫鍵受體，但是Cys巰基卻是中等強(qiáng)度的氫鍵供體。③處于復(fù)雜蛋白質(zhì)環(huán)境中含硫氫鍵的幾何行為更接近于自由狀態(tài)下小分子系統(tǒng)氧原子——而非硫原子——所成氫鍵情況。④在某些情況下含硫氫鍵對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能起著重要的作用，如它們可以促成a螺旋、綁定鏈間殘基、微調(diào)局部結(jié)

5、構(gòu)、輔助二硫鍵生成等。⑤Cys巰基可與芳香性p電子形成較為松散的氫鍵，其鍵長(zhǎng)大于普通含硫氫鍵，且其巰基氫原子往往正對(duì)于芳香環(huán)邊緣。
　　 (2)蛋白質(zhì)/配基界面上的氟鍵(fluorine bond):氟化是當(dāng)今制藥工業(yè)常用的一種用于改善先導(dǎo)實(shí)體(lead entity)藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的手段，然而含氟藥物分子亦可通過(guò)共價(jià)氟原子與靶標(biāo)蛋白的各類(lèi)基團(tuán)發(fā)生多樣的非鍵作用以調(diào)理二者識(shí)別的特異性和親和力。本文將這些由氟原子直接參與形成的非鍵

6、作用稱(chēng)為氟鍵，進(jìn)而系統(tǒng)調(diào)查了大量存在于蛋白質(zhì)/配基界面上的氟鍵的幾何分布狀態(tài)以及它們對(duì)配基結(jié)合的自由能貢獻(xiàn)情況。結(jié)果表明：①氟鍵在幾何和熱力學(xué)上表現(xiàn)出類(lèi)似于上述含硫氫鍵的表觀特征，而在靜電機(jī)制方面則更接近于鹵鍵而非氫鍵。②先前他人研究中多次強(qiáng)調(diào)的含氟正交多極作用(C-F…C=O)在本文對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)(PDB)檢索中并不十分突出；與之相對(duì)的是，先前多被人們所忽視的非極性氫參與的氟鍵(C-F…H-C)卻被大量發(fā)現(xiàn)于蛋白質(zhì)/配基界面。③M

7、PWLYP泛函和MMFF94力場(chǎng)可以較好地重現(xiàn)高水平氟鍵鍵能，故它們可以被考慮用來(lái)處理復(fù)雜生物氟鍵系統(tǒng)。④盡管孤立氟鍵一般較弱，但氟化亦可通過(guò)間接的電子效應(yīng)來(lái)影響配基對(duì)受體的識(shí)別行為。
　　 (3)生物分子中的鹵-水-氫橋(halogen-water-hydrogen bridge):業(yè)已知道，生物環(huán)境中水分子可以通過(guò)多重氫鍵網(wǎng)絡(luò)與周?chē)|(zhì)發(fā)生相互作用，從而形成水中介的氫鍵橋系統(tǒng)。我們進(jìn)而推測(cè)與氫鍵在能量和方向上具有極高相似性的

8、鹵鍵可以功能性地取代水中介氫鍵橋中的一個(gè)或數(shù)個(gè)氫鍵，從而形成我們稱(chēng)之為鹵-水-氫橋的生物非鍵模體。在此基礎(chǔ)上，本文通過(guò)理論分析和晶體結(jié)構(gòu)檢索相結(jié)合的方式證實(shí)了上述猜想，即這種推定的鹵-水-氫橋確實(shí)存在于生物分子世界，盡管它們并不十分常見(jiàn)。同時(shí)本文還借助數(shù)個(gè)典型實(shí)例指出這些觀察到的鹵-水-氫橋可以顯著影響生物分子結(jié)構(gòu)模式，并功能性調(diào)理蛋白質(zhì)/蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)/核酸以及蛋白質(zhì)/藥物配基之間的特異性識(shí)別和相互作用。
　　 (4)生物分子

9、中的鹵離子橋(halogen-ionic bridge)：生物分子中由電中性的水分子和電正性的金屬離子分別介導(dǎo)形成的水中介氫鍵橋和金屬配位橋已經(jīng)得到了生物化學(xué)領(lǐng)域的廣泛認(rèn)同和深入研究，由此我們很自然地聯(lián)想到普遍存在于生理環(huán)境的電負(fù)性鹵素離子是否亦能參與非鍵橋聯(lián)系統(tǒng)，并發(fā)揮特異性的生物效應(yīng)?本文將這類(lèi)由結(jié)構(gòu)化鹵離子所介導(dǎo)的橋聯(lián)系統(tǒng)命名為鹵離子橋以強(qiáng)調(diào)其與水分子橋和金屬離子橋在結(jié)構(gòu)和功能上的相似性。進(jìn)而我們通過(guò)對(duì)小的模型系統(tǒng)、真實(shí)的生物分子

10、系統(tǒng)以及PDB數(shù)據(jù)庫(kù)的詳盡理論分析和統(tǒng)計(jì)調(diào)查有力確證了該類(lèi)推測(cè)的鹵離子橋聯(lián)模體廣泛存在于生物分子世界且在諸多情況中發(fā)揮了重要的生物學(xué)功能。研究還發(fā)現(xiàn)鹵素離子可以通過(guò)離子氫鍵、離子鍵、甚至共價(jià)鍵等方式與生物基團(tuán)發(fā)生有效作用，且這些作用的強(qiáng)度顯著大于多數(shù)見(jiàn)諸于生物體系的常規(guī)非鍵形式。
　　 (5)蛋白質(zhì)的鹵素模體(halide motif):鹵素模體可視為對(duì)鹵離子橋的推廣，它泛指一切遷移到生物分子內(nèi)部且被固定于親鹵位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)化鹵離子

11、，以及周?chē)c該離子發(fā)生直接或間接非鍵作用的生物分子基團(tuán)所構(gòu)成的一個(gè)功能整體。在此基礎(chǔ)上本文提出了能量分解分析法(energy decomposition analysis)對(duì)782個(gè)高質(zhì)量的蛋白質(zhì)鹵素模體所包含的能量成分進(jìn)行了系統(tǒng)探索，結(jié)果發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化的鹵素模體往往起到穩(wěn)定蛋白質(zhì)建筑的作用，且其穩(wěn)定化自由能貢獻(xiàn)與包埋程度成正相關(guān)趨勢(shì)。出乎意料的是，帶有一個(gè)形式電荷的鹵離子主要是通過(guò)色散力——而非靜電力——來(lái)發(fā)揮其穩(wěn)定化效應(yīng)。這可解釋為盡管

12、鹵離子可與周?chē)鞍踪|(zhì)基團(tuán)發(fā)生顯著的Coulomb吸引作用，但由此獲得的有利靜電自由能貢獻(xiàn)卻因形成鹵素模體時(shí)所伴隨的不利靜電去溶劑化懲罰而大打折扣了。
　　 (6)二維描繪蛋白質(zhì)復(fù)合物界面非鍵模體：有鑒于蛋白質(zhì)/蛋白質(zhì)相互作用在諸多生理和生化過(guò)程中扮演了中心的角色，本文為此專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了一種二維分子圖形學(xué)軟件包2D-GraLab，用于示意性描繪已知結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)復(fù)合物界面的多樣非鍵模體。該程序提供了圖形界面、控制對(duì)話框、三維顯示窗口等交互