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。近年來隨著人們對分子生物世界的深入認識，該信息流經(jīng)途徑得到了進一步擴展，即新生肽鏈需要折疊成具有精密構(gòu)造的三維結(jié)構(gòu)，進而與其他生物分子和/或生物基質(zhì)發(fā)生時空特異性的識別和相互作用，最終實現(xiàn)遺傳信息從基因型到表型的映射。可以看到，上述擴增部分所涉及到的關(guān)鍵環(huán)節(jié)即蛋白質(zhì)折疊和識別是由可逆的弱化學力所支配的，通常稱這些化學力為生物非鍵作用(biological nonco

2、valent interaction)。本文進一步擴展了生物非鍵作用的概念，用以描述生物環(huán)境中一個或數(shù)個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整體，稱之為生物非鍵模體(biological noncovalent motif)。在此基礎(chǔ)上，本文對生物分子中幾類長期被人們所忽視的非鍵模體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)開展了系統(tǒng)的調(diào)查：另外還定義了數(shù)種新型生物非鍵模體，并以理論計算和數(shù)據(jù)庫檢索相結(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、種我們開發(fā)的用于在二維頁面上示意性描繪蛋白質(zhì)復合物界面非鍵模體的分子圖形學軟件包2D-GraLab。下面對這些工作逐一進行概述：
　　 (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行了深入研究，但由另一類元素即硫所形成的含硫氫鍵卻長期被人們所忽視了。本文對Top500數(shù)據(jù)庫中所有高質(zhì)量蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)進行了統(tǒng)計分

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巰基卻是中等強度的氫鍵供體。③處于復雜蛋白質(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，其鍵長大于普通含硫氫鍵，且其巰基氫原子往往正對于芳香環(huán)邊緣。
　　 (2)蛋白質(zhì)/配基界面上的氟鍵(fluorine bond):氟化是當今制藥工業(yè)常用的一種用于改善先導實體(lead entity)藥代動力學性質(zhì)的手段，然而含氟藥物分子亦可通過共價氟原子與靶標蛋白的各類基團發(fā)生多樣的非鍵作用以調(diào)理二者識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、作用稱為氟鍵，進而系統(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)以及它們對配基結(jié)合的自由能貢獻情況。結(jié)果表明：①氟鍵在幾何和熱力學上表現(xiàn)出類似于上述含硫氫鍵的表觀特征，而在靜電機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調(diào)的含氟正交多極作用(C-F…C=O)在本文對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(PDB)檢索中并不十分突出；與之相對的是，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處理復雜生物氟鍵系統(tǒng)。④盡管孤立氟鍵一般較弱，但氟化亦可通過間接的電子效應來影響配基對受體的識別行為。
　　 (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多重氫鍵網(wǎng)絡(luò)與周圍基質(zhì)發(fā)生相互作用，從而形成水中介的氫鍵橋系統(tǒng)。我們進而推測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或數(shù)個氫鍵，從而形成我們稱之為鹵-水-氫橋的生物非鍵模體。在此基礎(chǔ)上，本文通過理論分析和晶體結(jié)構(gòu)檢索相結(jié)合的方式證實了上述猜想，即這種推定的鹵-水-氫橋確實存在于生物分子世界，盡管它們并不十分常見。同時本文還借助數(shù)個典型實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)得到了生物化學領(lǐng)域的廣泛認同和深入研究，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?本文將這類由結(jié)構(gòu)化鹵離子所介導的橋聯(lián)系統(tǒng)命名為鹵離子橋以強調(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。進而我們通過對小的模型系統(tǒng)、真實的生物分子

10、系統(tǒng)以及PDB數(shù)據(jù)庫的詳盡理論分析和統(tǒng)計調(diào)查有力確證了該類推測的鹵離子橋聯(lián)模體廣泛存在于生物分子世界且在諸多情況中發(fā)揮了重要的生物學功能。研究還發(fā)現(xiàn)鹵素離子可以通過離子氫鍵、離子鍵、甚至共價鍵等方式與生物基團發(fā)生有效作用，且這些作用的強度顯著大于多數(shù)見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的結(jié)構(gòu)化鹵離子

11、，以及周圍與該離子發(fā)生直接或間接非鍵作用的生物分子基團所構(gòu)成的一個功能整體。在此基礎(chǔ)上本文提出了能量分解分析法(energy decomposition analysis)對782個高質(zhì)量的蛋白質(zhì)鹵素模體所包含的能量成分進行了系統(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)定化自由能貢獻與包埋程度成正相關(guān)趨勢。出乎意料的是，帶有一個形式電荷的鹵離子主要是通過色散力——而非靜電力——來發(fā)揮其穩(wěn)定化效應。這可解釋為盡管

12、鹵離子可與周圍蛋白質(zhì)基團發(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卻因形成鹵素模體時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程中扮演了中心的角色，本文為此專門開發(fā)了一種二維分子圖形學軟件包2D-GraLab，用于示意性描繪已知結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)復合物界面的多樣非鍵模體。該程序提供了圖形界面、控制對話框、三維顯示窗口等交互