化学生物学-第五章-相互作用与分子识别

第五章相互作用与分子识别生物体系的小分子调控中，分子识别和相互作用的化学基础研究是化学生物学的另一个重要的研究方向，主要是研究小分子与生物大分子之间的相互作用、构效关系和作用机制，进一步在分子和化学键水平上研究它们在调控生理过程中的分子识别作用。相互作用的普遍存在特性•物质处于不断运动变化之中，物质之间的各种相互作用支配着物质的运动和变化。•物质之间的相互作用十分复杂，它们有各种各样的表现形式。•无论在生物体内，还是在生物体外，生物分子和所涉及到的化学物质都存分子运动及变化，包括生物分子的自身运动及各种物质的分子代谢。•生物分子之间、生物大分子与化学物质之间也存在着各种各样的相互作用。相互作用的类型•相互作用可分为非专一性相互作用和专一性相互作用两种类型，前者指分子之间普遍存在的一般相互作用；后者指生物分子之间以及生物分子及化学物质之间的专一性识别作用，即分子识别。•分子识别是许多重要生理现象的分子基础，例如抗体与抗原的结合作用，酶与底物的专一性作用等。分子识别•100年前E．Fisher用“锁匙”学说来描述分子识别，还只是针对刚性分子，之后Koshland提出的诱导契合学说则是开始趋向柔性分子的识别，这就是说不仅有一级结构的识别，而且有二级结构、三级结构的识别。•而这种识别在化学及生命过程中是非常重要的，也是药物分子(底物)与蛋白质、核酸、生物受体等生物靶分子(受体)相互识别的关键所在。•近几年来，关于分子识别机制、分子识别模型的建立、分子识别与药物分子的选择性关系等的研究已经成为生物化学和化学领域研究的热门课题。分子间相互作用模型第一节、生物分子之间的相互作用•在不同的生物大分子之间，普遍存在着一种专一性结合现象。•生物大分子之间的这种专一性结合，就是所谓分子识别。分子识别是通过两种蛋白质分子各自的结合部位来实现的。要实现分子识别，就必须具备下列两个条件：•(1)在两种蛋白质分子的结合部位之间，其结合部位的微区构象要能够相嵌互补，•(2)两个结合部位各有化学基团，能使两种蛋白质分子结合起来。一、分子识别的物理基础•生物分子之间的相互作用过程首先是分子扩散、相互接触，进而通过一定方式联系在一起，或产生相互影响。1，扩散•两分子在结合之前需靠分子热运动使之彼此靠近。热运动引起的分子从开始位点“漫步”或移动称为扩散。•由于快速不定的碰撞和反弹，单个分子会不断从一条路线转变为另一条路线，扩散途径成为连续变换运动方向的随机“散步”。•每一分子从开始位点出发所经历的平均距离与时间的平方根相当。•小分子通过细胞膜扩散至胞内的速度与水中的扩散速度是一样的。然而大分子移动极慢。这是因为大分子不仅扩散速率极小，而且时常被很多胞液中存在有其它大分子频繁碰撞而阻滞。2，运动•细胞内发生化学反应的速率是极快的。例如，一个典型的酶分子每秒钟可催化1000次反应，某些酶反应速率可达106。•由于每个反应都要求一个酶分子与一个作用物分子碰撞，所以分子必须运动十分迅速才可能达到那样大的反应速率。分子运动可以分为三类•①分子从一位置移动到另一位置，称转移运动；•②共价连接的原子相对另一原子作快速往复运动，称为振动；•③旋转。•所有这些运动形式对相互作用分子表面的接近都是极其重要的。•分子运动速率可通过各种分光技术测定。球形蛋白质分子每秒钟绕其轴心大约作106翻滚和旋转。转移运动所产生的扩散碰撞速率与扩散分子的浓度成正比。如果两分子在相对方向上发生了碰撞，那么化学反应就可能在两分子之间迅速进行。二、分子识别过程的动力学•通过简单扩散两个大分子，或一个大分子与一个小分子可发生随机碰撞，形成复合物。所以，这种结合反应导致复合物形成的速率是受扩散限速的。•由于在碰撞过程中一个、有时是两个分子需调整其表面结构，以使分子反应表面相互契合。在反应表面调整适应前经常发生两分子彼此反弹，使结合反应不能发生，所以复合物形成速率可能很低。一旦两分子表面相互契合、并能充分接近，彼此之间即可形成多个弱化学键、实现双分子结合反应。•随机热运动又可使弱化学键断裂，使复合物解离。在一个反应体系中，结合反应与解离反应偶联在一起，处于平衡状态。1，结合与解离•一般说，复合物中两分子结合愈强，解离反应的速率也就愈低。•与热运动能量比较，如果形成的化学键总能量极小、可以忽略不计，那么两分子结合反应速率与复合物解离反应速率近似相等；•如果形成的化学键总能量很高，则极少发生解离反应。当某种生物学功能需要两分子长期维持紧密结合状态时，那么细胞内所发生的结合反应就很强。2，平衡常数•两分子之间结合力大小是生物分子相互作用特异性高低的指征。如果分子A可特异识别分子B，这种相互作用(结合反应)达到平衡点时复合物AB的形成速率与解离速率是相等的，即：式中Kon为结合速率常数，Koff为解离速率常数。•利用两个速率常数可分别计算结合速率和解离速率：结合速率＝Kon[A][B]，解离速率＝Koff[AB]。当反应达到平衡点时结合速率与解离速率相等，即Kon[A][B]＝Koff[AB]所以有：式中Keq为平衡常数，又称亲合常数。测定反应达到平衡点时的A、B和AB浓度即可计算出平衡常数。结合反应愈强，测得的亲合常数值愈小。•两分子相互作用的反应平衡常数与结合所需要的标准自由能变化(ΔGo)有关。•生物系统中简单的结合反应亲合常数在103～1012L／mol之间，相对应的结合能在4～17kcal／mol，大约可产生4～17个氢键。三、分子识别的特性•生物大分子在机体内行使各种各样的功能，参与了形形色色的反应，它们行使的功能和参与的反应都具有高度专一性。这种专一性也是药物分子与生物大分子相互作用并产生某专一性生物效应的理论基础。•不同生物大分子之间相互作用专一性的基本原理是相同的。1，作用的专一性（1）酶与底物作用的专一性•酶的主要特征之一就是其催化作用的专一性。在这反应过程中，底物浓度、酶浓度、反应温度、pH值、激活剂与抑制剂等都是影响酶反应动力学的重要因素。•底物与酶的特异性结合是催化反应的开始，所以结合能直接影响催化反应。（2）抗原-抗体相互作用的专一性•机体的免疫系统接受抗原物质（如多糖、核酸和蛋白质等）刺激后，由浆细胞合成和分泌的一类能与抗原发生特异性结合的球蛋白，被称为抗体。•抗体和免疫球蛋白是同一物质的两个概念，抗体是生物学功能上的概念，免疫球蛋白是化学结构上的概念。•抗原与相应的抗体相遇可发生特异性结合，呈现某种反应现象，在体内表现为溶菌、杀菌，促进吞噬、中和毒素等作用。在体外，可出现凝集、沉淀、细胞溶解和补体结合等反应。（3）受体与配体相互作用的特异性•任何胞外信号分子引起靶细胞一定的应答反应均需依赖信号分子与特异受体的结合。受体蛋白依据其细胞定位被区分为膜受体、胞内受体或核受体。•信号分子，如激素、信息素(外激素)或神经递质被称为配体，必须与受体蛋白特定位点结合，引起受体分子构象变化，进而启动细胞功能变化。•细胞或组织对特异配体分子的应答是由它所具有的特异受体、以及配体结合受体所启动的胞内反应指令，不同类型细胞所具有的受体不同，对同一配体分子所引起的反应不同；相同类型的受体也可能出现在不同类型的细胞中，但同一信号分子在不同类型细胞中以不同方式引起不同的反应。•例如，乙酰胆碱受体(AChR)分布于骨骼肌、心肌和胰腺泡细胞。当ACh释放时在骨骼肌引起肌收缩，在心脏引起心率减缓，在胰腺则引起腺体分泌。•在某些细胞，不同的受体—配体相互作用可引起相同的细胞反应。•例如，胰高血糖素、肾上腺素与肝细胞相应受体结合均可引起糖原分解，释放葡萄糖使血糖升高。受体蛋白只能与特异的信号分子相结合，这就是受体与配体相互作用的特异性，又称结合特异性。（4）蛋白质与糖链相互作用的专一性•人的胃液、唾液、卵巢囊肿的粘液和红细胞中都含有血型物质，它包含约75％的糖，主要是岩藻糖、半乳糖、氨基葡萄糖和氨基半乳糖。含糖部分决定血型物质的特异性。•在糖蛋白中，糖链结构可以直接影响肽链构象以及由构象决定的所有功能。糖链相互识别并互补性结合，引起细胞粘附，动物凝集素对受体蛋白的专一性识别可发生在蛋白质与糖链、糖链与糖链之间的互相作用，表明糖链标记的识别具有多元化的特征。•细胞表面的糖链犹如天线，担负着细胞间的识别、黏附以及信息传递任务。精卵识别过程中，糖起到了至关重要的作用。外源凝集素与糖链的相互作用（5）蛋白质与核酸相互作用的专一性•在真核细胞的许多生物化学过程中，如基因表达与调控、DNA复制、损伤和修复，蛋白质的生物合成等都涉及核酸（DNA、RNA）与蛋白质的相互作用。与蛋白质-蛋白质相互作用一样，DNA-蛋白质的相互作用的情况极其复杂，方式较多。•组蛋白、DNA聚合酶与DNA识别、结合时对DNA序列的选择不是很严格，但真核转录调节因子和限制性内切酶等对DNA序列的识别却具有高度特异性，它们可以从106109个碱基对的序列中选择性地结合一些仅为几个至十几个的核苷酸区域。•多肽链对特异DNA序列的识别与结合可以通过限定结构进行。•结构生物学家利用多种先进分析技术，通过DNA-蛋白质相互作用分析，已经坚定出多种结合特异DNA序列的蛋白质结构元件。•其中最常见的是存在于原核、真核调节蛋白中的HTH（螺旋-转角-螺旋模体），DNA、RNA结合蛋白中的锌指结构（zinefinger）。•目前已知的蛋白质识别基元大多数是与DNA大沟接触。Lac阻遏蛋白-DNA的相互作用锌指结构•锌指结构是指由至少三个在结构上不同的、由锌离子稳定的超小结构域组成的蛋白质基元，锌指结构与DNA大沟结合时主要涉及三个碱基对，锌指结构之间的连接区悬于大沟之上，不直接参与与DNA的结合。锌指结构与DNA作用2，分子识别过程中高级结构的变化•生物大分子的高层次结构是靠分子内非共价键来维系的，这些非共价键使分子中很多基团不能自由转动；而一些在表面的基团因不参入非共价键的形成，自由度较大，可处于不停的热运动中。有些非共价键可因外来分子或周围环境的影响而改变，从而使生物高分子局部空间构象有所改变。•有时构象的改变和生物活性的呈现密切相关。酶反应的诱导契合学说就是以这种现象为依据，既是酶在与底物相互作用下，具有柔性和可塑性的酶活性中心被诱导发生构象变化，因而产生互补性结合。这种构象的诱导变化是可逆的，可以复原。诱导契合学说•诱导契合学说也可以扩展到化学信号（激素、药物）与受体的相互作用，抑制剂与酶的相互作用以及生物大分子之间的相互作用。葡萄糖与己糖激酶的结合过程存在的诱导契合现象谷氨酸受体与谷氨酸结合过程中的开启和关闭构象受体分子与药物结合和解离时，构象发生可逆性变化。激动剂与受体诱导契合后，使受体构象变化引起生物活性；而拮抗剂虽也可与受体结合，但不能诱导同样的构象变化。阻遏蛋白（even-skipped）与DNA相互作用过程中的构象变化某些转录阻遏蛋白，在与DNA（10个碱基对的寡核苷酸）结合过程中也会发生构象变化，而且变化过程极为迅速•在所有已发现的蛋白质中，有三分之一以上必须以金属离子或金属结合部位作为辅因子。•金属蛋白和金属酶的生物功能包括：:结构支持、双氧结合、存储和转运金属离子、电子转移、分子识别和催化、信号转导、基因表达调控等。•金属离子通过与内源配体(氨基酸侧链基团)和外源配体(如水分子、卟啉环、有机小分子等)配位，结合到蛋白质分子中，形成金属活性部位，从而影响蛋白质结构和赋予蛋白质功能。•在金属酶中，金属离子和蛋白质是牢固结合在一起，金属离子可以认为是蛋白质结构的一部分，除非剧烈的化学作用，金属离子是不易分离的。•金属蛋白的活性通常因失去金属或被另一种金属取代而丧失，换句话说是不可逆的。•金属酶结构中的金属离子处于卷曲、折叠的蛋白链包围之中，蛋白链中一些氨基酸残基通过其含有供电子基团的侧基配位于金属离子。•例如乳铁蛋白在与Fe离子结合过程中经历的一种构象变化的过程。•这种诱导契合理论也适合于化学物质与生物大分子的相互作用研究中，因为化学物质具备特异的化学基团或化学结构，与相互补的生物大分子发生作用，导致生物大分子的化学的或构象上的变化，进而引发或抑