第1个回答 2022-07-11
蛋白质是生物体结构和功能的基本单位。研究蛋白质,有两大类不同研究的思路。一种是分子生物学研究,其研究对象为大量的蛋白质分子(例如western blotting中μg级别的上样量,ELISA的ng/ml级别检出限<大概也是μg级别>)。它观察蛋白质分子群体的平均行为,如研究信号通路中上游蛋白引起下游蛋白的激活或失活等。另一类是分子动力学研究,其研究对象为蛋白质分子个体,既有计算机模拟,也有实验方法(如核磁共振动力学),后者是前者的补充。
以蛋白质磷酸化激活为例,蛋白质分子的变化不是仅仅磷酸化/非磷酸化(激活/失活)两种状态之间开关式变化,而是一个构象动态变化的过程,微弱的结构变化如何引起显著的功能改变,这是分子生物学所不及的,需要分子动力学研究。任何科研都有足够代表性样本的要求,分子动力学也不能脱离该原则。但它往往以时间点的重复性采样弥补个体重复性的不足。
对蛋白质进行分子动力学模拟的最终目标,就是蛋白质动力学的研究内容。 如果了解了蛋白质动力学的研究思路,无疑会使分子动力学模拟的结果分析更加深入、更好地服务医学研究 。
1.以“能量”衡量状态的思路
与分子生物学研究思路不同,分子动力学的研究喜欢用”能量”来衡量分子动态变化中的某个状态点,并以此判断其变化的原因和结局,这有点类似物理和化学的研究,也是我以前没有体验过的思维方式。所以它一直在“能量—结构—功能”环中的“能量—结构”上,而分子生物学一般只考虑“功能”自身的环路。
自由能景观图谱(free energy landscape)是可视化蛋白质的能量–结构关系的工具。在自由能景观图中,z轴为能量,单位是KJ/mol。x和y轴是反应坐标,若是有太多的维度,它们可以是主成分分析的PC1和PC2。它的基础是,不同的能量决定了蛋白不同的空间构象,构象互变的速度则取决于不同构象间的能垒(energy barrier)大小。蛋白的相对构象或者能量状态可以被功能改变(例如磷酸化等共价修饰),也可以改变功能(与其它蛋白质相互作用)。所以说,能影响蛋白能量状态的因子可能会影响蛋白质的功能。
能量驱使了多肽链折叠成具有三维结构的蛋白质,同时也控制着蛋白质三维结构的转换,进而影响其功能。蛋白质上氨基酸残基的突变可能会影响其三维结构或者功能,这也可以用ΔG衡量。
2.“构象集合”和“动态性”
在宏观看来,蛋白质处于两种状态间,如磷酸化和去磷酸化。但蛋白质分子实际上按照熵增的规律,存在多种状态,是各种构象组合起来的整体。这种现象可以见于各种情况:侧链、活性位点、二级结构、蛋白质折叠等等。
在分子动力学模拟中可以看到,蛋白质不是被动的on或者off,而是不断地处于运动中。直观上最明显的运动方式是振动,这反应了分子以最低势能点(可能是局部的)为平衡点,在其附近不断的来回运动。在外部因素的作用下,这种运动会远离平衡点,直到另一个最低势能点。
有可能振动本身也影响着化学物的生物活性。前段时间看BBC科普片《量子的故事》,讲述一个例子,形状差异很大的两个分子(苯甲醛和氢氰酸)产生相同的嗅觉(苦杏仁味)。科学家认为,化学键的振动引起受体的共振。通过改变振动(重氢代替氢),而不是化学结构,确认了这一个假设。他们认为,配体-受体先通过锁-匙原理靠近结合,然后通过共振传递信息。
3.蛋白质动力学补充分子生物学的微观解释: 几个例子
同源二聚体CAP与cAMP结合后,与第二个cAMP的亲和力下降,蛋白的运动速度变慢,从微秒级上升到了毫秒级(成为“固化rigidification“),但是蛋白的整体结构并没有发生改变。所以这种分子生物学变化只是蛋白动力学发生了改变。钙调蛋白不同结构域与钙离子结合后,以不同的方式改变钙调蛋白内在的动力学特性,达到调节钙调蛋白亲和力的目的,这一点是分子生物学无法解释的。吗啡与μ阿片受体结合后,会引起与之结合的α2A肾上腺素能受体的构象发生改变,进而又会抑制与之相连的G蛋白活化并抑制下游的信号通路,这其中并没有蛋白质修改的改变。WASP蛋白的VCA结构域通常都被临近的GBD结构域所抑制。WASP激动剂与WASP结合后,通过别构作用取消GBD结构域的抑制作用,这种变化也是通过蛋白质动力学实现的。
总之,分子生物学里,讨论蛋白质结构改变引起功能改变时,一般认为这些结构变化是蛋白质翻译后修饰、聚体的形成等“质”的变化,这些变化伴随显著的结构变化。蛋白质动力学却提示分子动力学式的变化也会改变蛋白质的功能,特别是小分子配体与蛋白质结合引起后者功能改变(这是我所关心的)。看了这些例子,我想起了咏春拳所谓的寸劲,即发力时距离之短促,不需要大起大落的运动也能击打敌人。