蛋白质动力学:一门与分子生物学互补的知识[转载]

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。