蛋白質(zhì)是生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位。研究蛋白質(zhì)，有兩大類不同研究的思路。一種是分子生物學(xué)研究，其研究對象為大量的蛋白質(zhì)分子(例如western blotting中μg級(jí)別的上樣量，ELISA的ng/ml級(jí)別檢出限<大概也是μg級(jí)別>)。它觀察蛋白質(zhì)分子群體的平均行為，如研究信號(hào)通路中上游蛋白引起下游蛋白的激活或失活等。另一類是分子動(dòng)力學(xué)研究，其研究對象為蛋白質(zhì)分子個(gè)體，既有計(jì)算機(jī)模擬，也有實(shí)驗(yàn)方法(如核磁共振動(dòng)力學(xué))，后者是前者的補(bǔ)充。
以蛋白質(zhì)磷酸化激活為例，蛋白質(zhì)分子的變化不是僅僅磷酸化/非磷酸化(激活/失活)兩種狀態(tài)之間開關(guān)式變化，而是一個(gè)構(gòu)象動(dòng)態(tài)變化的過程，微弱的結(jié)構(gòu)變化如何引起顯著的功能改變，這是分子生物學(xué)所不及的，需要分子動(dòng)力學(xué)研究。任何科研都有足夠代表性樣本的要求，分子動(dòng)力學(xué)也不能脫離該原則。但它往往以時(shí)間點(diǎn)的重復(fù)性采樣彌補(bǔ)個(gè)體重復(fù)性的不足。
對蛋白質(zhì)進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬的最終目標(biāo)，就是蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)的研究內(nèi)容。如果了解了蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)的研究思路，無疑會(huì)使分子動(dòng)力學(xué)模擬的結(jié)果分析更加深入、更好地服務(wù)醫(yī)學(xué)研究。
與分子生物學(xué)研究思路不同，分子動(dòng)力學(xué)的研究喜歡用”能量”來衡量分子動(dòng)態(tài)變化中的某個(gè)狀態(tài)點(diǎn)，并以此判斷其變化的原因和結(jié)局，這有點(diǎn)類似物理和化學(xué)的研究，也是我以前沒有體驗(yàn)過的思維方式。所以它一直在“能量—結(jié)構(gòu)—功能”環(huán)中的“能量—結(jié)構(gòu)”上，而分子生物學(xué)一般只考慮“功能”自身的環(huán)路。
自由能景觀圖譜(free energy landscape)是可視化蛋白質(zhì)的能量–結(jié)構(gòu)關(guān)系的工具。在自由能景觀圖中，z軸為能量，單位是KJ/mol。x和y軸是反應(yīng)坐標(biāo)，若是有太多的維度，它們可以是主成分分析的PC1和PC2。它的基礎(chǔ)是，不同的能量決定了蛋白不同的空間構(gòu)象，構(gòu)象互變的速度則取決于不同構(gòu)象間的能壘(energy barrier)大小。蛋白的相對構(gòu)象或者能量狀態(tài)可以被功能改變(例如磷酸化等共價(jià)修飾)，也可以改變功能(與其它蛋白質(zhì)相互作用)。所以說，能影響蛋白能量狀態(tài)的因子可能會(huì)影響蛋白質(zhì)的功能。
能量驅(qū)使了多肽鏈折疊成具有三維結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，同時(shí)也控制著蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而影響其功能。蛋白質(zhì)上氨基酸殘基的突變可能會(huì)影響其三維結(jié)構(gòu)或者功能，這也可以用ΔG衡量。
2.“構(gòu)象集合”和“動(dòng)態(tài)性”
在宏觀看來，蛋白質(zhì)處于兩種狀態(tài)間，如磷酸化和去磷酸化。但蛋白質(zhì)分子實(shí)際上按照熵增的規(guī)律，存在多種狀態(tài)，是各種構(gòu)象組合起來的整體。這種現(xiàn)象可以見于各種情況：側(cè)鏈、活性位點(diǎn)、二級(jí)結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)折疊等等。
在分子動(dòng)力學(xué)模擬中可以看到，蛋白質(zhì)不是被動(dòng)的on或者off，而是不斷地處于運(yùn)動(dòng)中。直觀上最明顯的運(yùn)動(dòng)方式是振動(dòng)，這反應(yīng)了分子以最低勢能點(diǎn)(可能是局部的)為平衡點(diǎn)，在其附近不斷的來回運(yùn)動(dòng)。在外部因素的作用下，這種運(yùn)動(dòng)會(huì)遠(yuǎn)離平衡點(diǎn)，直到另一個(gè)最低勢能點(diǎn)。
有可能振動(dòng)本身也影響著化學(xué)物的生物活性。前段時(shí)間看BBC科普片《量子的故事》，講述一個(gè)例子，形狀差異很大的兩個(gè)分子(苯甲醛和氫氰酸)產(chǎn)生相同的嗅覺(苦杏仁味)?？茖W(xué)家認(rèn)為，化學(xué)鍵的振動(dòng)引起受體的共振。通過改變振動(dòng)(重氫代替氫)，而不是化學(xué)結(jié)構(gòu)，確認(rèn)了這一個(gè)假設(shè)。他們認(rèn)為，配體-受體先通過鎖-匙原理靠近結(jié)合，然后通過共振傳遞信息。
3.蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)補(bǔ)充分子生物學(xué)的微觀解釋: 幾個(gè)例子
同源二聚體CAP與cAMP結(jié)合后，與第二個(gè)cAMP的親和力下降，蛋白的運(yùn)動(dòng)速度變慢，從微秒級(jí)上升到了毫秒級(jí)(成為“固化rigidification“)，但是蛋白的整體結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生改變。所以這種分子生物學(xué)變化只是蛋白動(dòng)力學(xué)發(fā)生了改變。鈣調(diào)蛋白不同結(jié)構(gòu)域與鈣離子結(jié)合后，以不同的方式改變鈣調(diào)蛋白內(nèi)在的動(dòng)力學(xué)特性，達(dá)到調(diào)節(jié)鈣調(diào)蛋白親和力的目的，這一點(diǎn)是分子生物學(xué)無法解釋的。嗎啡與μ阿片受體結(jié)合后，會(huì)引起與之結(jié)合的α2A腎上腺素能受體的構(gòu)象發(fā)生改變，進(jìn)而又會(huì)抑制與之相連的G蛋白活化并抑制下游的信號(hào)通路，這其中并沒有蛋白質(zhì)修改的改變。WASP蛋白的VCA結(jié)構(gòu)域通常都被臨近的GBD結(jié)構(gòu)域所抑制。WASP激動(dòng)劑與WASP結(jié)合后，通過別構(gòu)作用取消GBD結(jié)構(gòu)域的抑制作用，這種變化也是通過蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)實(shí)現(xiàn)的。
總之，分子生物學(xué)里，討論蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變引起功能改變時(shí)，一般認(rèn)為這些結(jié)構(gòu)變化是蛋白質(zhì)翻譯后修飾、聚體的形成等“質(zhì)”的變化，這些變化伴隨顯著的結(jié)構(gòu)變化。蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)卻提示分子動(dòng)力學(xué)式的變化也會(huì)改變蛋白質(zhì)的功能，特別是小分子配體與蛋白質(zhì)結(jié)合引起后者功能改變(這是我所關(guān)心的)?？戳诉@些例子，我想起了詠春拳所謂的寸勁，即發(fā)力時(shí)距離之短促，不需要大起大落的運(yùn)動(dòng)也能擊打敵人。
