化学热力学与生命科学(1).

化学热力学与生命科学(1)

综述了热力学中熵和自由能这两

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22 自由能与药物分子设计

221 自由能与反义药物设计反义药物是用WatsonCrick碱基配对原理与靶mRNA结合，并通过降解靶mRNA干扰特定基因表达的寡核苷酸类药物。反义寡核苷酸必须能够与靶mRNA进行特异杂交，才能通过RNA酶H依赖机制等降解靶mRNA。能够接近靶序列并与之杂交是反义药物具有药效的首条件，因此研究反义药物及其靶点的构效关系是研究热点之一。宋海峰等［10］选择与肿瘤细胞增殖相关的蛋白激酶Cα(PKCα)mRNA作为靶点，使用软件RNAstructure模拟mRNA二级结构，根据靶mRNA的一级与模拟的二级结构，选择二级结构自由能大于零的不稳定二级结构单元膨胀环、内环、发卡和假结等作为靶点进行反义药物设计。用肺腺癌细胞株A549评价反义药物的体外抗肿瘤生物活性，用软件SPSS进行多元回归分析。结果表明有效药物作用靶点相对集中地分布于由若干二级结构单元组成的局部二级结构区域，称之为“靶二级结构域(靶域)”。“靶域”结构相对稳定，但其中包含不稳定二级结构单元，即其自由能大于零。针对不同“靶域”设计的反义药物显示不同的生物活性(P<0.01)，但靶向同一“靶域”的反义药物生物活性无统计差别。结论提示“靶域”现象有助于反义药物靶点的选择，并对探针、引物设计及mRNA局部功能的研究具有重意义。

222 自由能与直接药物设计中的分子对接直接药物设计是从生物靶标大分子结构出发，寻找、设计能够与它发生相互作用并调节其功能的小分子，分为分子对接和全新药物设计两种方法。分子对接法是通过将化合物三维结构数据库中的分子逐一与靶标分子进行“对接”，通过不断优化小分子化合物的位置、方向以及构象，寻找小分子与靶标生物分子作用的最佳构象，计算其与生物大分子的相互作用能。利用分子对接对化合物数据库中所有的分子排序，即可从中找出可能与靶标分子结合的分子。分子对接的核心问题之一就是受体和配体之间结合自由能的评价，精确的自由能预测方法能够大大提高药物设计的

效率。在过去的20年中，随着受体和配体相互作用的理论研究以及计算机辅助药物设计方法的快速发展，自由能预测方法的研究受到了越来越多的关注。例如表皮生长因子受体（EGFR）和4苯胺喹唑啉类抑制剂的结合自由能预测。侯廷军等［11］采用基于分子动力学模拟和连续介质模型的自由能计算方法，预测了EGFR和4苯胺喹唑啉类抑制剂的相互作用模式，分别预测了四种可能结合模式下EGFR和4苯胺喹唑啉类抑制剂间的结合自由能，最佳结合模式能够很好地解释已有抑制剂结构和活性间的关系。

23 自由能与蛋白质工程蛋白质工程的长远目标就是设计出具有任意功能或结构的全新蛋白。在医学和生物学上往往需蛋白质的某一功能却不满意该蛋白的另外一些特点，如高分子量、抗原性、不稳定以及不易折叠等，这些缺陷可以通过把蛋白质的功能区嫁接到另外一个合适的骨架蛋白得以弥补。国际上已发展了几种程序用于蛋白质功能嫁接的研究。2000年梁世德等［12］报道了一种蛋白质表面功能区的嫁接。他们认为蛋白质的功能由表面区决定，其内核只起骨架作用。首先确定被嫁接的配体表面结合区的重残基，在骨架蛋白中搜索适合于嫁接这些残基的位点。基于对映残基的Cα,Cβ原子坐标，将骨架蛋白叠加到配体蛋白上，评估骨架蛋白与受体蛋白的互补性并留下互补性较好的骨架蛋白。细调骨架蛋白与受体蛋白的相对位置，使之具有合理的界面堆积密度，然后在骨架蛋白选出的位置上移植配体蛋白相应的残基。该方法被嫁接的功能区及骨架蛋白的选择是用蛋白质结构数据库（PDB）中大小与barstar相仿，残基数为81~100的晶体结构或优化的平均核磁结构作为骨架蛋白（因barnase是一种110残基的胞外核酸酶，barstar具有异乎寻常的高亲和力，在25℃时结合自由能为-79.1kJ.mol-1，PDB中已存有Barnasebarstar的复合物晶体结构，是研究蛋白蛋白相互作用的理想模型），共有128个，进一步筛选出互补分数较高的4个代表性蛋白作进一步分析，即巯基蛋白酶抑制剂

(1dvc)、质体蓝素(1plb)、转录起始起因子的DNA结合结构域(2hts)以及barstar的核磁结构(1bta)4个蛋白，用打分函数计算这4个骨架蛋白的结合自由能，其中1plb的结合自由能为-81.6 kJ.mol-1，其结合自由能较低且平均偏差也小，是理想的骨架蛋白。得出了1plb和1bta同barnase优化后复合物的结构，结果较好。

24 自由能与基因诊断

241 自由能与人血管生成素基因的优化表达恶性肿瘤尤其是实体肿瘤的发生和发展都依赖于新生血管的不断形成，通过新生毛细血管为肿瘤提供必需的营养，带走肿瘤代谢产物，为肿瘤发展、转移提供必条件。血管生成素(angiogenin,ANG)广泛存在于多种肿瘤组织中，在肿瘤发生的不同阶段刺激新生血管的形成，且肿瘤患者血液中ANG水平高低与肿瘤的恶性程度密切相关［13］。如果能抑制ANG诱导的肿瘤血管形成，就有可能抑制肿瘤生长，甚至杀伤肿瘤细胞。利用基因工程技术生产血管生成素，对于研究血管生成素的作用机制及寻找抗血管生成素的药物具有重大价值，但是该基因在大肠杆菌中不能直接表达。路凡等［14］根据原核翻译起始序列的局部二级结构自由能设计了AUG上下游序列，并利用RTPCR方法从人肺癌细胞系A549中扩增出起始区改造的ANG基因，成功构建了人ANG的高效表达菌株。该菌株经温度诱导后，SDSPAGE分析显示所表达的重组hANG蛋白质占细菌总蛋白质的30%以上，纯化

后的ANG在体外能够有效地刺激鸡胚绒毛尿囊膜的血管形成。结果表明，所设计的优化表达方法对人ANG基因的表达是成功的。

242 自由能与人白细胞介素4在大肠杆菌中的优化表达人白细胞介素

4(interleukin4,IL4)是一重的免疫活性调节分子，主由Th2细胞产生，在T细胞、B细胞、巨噬细胞的增殖分化及功能调空方面起重作用。近年来发现IL4在树突状细胞扩增培养中至关重。而树突状细胞作为一种体内最强的抗原提呈细胞在抗肿瘤、抗感染免疫中具有不可忽视的作用。黄欣等［15］根据原核翻译起始序列的局部二级结构自由能，设计了AUG上下游序列，并在人IL4基因下游插入部分大肠杆菌（E.coli）LacZ序列以提高mRNA的稳定性，成功地构建了人IL4的高效表达克隆，命名为pLCM182hIL4。经分析显示所表达的重组IL4蛋白质占细菌总蛋白的30%，且非常稳定，目的基因下游没有插入LacZ序列所构建的表达克隆pCZHhIL4在大肠杆菌中的表达量则占细菌总蛋白的20%左右。而后利用同样原理对人白细胞介素17进行优化表达设计也获得了同样的结果。因此该方法所设计的优化表达方法对人IL4基因的表达是成功的。综上所述，热力学原理与生命科学的相互渗透、相互融合，可以不断开拓热力学和生命科学的新的研究领域。

作者：刘毅敏赵先英王祥智赵华文杨旭【关键词】熵；,,自由能；,,生命科学摘综述了热力学中熵和自由能这两

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参考文献

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4 Berman H M, Westbrook J, Feng Z, et al. The protein data bank. Nucleic Acids Res.2000,28:235~242