生物热化学研究进展

生物热化学研究进展

摘要本文综述了生物热化学在生命科学研究中的应用,主要围绕生物膜相变、生物大分子的稳定性和生物化学反应三个热点领域,介绍了近年来这些方面的研究进展。展望了我国生物热化学在生命科学领域的发展前景, 对研究方向和发展趋势提出了建议。

关键词生物热化学蛋白质生物膜核酸化学反应

生物热化学的研究对象非常宽,可以是生物个体(包括整个人体) ,也可以是组成生物体的细胞或器官,还可以是某一类生物分子(如蛋白质、核酸) 或分子聚集体(如细胞膜) 。本文将主要从生物膜相变、蛋白质变性、核酸的稳定性、生物分子识别等几个方面对生物热化学的研究进展作一介绍。

1 生物膜相变

研究生物膜的聚集状态以及不同聚集状态间的变化(即相变) 具有重要的意义。DSC技术是研究生物膜热致相变的最常用方法,它有很多优势:一是不需要加标记物质,从而不破坏原结构;二是可以快速连续地记录相变过程;三是试样可为固态、液态,也不需要透明。热致相变是生物膜相变的基本类型之一,是指通过改变温度而发生的相变。通过DSC 可以测定膜的相变温度和相变焓,进而计算相变熵、协同相变单元的大小以及相变过程动力学参数,还可以进行与膜的结构和功能有关的机理研究。

采用量热技术并结合X 光衍射、多种光谱技术(核磁共振、红外等) 对生物膜进行系统深入的研究始于20 世纪60 年代,英国的Dennis Chapman 是其中的重要代表人物。几十年来,在生物膜相变的研究中,人们常常选择模型体系开展工作,作为膜骨架的最重要成分的磷脂就是人们研究最多的一类分子。

近年来关于生物膜研究的另一个热点是生物膜脂筏(rafts) ,这一概念是由Simon 和Ikonen 于1997年提出的[。脂筏是膜脂双层中含有特殊脂质和蛋白质的微区,主要由鞘脂、胆固醇及蛋白质组成,其结构相对稳定。人们相信,脂筏可以参与信号传导和蛋白质筛分、转运。病原体如病毒、细菌及其毒素等可以利用细胞表面的锚固蛋白GPI 和筏脂作为主要的或补充的受体,进入宿主细胞。因此,很多的疾病如阿尔茨海默症和朊病毒病等均有可能与脂筏功能紊乱有着密切的关系。

2 生物大分子的热稳定性

生物大分子包括蛋白质、核酸(DNA、RNA) 和多糖,他们在生命过程中起着核心的作用。生物大分子的稳定性与其生物学功能密切相关,量热技术(特别是DSC 技术) 在生物大分子的稳定性研究方面起着非常重要的作用。关于蛋白质的热稳定性问题,卢雁和李向荣2005 年发表文章,对于蛋白质的变性机理,包括蛋白质在一般水溶液中的变性机理、在有变性剂存在下水溶液中的变性机理及在含有其它物质水溶液中的变性机理进行了较为详细的综述,本文不再赘述,这里仅就尿素的作用和蛋白质的复性问题进行讨论。

第一,关于变性剂(如尿素) 的作用,卢雁和李向荣的文章归纳出3 种可能的作用机理: (1) 通过改变水的结构,间接引起蛋白质疏水基团周围水的氢键结构的变化; (2) 直接与蛋白质的官能团结合;(3)

以上两种作用同时存在。间接作用即是著名的Hofmeister 效应,即溶质分子(如尿素) 通过与水作用、改变水的结构而间接地对蛋白质的结构产生影响。

为了搞清直接作用与间接作用的问题,Batchelor等最近利用一种被称作压力扰动( pressureperturbation) 的量热技术研究了若干溶质(包括蛋白变性剂尿素以及若干蛋白稳定剂) 与水以及蛋白的作用。发现这些溶质对于水的影响和对于蛋白质稳定性的影响间不存在相关性,从而得出结论,认为应当从间接作用以外的角度寻找答案,包括溶质与蛋白质的优先作用机理。第二,研究蛋白质的复性(refolding) 不但是对蛋白质变性机理在更高层次的认识,而且具有重要的实际意义。梁毅的课题组建立了分子伴侣2底物相互作用和分子伴侣帮助底物重折叠的热力学模型,运用等温量热法研究了蛋白质二硫键异构酶(PDI)帮助32磷酸甘油醛脱氢酶(GAPDH) 复性的热力学。实验结果表明,每摩尔PDI 单体与1 摩尔GAPDH 二聚体(折叠中间态) 结合形成复合物,疏水相互作用是形成复合物的主要驱动力。为了模拟细胞内大分子拥挤的生理条件,他们在复性缓冲液中同时加入蛋白质和多糖拥挤试剂,称之为混合拥挤试剂,并比较了还原变性溶菌酶在混合和单一大分子拥挤环境中氧化重折叠的复性产率、动力学和热力学。

3 生物化学反应

生物化学反应大多是非常专一的,相互作用的两个分子间存在着一个识别的过程,例如酶促反应中酶与底物间的结合就像钥匙识别锁一样,免疫反应中的抗原与抗体分子间的作用也是非常完美的结合。可以说,分子识别是生命活动的基础。

在国内,梁毅等运用等温量热法研究了博莱霉素催化切割双链DNA 的反应,确定该DNA 断链反应为放热量很大的快速反应,而且遵循Michaelis2Menten 动力学规律。实验结果表明,博莱霉素在催化机制上类似于DNA 切割酶,但其催化效率低于DNA 切割酶。运用等温滴定量热等多种生物物理学研究方法他们还对钌配合物[ Ru (phen) 2 PMIP]2 +与RNA、DNA 的相互作用及其机理进行了比较研究,实验结果表明,该配合物以插入结合模式与酵母tRNA 和CTDNA 结合,它与RNA 的结合强于与DNA的结合。来鲁华课题组通过ITC 方法研究了酵母转录激活因子(GCN4) 与其DNA 作用靶点AP21和ATFPCREB 间的作用,他们以GCN4 的核心结构GCN42br 作为替代物开展工作,用ITC 测定了各种热力学参数,发现它们间的作用是焓驱动过程,熵变有着相反的贡献。Wu 等研究发现菌毛结合肽可以抑制沙门氏菌对人单核细胞的粘附和侵入,并定量分析了它们间的结合平衡。Qian 等则应用ITC等方法研究了分子伴侣,测定了酵母热休克蛋白和热休克蛋白间的相互作用。

4 结语

随着经济的发展和社会的进步,人们将越来越关注健康等与人的生活紧密相关的问题,许多生命的奥秘等着被揭开,许多生理、病理的规律等待着被发现,新的高效、无毒或低毒的药物需要研制,可以预见,生命科学将会越来越受到人们的重视。作为化学热力学的重要分支的热化学已经在生命科学中发挥了非常重要的作用,并已形成交叉型的生物热化学学科。量热———这门有着悠久历史的技术将在未来的生命科学研究中发挥更大的作用。任何方法都有其局限性,热化学也不例外。热化学只能得到一个研