化學與生命科學論文(2)
化學與生命科學論文篇二
化學熱力學與生命科學
作者：劉毅敏 趙先英 王祥智 趙華文 楊旭
【關(guān)鍵詞】 熵;,,自由能;,,生命 科學
摘 要： 綜述了熱力學中熵和自由能這兩個重要狀態(tài)函數(shù)在生命現(xiàn)象、腫瘤形成、抗癌藥物 研究 、生物大分子結(jié)構(gòu)研究、藥物設計、蛋白質(zhì)工程和基因優(yōu)化表達等中的 應用 。
關(guān)鍵詞： 熵; 自由能; 生命科學
熱力學是研究各種形式的能量轉(zhuǎn)換 規(guī)律 的科學。熱力學的基礎(chǔ)是熱力學第一定律和熱力學第二定律，這兩個定律都是人類長期實踐和大量科學研究經(jīng)驗的 總結(jié) 。因為熱力學研究的能量轉(zhuǎn)換規(guī)律是 自然 界的一個基本規(guī)律，在其應用范圍內(nèi)具有指導意義?；瘜W熱力學是熱力學原理在化學中的應用，它主要研究和解決化學變化過程中能量轉(zhuǎn)化的規(guī)律、化學反應的方向和限度。人體是一個巨大的化學反應庫，生命過程是建立在化學反應基礎(chǔ)之上的一個非常復雜的體系。近半個世紀以來，生物學研究從整體開始，自上而下進入分子層次，而化學研究則自下而上地逐漸接觸生物體，化學與生命科學在細胞以下、分子以上的區(qū)域相遇，在這個區(qū)域不斷生長出了許多新的生長點，成為生命科學和化學的前沿領(lǐng)域?；跓崃W原理的生命科學研究也是一個新生長點，本研究就此綜述如下。
1 熵與生命科學
11 熵與生命在化學熱力學中熵(S)是一個重要的函數(shù)。熵是系統(tǒng)混亂度的量度，系統(tǒng)的混亂度越大，熵值越大。熵是狀態(tài)函數(shù)，熵變(ΔS)只取決于體系的始態(tài)與終態(tài)，與過程無關(guān)。在孤立系統(tǒng)的任何自發(fā)過程中，系統(tǒng)的熵總是增加的，這是熱力學第二定律的一種表達，也稱為熵增加原理。從宏觀來看生命過程是一個熵增的過程，始態(tài)是生命的產(chǎn)生，終態(tài)是生命的結(jié)束，這個過程是一個自發(fā)的、單向的不可逆過程。衰老是生命系統(tǒng)的熵的一種長期的緩慢的增加，也就是說隨著生命的衰老，生命系統(tǒng)的混亂度增大，當熵值達極大值時即死亡，這是一個不可抗拒的自然規(guī)律。但是，一個無序的世界是不可能產(chǎn)生生命的，有生命的世界必然是有序的。生物進化是由單細胞向多細胞、從簡單到復雜、從低級向高級進化，也就是說向著更為有序、更為精確的方向進化，這是一個熵減的方向，與孤立系統(tǒng)向熵增大的方向恰好相反。但是生命體是“耗散結(jié)構(gòu)”，耗散結(jié)構(gòu)認為一個遠離平衡態(tài)的開放體系，通過與外界交換物質(zhì)和能量，在一定條件下，可能從原來的無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時間、空間或功能上有序的狀態(tài)，這個新的有序結(jié)構(gòu)是靠不斷耗散物質(zhì)和能量來維持的。生命體通過不斷與外界交換物質(zhì)、能量、信息和負熵，可使生命系統(tǒng)的總熵值減小,從而有序度不斷提高,生命體系才得以動態(tài)地 發(fā)展 。
12 熵與腫瘤熵增加原理也可以解釋腫瘤在人體內(nèi)的發(fā)生、擴散。細胞基因癌變,造成人體正常基因組的異?；罨?細胞無節(jié)制地擴增,使有序向無序轉(zhuǎn)化,加速生命的耗散,熵值異常增大,在短期內(nèi)熵值就增到極大值,人的生命便終止了。 現(xiàn)代 醫(yī)學研究表明，癌基因以原癌基因的形式存在于正常生物基因組內(nèi)，沒被激活時，不會形成腫瘤。原癌基因是一個活化能位點，在外界環(huán)境的誘導下，細胞可能發(fā)生癌變，即腫瘤的形成是非自發(fā)的。非自發(fā)的過程是一個熵減的過程，也就是說腫瘤細胞的熵小于正常細胞的熵[1]。然而腫瘤細胞是在體內(nèi)發(fā)生物質(zhì)、能量交換的，人體這個體系就相當于腫瘤細胞的外部環(huán)境，正是由于腫瘤細胞的熵減小，導致了人體這個總體系熵增大。越惡性的腫瘤，熵值越小，與體系分化越明顯，使人體的熵增也相對越大，對生命的威脅越大。
13 熵與抗癌藥物的研究熵增原理對人們研究抗癌藥物也有啟發(fā)。例如利用體細胞雜交法可獲得分泌抗體的雜交細胞系，當導入的抗體素抑制癌細胞的惡變、削弱它的增殖時，細胞本身的混亂程度將會減小，趨向于穩(wěn)定的低熵狀態(tài)，這就相當于給體系內(nèi)部輸送了負熵，使體系趨于有序狀態(tài)。又如DNA是許多抗腫瘤藥物的靶分子，這些藥物通過嵌入、溝槽等方式與癌細胞的DNA結(jié)合，抑制腫瘤細胞的分裂增生，最終使腫瘤細胞增生停滯，或使其向正常細胞分化，或誘導腫瘤細胞發(fā)生程序性死亡，從而產(chǎn)生抗癌作用。阿霉素(ADM)這個抗腫瘤抗生素就是以典型的嵌入方式與DNA相互結(jié)合的[2]，破壞DNA的模塊功能，阻止轉(zhuǎn)錄過程，在抑制DNA、RNA蛋白質(zhì)合成的同時，也改變癌基因的結(jié)構(gòu)或 影響 癌基因的表達。由于ADMDNA復合物比獨立的DNA和ADM分子更有序，因此導致一定程度的熵減，有序度增加。
2 自由能與生命科學
在化學熱力學中，自由能是一個很重要的狀態(tài)函數(shù)，它是在等溫等壓及不作非體積功條件下化學反應自發(fā)進行的判據(jù)。如果ΔG<0，反應正向自發(fā)進行;ΔG=0，反應達平衡狀態(tài)，ΔG>0，正向反應不能自發(fā)進行，而逆向反應能自發(fā)進行。
21 自由能與生物大分子結(jié)構(gòu)研究
211 一種基于自由能的RNA二級結(jié)構(gòu)的預測 RNA在生命活動中有著重要作用， RNA的功能與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此研究RNA結(jié)構(gòu)對理解RNA功能、原核基因工程和與RNA有關(guān)的生命現(xiàn)象有著重要意義。但RNA分子降解快、晶體難于獲得， 目前 由于實驗條件的限制，絕大多數(shù)RNA二級結(jié)構(gòu)還不能用實驗 方法 來測定。近年來，借助 計算 機預測RNA二級結(jié)構(gòu)一直是很活躍的領(lǐng)域，不斷推出了一些預測方法，測定了許多RNA分子的二級結(jié)構(gòu)?；谧杂赡艿腞NA二級結(jié)構(gòu)的預測認為[3]，RNA二級結(jié)構(gòu)是通過分子中堿基之間配對形成的，堿基之間的連續(xù)配對形成螺旋區(qū)，對RNA二級結(jié)構(gòu)起著穩(wěn)定作用，從而降低整體結(jié)構(gòu)的自由能，而RNA分子中沒有配對部分形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)(發(fā)卡環(huán)、內(nèi)部環(huán)、膨脹圈和多分支環(huán))，不利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，升高自由能，RNA二級結(jié)構(gòu)的形成就是這種矛盾之間的一種平衡。預測RNA二級結(jié)構(gòu)最常用的方法就是在各種可能的結(jié)構(gòu)之間尋找最小自由能結(jié)構(gòu)，而基本結(jié)構(gòu)的自由能數(shù)據(jù)通過研究體外寡核苷酸穩(wěn)定性獲得。
212 通過自由能的差別劃分蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域 蛋白質(zhì)肽鏈從一級結(jié)構(gòu)完全伸展的狀態(tài)折疊成特定的三級結(jié)構(gòu)，其折疊模式很復雜，蛋白質(zhì)折疊 問題 是現(xiàn)代分子生物學的研究熱點。結(jié)構(gòu)域是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中普遍存在的一種結(jié)構(gòu)單位，是介于二級結(jié)構(gòu)單元和完整的蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)之間的一種結(jié)構(gòu)層次，可以看作是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、折疊、功能、進化和設計的基本單位。大多數(shù)的蛋白質(zhì)都可分為若干個結(jié)構(gòu)域，結(jié)構(gòu)域的不同組合使蛋白質(zhì)具有不同的三級結(jié)構(gòu)并具有不同的功能，結(jié)構(gòu)域信息對于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析在 理論 與應用上都具有重要意義。目前對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域的劃分還沒有一個十分理想的方法。20世紀90年代對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域劃分主要是根據(jù)蛋白質(zhì)的幾何結(jié)構(gòu)[4~7]，通常通過目測用手工方法來劃分，但已經(jīng)遠遠不能滿足以指數(shù)速率增加的蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)目。基于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域是折疊單位的設想，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域的折疊與去折疊形式具有不同的熱力學能量狀態(tài)，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域的折疊是由自由能變化驅(qū)動的。一般認為，天然蛋白質(zhì)構(gòu)象處于熱力學上一個低能量態(tài)，如果認為結(jié)構(gòu)域作為一種獨立折疊單元，則應該不但結(jié)構(gòu)上相對緊密，而且熱力學能量上也必然處于較低能量狀態(tài)，因此，用折疊自由能來劃分結(jié)構(gòu)域應該更為合理?；谧杂赡艿牡鞍踪|(zhì)結(jié)構(gòu)域劃分得到了比較滿意的結(jié)果[8，9]。
22 自由能與藥物分子設計
221 自由能與反義藥物設計 反義藥物是用WatsonCrick堿基配對原理與靶mRNA結(jié)合，并通過降解靶mRNA干擾特定基因表達的寡核苷酸類藥物。反義寡核苷酸必須能夠與靶mRNA進行特異雜交，才能通過RNA酶H依賴機制等降解靶mRNA。能夠接近靶序列并與之雜交是反義藥物具有藥效的首要條件，因此研究反義藥物及其靶點的構(gòu)效關(guān)系是研究熱點之一。宋海峰等[10]選擇與腫瘤細胞增殖相關(guān)的蛋白激酶Cα(PKCα)mRNA作為靶點，使用軟件RNAstructure模擬mRNA二級結(jié)構(gòu)，根據(jù)靶mRNA的一級與模擬的二級結(jié)構(gòu)，選擇二級結(jié)構(gòu)自由能大于零的不穩(wěn)定二級結(jié)構(gòu)單元膨脹環(huán)、內(nèi)環(huán)、發(fā)卡和假結(jié)等作為靶點進行反義藥物設計。用肺腺癌細胞株A549評價反義藥物的體外抗腫瘤生物活性，用軟件SPSS進行多元回歸 分析 。結(jié)果表明有效藥物作用靶點相對集中地分布于由若干二級結(jié)構(gòu)單元組成的局部二級結(jié)構(gòu)區(qū)域，稱之為“靶二級結(jié)構(gòu)域(靶域)”。“靶域”結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，但其中包含不穩(wěn)定二級結(jié)構(gòu)單元，即其自由能大于零。針對不同“靶域”設計的反義藥物顯示不同的生物活性(P<0.01)，但靶向同一“靶域”的反義藥物生物活性無統(tǒng)計差別。結(jié)論提示“靶域”現(xiàn)象有助于反義藥物靶點的選擇，并對探針、引物設計及mRNA局部功能的研究具有重要意義。
222 自由能與直接藥物設計中的分子對接 直接藥物設計是從生物靶標大分子結(jié)構(gòu)出發(fā)，尋找、設計能夠與它發(fā)生相互作用并調(diào)節(jié)其功能的小分子，分為分子對接和全新藥物設計兩種 方法 。分子對接法是通過將化合物三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中的分子逐一與靶標分子進行“對接”，通過不斷優(yōu)化小分子化合物的位置、方向以及構(gòu)象，尋找小分子與靶標生物分子作用的最佳構(gòu)象， 計算 其與生物大分子的相互作用能。利用分子對接對化合物數(shù)據(jù)庫中所有的分子排序，即可從中找出可能與靶標分子結(jié)合的分子。分子對接的核心 問題 之一就是受體和配體之間結(jié)合自由能的評價，精確的自由能預測方法能夠大大提高藥物設計的效率。在過去的20年中，隨著受體和配體相互作用的 理論 研究 以及計算機輔助藥物設計方法的快速 發(fā)展 ，自由能預測方法的研究受到了越來越多的關(guān)注。例如表皮生長因子受體(EGFR)和4苯胺喹唑啉類抑制劑的結(jié)合自由能預測。侯廷軍等[11]采用基于分子動力學模擬和連續(xù)介質(zhì)模型的自由能計算方法，預測了EGFR和4苯胺喹唑啉類抑制劑的相互作用模式，分別預測了四種可能結(jié)合模式下EGFR和4苯胺喹唑啉類抑制劑間的結(jié)合自由能，最佳結(jié)合模式能夠很好地解釋已有抑制劑結(jié)構(gòu)和活性間的關(guān)系。
23 自由能與蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程的長遠目標就是要設計出具有任意功能或結(jié)構(gòu)的全新蛋白。在醫(yī)學和生物學上往往需要蛋白質(zhì)的某一功能卻不滿意該蛋白的另外一些特點，如高分子量、抗原性、不穩(wěn)定以及不易折疊等，這些缺陷可以通過把蛋白質(zhì)的功能區(qū)嫁接到另外一個合適的骨架蛋白得以彌補。國際上已發(fā)展了幾種程序用于蛋白質(zhì)功能嫁接的研究。2000年梁世德等[12]報道了一種蛋白質(zhì)表面功能區(qū)的嫁接。他們認為蛋白質(zhì)的功能由表面區(qū)決定，其內(nèi)核只起骨架作用。首先確定被嫁接的配體表面結(jié)合區(qū)的重要殘基，在骨架蛋白中搜索適合于嫁接這些殘基的位點?；趯τ硽埢腃α,Cβ原子坐標，將骨架蛋白疊加到配體蛋白上，評估骨架蛋白與受體蛋白的互補性并留下互補性較好的骨架蛋白。細調(diào)骨架蛋白與受體蛋白的相對位置，使之具有合理的界面堆積密度，然后在骨架蛋白選出的位置上移植配體蛋白相應的殘基。該方法被嫁接的功能區(qū)及骨架蛋白的選擇是用蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(PDB)中大小與barstar相仿，殘基數(shù)為81~100的晶體結(jié)構(gòu)或優(yōu)化的平均核磁結(jié)構(gòu)作為骨架蛋白(因barnase是一種110殘基的胞外核酸酶，barstar具有異乎尋常的高親和力，在25℃時結(jié)合自由能為-79.1kJ.mol-1，PDB中已存有Barnasebarstar的復合物晶體結(jié)構(gòu)，是研究蛋白蛋白相互作用的理想模型)，共有128個，進一步篩選出互補分數(shù)較高的4個代表性蛋白作進一步 分析 ，即巰基蛋白酶抑制劑(1dvc)、質(zhì)體藍素(1plb)、轉(zhuǎn)錄起始起因子的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域(2hts)以及barstar的核磁結(jié)構(gòu)(1bta)4個蛋白，用打分函數(shù)計算這4個骨架蛋白的結(jié)合自由能，其中1plb的結(jié)合自由能為-81.6 kJ.mol-1，其結(jié)合自由能較低且平均偏差也小，是理想的骨架蛋白。得出了1plb和1bta同barnase優(yōu)化后復合物的結(jié)構(gòu)，結(jié)果較好。
24 自由能與基因診斷
241 自由能與人血管生成素基因的優(yōu)化表達 惡性腫瘤尤其是實體腫瘤的發(fā)生和發(fā)展都依賴于新生血管的不斷形成，通過新生毛細血管為腫瘤提供必需的營養(yǎng)，帶走腫瘤代謝產(chǎn)物，為腫瘤發(fā)展、轉(zhuǎn)移提供必要條件。血管生成素(angiogenin,ANG)廣泛存在于多種腫瘤組織中，在腫瘤發(fā)生的不同階段刺激新生血管的形成，且腫瘤患者血液中ANG水平高低與腫瘤的惡性程度密切相關(guān)[13]。如果能抑制ANG誘導的腫瘤血管形成，就有可能抑制腫瘤生長，甚至殺傷腫瘤細胞。利用基因工程技術(shù)生產(chǎn)血管生成素，對于研究血管生成素的作用機制及尋找抗血管生成素的藥物具有重大價值，但是該基因在大腸桿菌中不能直接表達。路凡等[14]根據(jù)原核翻譯起始序列的局部二級結(jié)構(gòu)自由能設計了AUG上下游序列，并利用RTPCR方法從人肺癌細胞系A(chǔ)549中擴增出起始區(qū)改造的ANG基因，成功構(gòu)建了人ANG的高效表達菌株。該菌株經(jīng)溫度誘導后，SDSPAGE分析顯示所表達的重組hANG蛋白質(zhì)占細菌總蛋白質(zhì)的30%以上，純化后的ANG在體外能夠有效地刺激雞胚絨毛尿囊膜的血管形成。結(jié)果表明，所設計的優(yōu)化表達方法對人ANG基因的表達是成功的。
242 自由能與人白細胞介素4在大腸桿菌中的優(yōu)化表達 人白細胞介素4(interleukin4,IL4)是一重要的免疫活性調(diào)節(jié)分子，主要由Th2細胞產(chǎn)生，在T細胞、B細胞、巨噬細胞的增殖分化及功能調(diào)空方面起重要作用。近年來發(fā)現(xiàn)IL4在樹突狀細胞擴增培養(yǎng)中至關(guān)重要。而樹突狀細胞作為一種體內(nèi)最強的抗原提呈細胞在抗腫瘤、抗感染免疫中具有不可忽視的作用。黃欣等[15]根據(jù)原核翻譯起始序列的局部二級結(jié)構(gòu)自由能，設計了AUG上下游序列，并在人IL4基因下游插入部分大腸桿菌(E.coli)LacZ序列以提高mRNA的穩(wěn)定性，成功地構(gòu)建了人IL4的高效表達克隆，命名為pLCM182hIL4。經(jīng)分析顯示所表達的重組IL4蛋白質(zhì)占細菌總蛋白的30%，且非常穩(wěn)定，目的基因下游沒有插入LacZ序列所構(gòu)建的表達克隆pCZHhIL4在大腸桿菌中的表達量則占細菌總蛋白的20%左右。而后利用同樣原理對人白細胞介素17進行優(yōu)化表達設計也獲得了同樣的結(jié)果。因此該方法所設計的優(yōu)化表達方法對人IL4基因的表達是成功的。綜上所述，熱力學原理與生命 科學 的相互滲透、相互融合，可以不斷開拓熱力學和生命科學的新的研究領(lǐng)域。
參 考 文 獻
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