Na_和Cl_对CDI活化的酸性及碱性氨基酸聚合反应的高效促进效应_cropped

Na_和Cl_对CDI活化的酸性及碱性氨基酸聚合反应的高效促进效应_cropped 第 18 卷 第 10 期 Vol . 18 No . 10 化 学 进 展 PROGRESS IN CHEMISTRY 2006 年 10 月Oct . , 2006 专论坛 ———关于化学生物学研究前沿的讨论 + - Na 和 Cl 对 CD I 活化的酸性及碱性氨基酸 聚合反应的高效促进效应 3 王孔江 辛 亮 任 洁 ()中国科学院生物物理研究所 蛋白质及多肽药物实验室 北京 100101 + + - 摘 要( ) 含 Na K及 Cl 等无机离子的水溶液是生化反应的反应体系 ,因而也是地球上最重要的反应体系 。目前科学界对这一体系中上述离子与离子之间 、离子与水分子之间 、离子与生物分子之间的弱相互 + 作用的了解还非常有限 ,很多离子特异性现象的机理至今仍不清楚 。结合我们近期发现在水溶液中 Na + - + + ( ) ( ) K及 Cl 等简单离子对带相反电荷氨基酸成肽的高效促进效应 ,本文希望强调水溶液体系中 Na K及 - Cl 等简单离子与多肽及蛋白之间的弱静电相互作用对蛋白及多肽结构和功能的重要性 。本文还讨论了水 溶液中的这些弱静电相互作用在生命起源及生命现象中的意义 。 ++ -促进效应 静电相互作用 弱相互作用 多肽 关键词 水溶液 Na KCl () 中图分类号 : Q517 ; O641 . 3 文献标识码 : A 文章编号 : 10052281X20061021391206 Polymerization of the CD I- Activated Acidic and Ba sic Amino Acids + -Eff iciently Enhanced by Na and Cl 3 Wang Kongjiang Xin Liang Ren J ie ( Protein & Peptide Pharmaceutical Laboratory , Institute of Biophysics , Chinese )Academy of Sciences , Beijing 100101 , China + + - ( ) Abstract The aqueous solution of Na Kand Cl is the reaction system for all biological reactions. In spite of this , many ion2specific phenomena in HO were largely considered mystery because of the limited understanding of the 2 weak electrostatic interactions between the ions , ion and water , ion and biomolecules. Combined with the enhanced + + - ( ) polymerization of the charged amino acids by opposite2charged common ions Na Kand Cl found recently by us , this paper intends to emphasize the importance of the weak electrostatic interactions of the ions with the charged peptides () proteinsin determining their structures and reactions. Its potentials in both the origins of life and in the living systems were also discussed. + + -aqueous solutions ; Na ; K; Cl Key words ; enhanced polymerization ; electrostatic interactions ; weak interactions ; peptides 质对反应的进程及结果有重大影响 。已知所有的生 1 水是生命的溶剂 命反应都是在水溶液中进行 。生命起源研究有一个 任何反应必须在一定的溶剂中进行 ,溶剂的性 公认的原则是 :生命起源的化学反应是在水溶液中 收稿 : 2006 年 6 月 , 收修改稿 : 2006 年 8 月 3 通讯联系人 e2mail :wangkj @moon. ibp . ac . cn ) ( () 进行的 。在近几年 NASA 美国航空航天局及 ESA oxygen2rich基团为主要配体 。与碱金属离 以富氧 () 欧洲航天局进行的火星探测 、月球探测等太空计 子配位较强的分子 , 如 cryptand , ionophore antibiotics () ( ) 划中 ,探测水的存在是其主要的科学目标之一 。在 valinomycin , nonactin及冠醚衍生物 如 182crown26 + +( ) 等 ,都是通过多个氧原子 如 C O 与 Na 及 K火星及月球的极地发现水的痕迹引起了科学界的极 - 大关注 。这都是因为水是生命的溶剂 ,是生命存在 等形成较为稳定的配位 。Cl 的配体基团主要是带 2 —4 + 正电荷的胍基 、氨基或电正性基团等。与 Na 的前提 。+ + - + 由于地壳中 Na 、K、Cl 等无机离子在水溶液 及 K配位的内圈水分子的结合也很不稳定 , 以至 于这 些 金 属 离 子 的 配 位 水 分 子 在 水 溶 液 中 [ k 中的高溶解度 ,在约 40 亿年前原始海洋的形成过程 ex - 1 5 中 ,地壳中的上述离子随着水逐渐积聚到原始海洋 ( ) HOs ]的交换速度接近扩散控制反应速度 。 2 中 ,形成生命起源过程的反应体系 ,并在约 36 亿年 1 在生物细胞及环境中的游离阳离子及阴离子的浓度 前的原始海洋中最终产生了生命 。现代生命体系仍 - 1 1 () mmol?L 1 ( ) 然保存了原始海洋的部分特点 表 1, 与生物分 Ta ble 1 Concentration of the free cations and anions in living cells 2 + 2 + - 1 1() and their environment mmol?L 子配位能力较强的 Ca及 Mg的浓度受到了严格 ++ 2 + 2 + -调控 。 systems Na KCaMgCl sea water 460 10 10 52 550 表 2 总结了生命体系常见离子的主要物理化学valonia 80 400 1 . 5 50 50 特点 。上述离子在水溶液中处于水化离子状态 , 其 - 4 red- blood cells 11 92 2 . 5 50 10 blood plasma 160 10 2 2 100 水化能相差很大 。上述阳离子的配体非常相似 ,均 6表 2 五种主要的生物相关离子的物理化学特点 6Ta ble 2 Characteristics of the five major biologically relevant ions approximate charge density ionic radii coordination 0 ion biological ligand ADHN ΔH hyd - 12 ( ( )) number ! ( k H Os )qΠr ex 2 + 10 () 6 O ether , hydroxyl , carboxylate0 . 95 1 . 05 - 416 0 . 22 Na 10+ 10 ()O ether , hydroxyl , carboxylate 1 . 33 0 . 75 - 334 0 K6 —8102 + 6() O carboxylate , carbonyl , phosphate0 . 65 6 . 15 - 1 949 5 . 8 Mg6 10 2 + 9() O carboxylate , carbonyl , phosphateCa0 . 99 4 . 04 - 1 602 2 . 1 6 —810 + - NH, guanidyl etc . — Cl 1 . 81 4 —8- 367 0 —4 0 0 + - 1 6 ΔΔ( ) H:absolute standard molar enthalpies of hydration of individual ion at 298115 K based on HH = - 1 103 kJmol ] ; ADHN = apparent hyd hd dynamic hydration numbers + + - ( ) 由于 Na K和 Cl 与几乎所有生物分子的配化 。现代生命体系中这些过渡金属离子的确在生命 90 年代 Ferris 小的催化反应中有重要意义 。上世纪 位均极其微弱 ,所以它们在生命体系的功能被公认 14 组发现了蒙脱土催化 RNA 合成 ,推动了生命起源 为 :维持渗透压 、神经信号传递 、稳定蛋白质的结构 + + - ( ) 的“RNA World”假说 。但是由于 Na K及 Cl 等等非催化功能 。有教科甚至认为 ,由于碱金属离 子在地壳中及海水中的高丰度 ,它们注定只具有非 简单离子与生物配体的结合太微弱 ,而没有人提及 7 + + - ( ) ( ) 催化 功 能 predestined for noncatalytic functions。 Na K及 Cl 可能对生命起源反应的影响 。我们 +Lippard 也 强 调“understanding the structure roles of 进行模拟生命起源的反应过程中偶然发现了 Na + - alkali metal ions in biology . . ”是生物无机化学的努 ( ) K及 Cl 等简单离子对带相反电荷的氨基酸聚 8 合成肽反应的高效促进效应 。 力目标, 而没有提及它们可能具有的功能意义 ; 而我们近期发现的结果与上述结论似不一致 。生物的蛋白合成过程非常复杂 ,其化学机理是 通过形成磷酸混合酸酐这一中间产物 ,这一中间产 + - Na 和 Cl 促进酸性及碱性氨基酸成肽反应 2 物高度活泼难以用于模拟生物的成肽反应 。在生命 生命起源问题是现代科学面临的重要科学难 ( 起 源 研 究 中 广 泛 采 用 由 羰 基 二 咪 唑 N2 题之一 。因为催化在生命过程中的极端重要性 ,所 ) carbonyldiimidazol ,CDI来活化氨基酸 ,这一反应的成 以寻找生命起源过程中可能的天然催化剂一直是生 9 —13 肽机理与生物成肽机理类似 ,中间产物为羧酸混合 命起源研究的热点。在这些综述性文献中所提 15 ,16 酸酐。 到的金属离子催化几乎都是指过渡金属离子的催 大量研究发现用 CDI 活化氨基酸 后 能 有 效 成 + - 10 期 第 王孔江等 Na 和 Cl 对 CDI 活化的酸性及碱性氨基酸聚合反应的高效促进效应?1393 ? ( ) 肽 。例 如 , 用 100 mmolΠL CDI 活 化 50 mmolΠL L2 13 肽,1 molΠL NaCl 的催化效果最好 应非常明显 ( ) glutamic acid 后置于室温反应 24 h 可形成从 2 肽到 9 合成的肽最长 16 肽, 长肽的产量也最高 ,2 molΠL 肽的谷氨酸短肽 。采用我们发展的高效液相色谱方 到 4 molΠL 的 NaCl 反而较 1 molΠL NaCl 有一定抑制 () 法 ,用 Zorbax Bio2Oligo 阴离子交换柱高效分离酸性 作用 图 1。 22 () 氨基酸短肽,用 Zorbax 3002SCX 阳离子交换柱分 3主要促进形成更多的长肽 ,同时短肽的产 量明显减少 。 离碱性氨基酸短肽 ,结合质谱等可以对这些短肽进20- + () 行表征。CDI 水解 后 产 生 的 咪 唑 对 反 应 没 有 影 4Cl 对碱性氨基酸聚合的催化效应与 Na 20 响 。前人研究发现 ,对谷氨酸聚合最有效的金属离 对酸性氨基酸聚合的催化非常相似。 2 + 17 () 5对离子的选择性 所有碱金属离子对带负 子催化剂是 Mg。电荷的酸性氨基酸有效 ,但是碱土金属离子相差很 我们的实验表明 ,所有碱金属离子对带负电荷 远 ,过渡金属离子抑制反应的进行 。阴离子对带正 ( 酸 性 氨 基 酸 L2glutamic acid , L2aspartic acid , L2 电荷的碱性氨基酸有效 ,但是阴离子的选择性没有 18 ,19 ) phospho2O2serine、氯离子等阴离子对带正电荷明显规律 。 20+ + - 的碱 性 氨 基 酸 成 肽 反 应 均 有 明 显 的 促 进 效 应( ) 上述现象表明 Na K及 Cl 等常见离子可能 () 图 1。具有“催化功能”,而且它们的“催化”效率非常高 。 () 这一发现也提出了一系列问题 : 1是否是由 于离子强度的影响 这一现象的特点之一是在 加入高达 1 molΠL 的 NaCl 时促进效果最好 ,但是我们有证据表明这不是 由于离子强度增加引起的 。例如 ,当 NaCl 的浓度为 0101 molΠL 时 即 观 察 到 对 反 应 有 影 响 , 011 molΠL ( ) NaCl 时 则 对 反 应 有 显 著 影 响 图 1c 。此 外 , 虽 然 ( 011 molΠL MgCl轻微促进肽的形成 从 10 肽增加到2 ) ( 11 肽 , 增 加 溶 液 的 离 子 强 度 0125 molΠL 及 18 ) 015 molΠL MgCl反而抑制反应的进行 。同样 ,通 2 ( 图 1 不 同 浓 度 NaCl 存 在 时 CDI 活 化 的 L2谷 氨 酸 50 过加入 MeNC?l 、EtNC?l 、PrNC?l 来增加溶液的离 子4 4 4 ) mmolΠL所形成的谷氨酸肽的 HPLC 谱图 ,a —e 分别是在强度后对成肽反应有不同影响 ,但与离子强度并 没0 molΠL ,0101 molΠL ,011 molΠL ,1 molΠL 及 3 molΠL NaCl 存 有直接关系 。 在时所形成的谷氨酸肽 ,图中数值指谷氨酸肽的谷氨酸 18残基数 Fig. 1 HPLC elution curves of CDI2induced polymerization in 18the presence of NaCl 这一现象具有如下特点 : 2 + () 1高效性 前人的研究发现 Mg是酸性氨 17 基酸成肽反应最有效的金属离子催化剂。但是 () 011 molΠL MgCl最优浓度仅使长肽的合成从 10 肽2 增加到 11 肽 ,这与前人的结果一致 。但在加入 011 molΠL NaCl 后谷氨酸寡肽的合成的长度增加到 13 , + + 加入 1 molΠL Na 或 K后长肽的合成的长度从 10 2 + 肽增加到 16 肽 。其催化效率远远超过 Mg, 甚至 ( ) 图 2 在 0 molΠL ?及 1 molΠL NaCl 存在的条件下 100 16 ,21 超过了已知最有效的固体催化剂。 mmolΠL L2谷氨酸加 10 mmolΠL CDI 活化的 L2谷氨酸反应18() 2浓度依赖 基于我们发展的高分辨率高效 体系中谷氨酸二肽合成 22 ( ) 液相色谱 HPLC方法,我们发现 0101 molΠL NaCl Fig. 2 Dimer formation of 100 mmolΠL L2Glu with 10 mmolΠL 即对反应有促进效应 ,加入 011 molΠL NaCl 时促进效 ) ( CDI2activated L2Glu in the presence of 0 molΠL NaCl ?and 18) ( 1 molΠL NaCl ? + + +( ) 2 显 示 的 是 在 100 mmolΠL 谷 氨 酸 + 10 影响 。这表明 Na K的促进效应不是由于 Na 图 作用于谷氨酸 ,也不是作用于中间产物 ,而可能是由 mmolΠL 活化的谷氨酸反应中 ,加入 1 molΠL NaCl 后 + 18 于 Na 作用于聚合反应所形成的短肽 。 的反应产物与没有 NaCl 相同。精氨酸的类似反 20 通过 Glu 单体和短肽的延长反应动力学实验 ,应结果也相同。 我们还观察到了长度 依 赖 性 现 象 : 1 molΠL NaCl 对 () 2与生命现象的关系 我们相信这一效应可能 Glu 单体延长的反应速度常数没有影响 , 对 2 肽影 与生命过程相关 。机理 + + - 响很小 ,对 3 肽增加明显 ,到 6 肽速度常数的增加值 ( ) 研究表明 ,这一现象是由于 Na K及 Cl 等离子 达到最大 。1 molΠL NaCl 对从谷氨酸单体到谷氨酸与相反电荷的短肽侧链结合引起短肽的构型变化 。 αγ8 肽的 2氨基及 2羧基的 p K 值也有类似的长度依 赖 我们 注 意 到 011 molΠL NaCl 对 反 应 有 显 著 影 响 。 + + 性变化 。 Na 及 K在体内的浓度均在 011 molΠL 左右 。由于 + 如上所述 ,Na 只对一定长度的谷氨酸短肽的 蛋白质中存在连续多个带正电荷及带负电荷的片 + + - 延长反应的速度常数有增加效应 ,所以 Na 所起的 断 ,蛋白质有大量的极性基团 ,因此 Na 及 Cl 完全 作用已经不只是反应背景电解质的作用或离子强可能通过形成盐桥等方式对蛋白质的结构及功能产 + 度 ,而是通过 Na 与短肽的相互作用引起的 。我们 生影响 。 + 认为 ,Na 与谷氨酸短肽的微弱结合引起了短肽构 () 3与生物起源的关系 型的变化从而改变短肽的反应性 。详细机理尚在研 生命起源于海洋 ,因为蛋白质的合成反应就是 究之中 。 脱水反应 ,所以大多数聚合反应在水溶液中合成的 对于这一现象究竟是不是“催化”以及“催化”的肽的长度均小于 5 肽 ,合成超过 10 肽的就更少 。虽 详细机理等问题还在研究之中 。尽管如此 ,我们的然后 来 发 现 矿 物 吸 附 可 以 合 成 较 长 的 RNA 及 + - 12 ,21( 发现显然强调微弱的静电相互作用 如 Na 及 Cl 肽,但这一体系对活化单体的利用率极低 。根 ) 等与带相反电荷的短肽之间对短肽的结构及功能据蛋白质化学原理 ,只有 30 个氨基酸残基以上的肽 23 有重要影响 。才可能形成相对稳定的结构及功能。所以如何在 水溶液体系合成长肽一直是生命起源研究的难题之 3 水溶液中的静电相互作用 +( 一 。我们的上述发现表明 ,海洋中最常见的盐 Na - 如果把生命体系看成一个超级分子体系 ,那么 ) 及 Cl 可以分别有效促进酸性及碱性氨基酸的成肽 反应形成 16 肽 ,而且加入活化单体 4 次后可以很容 这个超级体系是由一系列化学反应来维持的 。这些++ + - 易合 成 超 过 30 个 氨 基 酸 残 基 的 长 肽 。鉴 于 Na 化学反应的溶剂体系就是含 Na , K 及 Cl 等简单 + - ( ) K、Cl 是原始海洋中必不可少的成分 ,我们相信 离子的水溶液体系 。因为几乎所有生化反应都是在 + + - ( )这一发现对于生命起源中的长肽合成有重要意义 。 约 100 mmolΠL 的 Na K 及 Cl 等离子的水溶液中 () ( ) 4反应的机理进行的 both in vivo and in vitro, 所以了解水溶液 谷氨酸的聚合反应是通过活化谷氨酸对谷氨酸 中上述离子与水分子之间 、离子与离子之间 、离子与 肽进行一步步延长方式合成长肽的 ,所以聚合反应 生物分子之间的相互作用对认识生命现象具有基础 性意义 。但是 , 目前科学界对这一反应体系的认识 可以描述为 : 仍然相当有限 ,很多离子特异性反应的机理至今仍 kM kM kM kM 2 3 4 i 24 —27?G G GGGG i - 1234i 然是一个谜。 式中 M 表示 CDI 活化的谷氨酸 ; G, G, G是 Hofmeister effect 。早 在 一个 典 型 的 例 子 就 是 2 3 i k是每 i 1888 年 Franz Hofmeister 就注意到 ,不同的无机离子 长度为 2 , 3 , i 的谷氨酸肽 ,而 k, k, 2 3 ( ) 沉淀卵白蛋白的能力明显不同 Hofmeister effect: 一步延长反应的二级反应速度常数 。所以 ,了解每 2 - 2 - -- -阴离子 :SO> HPO > CH COO> Cl > NO 4 4 3 3 一步延长反应的速度常数对了解反应的机理有重要 2 + + + + + 阳离子 : Mg > Li > Na = K > NH 意义 。 4图 2 是聚合反应的第一步反应 。这一体系具有 随后在蛋白变性 ,蛋白的解聚以及对蛋白酶活 性的抑制及活化研究中也发现不同离子具有几乎相 聚合反应的所有成分如谷氨酸 、活化的谷氨酸 、中间 同顺序的影响 。其实 Hofmeister effect 远远不仅限于 () 产物 Leuchs anhydride、2 肽及 1 molΠL NaCl ,但没有对蛋白质 。纳米颗粒的沉淀 ,沸石的形态 、大小及结 比 2 肽更长的肽 。1 molΠL NaCl 的存在对反应没有 + - 10 期 第 王孔江等 Na 和 Cl 对 CDI 活化的酸性及碱性氨基酸聚合反应的高效促进效应?1395 ? (αα) 构等也与 Hofmeister effect 有关 ,简单的气泡2气泡相 2helix,所以多聚谷氨酸是 子存在时又为 2螺旋 互作用以及阴2阳离子对之间的相互作用 ,甚至是一 研究蛋白质立体化学的重要分子 。过渡金属离子与 些超分子自组装均与 Hofmeister effect 有关 ,许多胶 肽的强烈配位是众所周知的 ,但是在多聚谷氨酸的 27 研究 中 发 现 , 0101 molΠL 及 011 molΠL 的 NaCl 即 对体化学及表面化学的现象也与此有关。有人认 αNiCl诱导的谷氨酸肽 2螺旋有明显抑制 , 1 molΠL 为 ,Hofmeister effect 在物理化学及生 物 化 学 中 的 重 2 26 33 要性就如同遗传学中的孟德尔定律一样。αNaCl 则完全抑制 2螺旋的形成。对这一现象至 + Hofmeister effect 说明 , 简单无机离 子 与 蛋 白 分 今没有给出解释 。难道 Na 与多聚谷氨酸的结合比 2 + 2 + 子之间有复杂的弱相互作用 ,这些相互作用有一定 αNi与肽的结合更强所以抑制了 Ni诱导的 2螺 的选择性 ,这种弱相互作用在一定条件下可能对水 旋的形成 ? 溶液反应体系中包括蛋白的结构及功能产生重要影 至于离子与离子之间的相互作用 ,为什么 20 ? 响 。对 Hofmeister effect 的机理解释包括 : 存在一种 条件下 KClO的溶解度为 118 ,而相同条件下 NaClO4 4 的溶解度高达 181 , 为什么在离子色谱中存在明显 π新的力 、水 化 力 、特 殊 的 2阳 离 子 相 互 作 用 、离 子 的离子对选择性 ,以及不同离子与柱材料之间的复 键 、氢键 、疏水力等等 。 杂相互作用等 。我们发现的促进效应显然涉及带电 目前主要有两种理论来解释这些效应 。第一种 荷小肽与离子之间的静电相互作用 ,可以作为上述 理论认为 ,这一现象是由于不同的离子具有不同的 未解现象中新的一员 。 ( ) 形成和破坏氢键的能力 cosmotropic vs . chaotropic 对水溶液中的弱静电相互作用了解不多的重要 造成的 , 这一理论得到了较为广泛的支持 。但是 , 原因在于水溶液中静电相互作用的如下特点 : 28 Omta 等2003 年发现 , 无机离子对与离子配位的 () 1在水溶液中的静电相互作用非常微弱 两个外圈水分子的转动动力学没有影响 ,也就是说离子 单价离子在真空或晶体中的相互作用能是 对水 溶 液 的 氢 键 网 络 几 乎 没 有 影 响 。他 们 提 出 , - 100 kcalΠmol ,但是水溶液中它们形成离子对的结 34 Hofmeister effect 的机理可能是由于离子与蛋白之间 合能为零甚至为负。这就是为什么蛋白质表面 28 ,29 的特定相互作用 ,或 excluded volume 引起的。另 暴露的离子对对蛋白质的稳定性没有什么贡献 ,因 ( ) 外一种理论认为 , 扩散力 dispersion force也就是范 为形成离子对所得到的能量仅够甚至还不够补偿两 () 德华力 van der Waals forces是 Hofmeister series 个离子的去溶剂所需的能量 。尽管在生物化学中已 30 的主要原因。这一理论主要基于理论预测 ,近来 经有大量关于简单离子等与蛋白质配位及对蛋白功 31 等也得 到 了 一 些 实 验 证 据 。 Gurau 用 VSFS 能研究的报道 , 但由于蛋白质分子本身的复杂性等( ) virational sum frequency spectroscopy 技 术 研 究 因素 , 有证据支持蛋白分子离子增加蛋白质的稳定 octadecylamine 在含盐溶液的表面单层分子的烷基链 性 , 有证据反对 ,莫衷一是 。 的震动谱发现 ,阴离子对烷基链的作用与 Hofmeister () 2水化离子本身的复杂性 气相中的碱金属离effect 一致 。这一理论认为 ,较疏水的离子可以与大 π 子与苯通过 cation2相互作 + 分子的疏水部分相互作用 ,引起大分子结构的改变 。 () 用 本质为静电相互作用结合强度的顺序为 Li >+ + + 换句话说 , Hofmeister effect 与上述离子和大分子之 Na > K> Rb , 这与上述离子的电荷密度的顺序 间的静电相互作用没有直接关系 。但是这一理论还 一致 。但在水溶液中它们与苯分子结合的顺序发生 不能对水溶液中离子与蛋白之间的相互作用给出解 + + 35 + + 释 。例如 ,为什么球蛋白的电荷及两个球蛋白之间 K, Li 。因为这些 > Rb >> Na 了显著变化 的相互作用会取决于溶液中的离子成分 。 离子的水化过程中 ,电荷密度越高 ,水化分子的水化 在此我们罗列了其它一些与水溶液中的弱静电 能也越高 , 所以脱去水分子或脱去部分水分子的代 相互作用相关的未解现象 。 价也就越大 ,而水溶液中蛋白分子中极性基团的情 海水与淡水之间的差别就在于海水中有盐 ,人 况就比上述简单离子复杂得多 。在蛋白分子中 ,离类早就注意到海水容易形成泡沫而淡水不容易形成 子与蛋白之间的相互作用 ,加上蛋白的部分胶体性 32 泡沫 。有研究发现盐能抑制气泡的接合,但到目 质 ,蛋白质的构型变化对自由能的影响等等因素使 前为止这一现象的详细机理仍然不清楚 。 因为谷离子与蛋白质之间的相互作用更加复杂 。 () α氨酸多肽在低 p H 是 2螺旋 , 在中性 p H 3对微弱相互作用进行探测及表征手段的缺乏 ( ) 时为无规卷曲 random coil , 而在一些过渡金属离近代化学可以说是基于强共价相互作用的化学 2 ] Moyer B A , Bonneson P V. Supremolecular Chemistry of Anions () 200 —400 kJΠmol。但随着超分子化学的发展以及 () eds. Bianchi A , Bowman2James K , Garcia Espana E. New 对生命现象认识的深入 ,非共价相互作用越来越引 York : Wiley2VCH , 1997. 1 —41Beer P D , Gale P A. Angew Chem. Int . Ed. Engl . , 2001 , 40 : 3 ] 起化学界的注意 。非共价相互作用较共价相互作用 486 —516( ) ( 的结 合 能 binding energy弱 1 —2 个 数 量 级 2 —50 4 ] Vilar R. Angew Chem. Int . Ed. Engl . , 2003 , 42 : 1460 —14775 ] Diebler H , Eigen M , Igenfutz G , Mass G , Winkler R. Pure ) kJΠmol。在超分子化学中占主导地位的氢键其能量 Appl . Chem. , 1969 , 20 : 93 —115 Marcus J . J . Chem. Soc . Faraday Trans. , 1987 , 83 : 339 —3496 ] () 为 12 —25 kJΠmol 3 —7 kcal, 点电荷之间的库仑作 7 ] Kaim W , Schwederski B. Bioinorgainc Chemistry : Inorganic ( ) 用能更低 5 ?1 kJmol , 几 乎 等 于 室 温 下 的 热 能 。 Π Chemistry of Life , 2nd ed. John Wiley & Sons , 1994 . 267 —285 8 ] Lippard S J . Science , 1993 , 261 : 699 —700 用已 知 的 手 段 难 以 探 测 及 表 征 这 些 弱 静 电 相 互9 ] Lohrmann R , Orgel L E. Nature , 1973 , 244 : 418 —42036 作用。 ( ) Beck M T. Metal Ions in Biol . Systems ed. Sigel H, Vol . 7 . 10 ] New York : Academic Press , 1978 . 1 —28 尽管水溶液中的静电相互作用很弱 ,但是由于 ( 11 ] Ochiai E I. Cosmochemistry and the Origin of Life ed. 37 ) Ponnamperuma C. Dordrent : Reidel Publishing , 1981 . 235 —276 ( ) 静电相互作用的加成性 additivity, 分子间的总 Ferris J P. Orig. Life Evol . Biosph. , 1993 , 23 : 307 —31112 ] 相互作用能是与分子之间的总结合位点成线性增 Orgel L E. Orig. Life Evol . Biosph. , 1998 , 28 : 227 —23413 ] Ferris J P , Ertem G. Science , 1992 , 257 : 1387 —138914 ] 加 。所以稳定的相互作用需要多个结合位点 。这种 Liu R , Orgel L E. Orig. Life . Evol . Biosph. , 1998 , 28 : 47 —15 ] 60 多位点相互作用在生命体系中十分普遍 ,如分子与 Liu R , Orgel L E. Orig. Life Evol . Biosph. , 1998 , 28 : 245 —16 ] 受体的结合 ,抗原2抗体结合 ,细胞与细胞之间的识 257 38Hill A R , Orgel L E. Orig. Life Evol . Biosph. , 1996 , 26 : 。同时需要强调的是配位基团邻位的重要 17 ] 别等 539 —54539+ + ( ) 性。Na K等离子的配位数为 6 —8 。超分子Wang K J , Yao N , Li C. Orig. Life Evol . Biosph. , 2005 , 35 : 18 ] 313 —322化学的研究表明 ,它们需要 6 —8 个邻位的配体基团 Yan Q , Liu Y N , Wang KJ . 14th International Conference on the 19 ] 才可能形成较为稳定的结构 。这对一般的蛋白质来 Origins of Life . Beijing , 2005 . 161 —162Xin L , Ma Y L , Liu Y N , Yan Q , Wang K J . Biopolymers , 20 ] 说比较困难 。由于谷氨酸及精氨酸的短肽具有多个 2006 , 81 : 1 —7+ - Ferris J P , Hill A R , Liu R , Orgel L E. Nature , 1996 , 381 : 邻位的结合位点 , 可能与相反电荷的 Na 及 Cl 配21 ] 59 —60位形成较为稳定的结构 ,从而影响反应的进程 。我 Wang K J , Lai P , Li S. Anal . Biochem. , 2004 , 332 : 199 —20122 ] ( Szostak J W , Ellington A D. The RNA World eds. Gesteland R 23 ] 们发现的现象与 Hofmeister series 没有直接关系 。 ) F , Atkins J F. New York : Cold Spring Harbor Lab. Press , 水溶液中微弱的静电相互作用是自然界一种常 1993. 511 —533 Collins K D. Biophys J . , 1995 , 72 : 65 —7624 ] 见的也是基本的相互作用 。这些微弱的相互作用无 Parsegian V A. Nature , 1995 , 378 : 335 —33625 ] Vlachy V , Hribar2Lee B , Kalyuzhnyi Y V , Dill K A. Curr . 论对生命现象本身还是对生命起源都有重要意义 。26 ] Opin. Colloid Interface Sci . , 2004 , 9 :128 —132 例如 ,极端微生物能在 110 ?左右的高温 、4 molΠL 的 Kunz W , Nostro P L , Ninham B W. Curr . Opin. Colloid 27 ] NaCl 等极端条件下生存 。研究发现 ,极端微生物蛋 Interface Sci . , 2004 , 9 : 1 —18白质的氨基酸成分与普通生物并无多大差别 ,所以 Omta A W , Kropman M F , Woutersen S , Bakker H J . Science , 28 ] 2003 , 301 : 347 —349一般认为疏水相互作用及静电相互作用等弱相互作 Bachelor J D , Olteanu A , Tripathy A , Pielak G T. J . Am. 29 ] 用是极端微生物适应极端环境的关键 。嗜盐微生物 Chem. Soc . , 2004 , 126 : 1958 —1961 ( ) halophilic蛋白表面有远远多于普通蛋白的谷氨酸 Bostrom M , Williams D R M , Ninham B W. Phys. Rev. Lett . , 30 ] 2001 , 87 , art . no . 168103 ( ) 残基 carboxylates 等 极 性 基 团 及 分 子 内 盐 桥 形 Gurau M C , Lim S M , Castellana E T. J . Am. Chem. Soc . , 31 ] 2004 , 126 : 10522 —10523Craig V S J , Ninham B W , Pashley R M. Nature , 1994 , 363 : 4032 ] 成。目前对于这些基团与水分子 ,与水溶液中离 317 —319Maeda H , Hiramatsu T , Ikea S. Bull . Chem. Soc . Jpn. , 1986 , 33 ] 子等相互作用的机理以及它们如何使生物适应极端 59 : 587 —591环境等都有待进一步研究 。另外 , 离子通道是近年 Kuntz I D , Chen K , Sharp K A , Kollman P A. Proc . Natl . 34 ] Acad. Sci . , 1999 , 96 : 9997 —10002 的研究热点之一 。离子通道的实质也涉及离子与蛋 Kumpf R A , Dougherty D A. Science , 1993 , 261 : 1708 —171035 ] Muller2Dethlefs K , Hobza P. Chem. Rev. , 2000 , 100 : 143 —白之间的弱静电相互作用 。尽管近年有很多人因离36 ] 167 子通道研究而获诺贝尔奖 , 但是离子通道的详细物 Schneider H J , Schiestel T , Zimmermann P. J . Am. Chem. 37 ] Soc . , 1992 , 114 : 7698 —7703 理化学机理并不十分清楚 。 Reinhoudt D N , Crego2Calama M. Science , 2002 , 295 : 2403 — 38 ] 2407 Morisaki N , Inoue K , Kabayashi H , et al . Tetrahedron , 1996 , 39 ] 参 考 文 献 52 : 9017 —90241 ] Frausto da Silva J J R , Williams R J P. The Biological Chemistry Arkawa T , Togunaga M. Protein & Peptide Letters , 2004 , 11 : of the Elements : the Inorganic Chemistry of Life , 2nd ed. Oxford 40 ] 125 —132University Press , 2001 . 231