看似簡單的疏水效應(yīng)與去溶劑化，我們到底懂了多少？

WaterOff

2018-03-17 06:41:58

大家應(yīng)該都知道疏水效應(yīng)（hydrophobic effect），即水溶液中非極性分子折疊或締合的征象，說人話就是，油與水不互溶。疏水效應(yīng)說起來很簡單直觀，但它卻是個狠角色！比如，在蛋白折疊、藥物-蛋白相互作用，及蛋白-蛋白相互作用中，疏水效應(yīng)常常是決定性因素之一呢[1]！說到疏水性在藥物-蛋白相互作用中的緊張影響，事實上大部分上市的小分子藥物都有肯定的疏水性[2]。實驗也注解，疏水相互作用對結(jié)合的貢獻是十分偉大的，可以達到約30 cal / (mol· ?)。這是什么概念呢？比如，添加一個甲基（-CH3）產(chǎn)生的疏水相互作用，對結(jié)合自由能的貢獻是0.7kcal/mol，或者說可以提拔3.5倍左右的活性[1]! 疏水相互作用如此普遍又如此緊張，你會不會很好奇，它的本質(zhì)到底是什么？嗯，我們就是瀏覽這種求索的精神！今天，小編就和大伙兒深扒一下疏水相互作用，并且還會聊到二號主角：去溶劑化（Desolvation）。說到氫鍵或者離子鍵的本質(zhì)，可以理解為電子云肯定程度的分布交疊或者靜電相互作用。但是，疏水相互作用卻無法從原子間的力來理解，比如你很難詮釋苯環(huán)上的一個碳原子究竟是通過什么原子間作用力勾搭上甲基的碳原子，形成疏水相互作用的。那么，驅(qū)動疏水相互作用的到底是何方神圣呢？說出來，其實一點也不神秘，它就是“熵”（Entropic）[3]！我們知道在恒溫恒壓系統(tǒng)下可以用吉布斯自由能（Gibbs Free Energy）判斷熱力學(xué)過程是否自覺，其方程如下：ΔG=ΔH?TΔS 這個方程也來描述溶質(zhì)的消融過程，當(dāng)ΔG<0代表消融過程自覺，反之則不是。方程式中ΔH指焓變，ΔS指的是熵變。其實這個方程也可以用來描述藥物分子和蛋白的相互作用過程：任何的藥物結(jié)合過程其實都是焓變和熵變的共同效果，只是我們在理解結(jié)合過程時每每忽略了熵變的作用。熵，是啥玩意兒呢？官方定義，熵是系統(tǒng)下所有微觀狀況數(shù)的總和的天然對數(shù)值乘以玻爾茲曼常數(shù)。對這個定義看不懂也沒關(guān)系，我們只必要知道，從自由能的角度，假如某種轉(zhuǎn)變使得系統(tǒng)有更多的狀況數(shù)，則有利于這種轉(zhuǎn)變的自覺。回到我們的疏水作用上，假如我們將疏水性的溶質(zhì)丟進水中，那自由能如何轉(zhuǎn)變呢？首先水中原本的氫鍵網(wǎng)絡(luò)將會被破壞以騰出空間給疏水性溶質(zhì)，這是一個吸熱過程。緊接著，在疏水性溶質(zhì)四周，水分子將會形成一個類似牢籠的結(jié)構(gòu)，形成更加有序的氫鍵。上圖透露表現(xiàn)不同溫度下溶質(zhì)消融的焓變、熵變和吉布斯自由能轉(zhuǎn)變。橫軸代表不同溫度。左圖是LJ溶質(zhì)消融到MB水溶液中的理論展望效果，右圖是疏水溶質(zhì)消融的實驗效果。橫軸代表溫度，可以看到不同溫度下疏水性溶質(zhì)的消融吉布斯自由能都是正的，也就是說，不能自覺消融。回到小分子藥物與蛋白相互作用系統(tǒng)上，如今有人問你，為什么加入疏水性基因可以進步藥物分子的活性呢？領(lǐng)悟了如上所述的攻略，你是不是很輕松地就能找到答案：由于疏水性基團進入疏水性的蛋白口袋，使得團體的疏水性基團盡量少的暴露在水溶液中，于是就使系統(tǒng)更加穩(wěn)固從而提拔活性。這個回答可以給滿分吧？^_^ 但是呢，還沒完，假如我告訴你，疏水基團與親水基團的替代，甚至可以讓活性轉(zhuǎn)變4萬倍，你會不會覺得難以置信？來，不急，我們繼承聊~ 故事照舊得從疏水效應(yīng)說起：在某些系統(tǒng)中，疏水性蛋白外觀用一些合適的疏水性原子占有，我們發(fā)現(xiàn)，這對結(jié)合自由能的貢獻可以達到幾個kcal/mol [4]！比如下面這個例子： factor Xa和其克制劑的結(jié)晶結(jié)構(gòu)（PDB Code 2j4i）上圖例子中可以看到，Tyr99、Trp215和Phe174組成的疏水性的結(jié)合空腔，通過配體上的異丙基形成疏水相互作用，從而進步活性。但是這一次，不提則已，一提就是驚人的4萬倍！這是為什么呢？要說清楚這個題目，就得請出今天的二號主角，也是大家在藥物設(shè)計中容易忽略的，去溶劑化效應(yīng)（desolvation）。如下圖清晰的描述了該過程，藥物分子在水溶液環(huán)境里進入靶標(biāo)蛋白結(jié)合空腔的過程中，必要離開原來的水環(huán)境，并且將靶標(biāo)結(jié)合口袋中的水排出，這個過程中耗散或獲得的能量就是去溶劑化能。在水環(huán)境中藥物分子進入蛋白結(jié)合空腔的過程示意圖上圖可以看到2j4i中的配體結(jié)合口袋在靠近蛋白外觀，處于溶劑容易進入的區(qū)域。紅色區(qū)域代表暴露溶劑中的區(qū)域，青色代表疏水區(qū)域，粉色代表極性基團區(qū)域。值得詳細的是，去溶劑化也有可能會導(dǎo)致看起來能夠很好地與受體結(jié)合的分子其實并不能很好地結(jié)合。比如在一個針對HIV-1蛋白酶克制劑耐藥性的研究中發(fā)現(xiàn)，由于突變導(dǎo)致結(jié)合口袋的去溶劑化能明顯進步，從而導(dǎo)致了耐藥性[7]。再比如在有喹唑啉母環(huán)的化合物是一類緊張的EGFR（epidermal growth factor receptor，表皮生成因子受體）克制劑，易瑞沙和特羅凱都屬于該類藥物。
比如下圖的兩個化合物，左圖為聞名藥物特羅凱，右圖為發(fā)現(xiàn)的另外一個同系的EGFR克制劑（臨時稱為化合物A）[8]。右圖化合物A能與EGFR 的Asp776形成離子鍵，大家知道離子鍵能達到的鍵能是極強的，理論上，與特羅凱相比，化合物A的活性提拔應(yīng)該遠不止10倍。上圖為化合物A和特羅凱的疊合效果，可以看到化合物A能和Asp776形成鍵能較強的離子鍵，但是活性卻只提拔了10倍！其實這正是因為去溶劑化能的影響，Asp776位于溶劑可及的蛋白外觀上，容易與水形成較為穩(wěn)固的氫鍵，因此要與-NH3+作用時必須離開與某些水分子的作用而耗費肯定的能量。同理，化合物A上的-NH3+也是一樣的，必要斷開一部分與水形成的氫鍵在于Asp776的羧基相互作用。因此看似形成很強的氫鍵，但是因為去溶劑化的作用，其活性的提拔未必有想象中的理想。我們細想一下會發(fā)現(xiàn)，整個過程中的焓變（ΔH）很難說是正、負或者不變的，由于新形成的氫鍵或許能補償?shù)谝徊酱驍嗟臍滏I的能量。但是，疏水性溶質(zhì)四周更加有序（結(jié)構(gòu)化）的水分子將使得系統(tǒng)的熵變（ΔS）減小，并且這個轉(zhuǎn)變每每比焓變的轉(zhuǎn)變更大。根據(jù)吉布斯自由能公式，ΔG=ΔH?TΔS，較小的ΔH（正負未知）減去一個負的較大的ΔS，這個效果是正的，代表著疏水性溶質(zhì)無法自覺的消融到水中。當(dāng)疏水性溶質(zhì)聚集時，這個聚集的團體與水的接觸外觀比溶質(zhì)完全均勻分散在溶液中的接觸外觀小，有序化的水分子降到最少，自由的、有更多狀況數(shù)的水分子達到最多，同時熵也最大，這就是疏水效應(yīng)。上圖是factor Xa和其克制劑（From GSK）的結(jié)晶結(jié)構(gòu)（PDB Code 2j4i），其Ki是1nM，但是假如將圖示中高亮出的異丙基替代成氫（H），其活性直接降落到39μM，活性直接相差了4萬倍！回到factor Xa的例子，我們在3D結(jié)構(gòu)中看一下結(jié)合口袋的位置（下圖），很顯明，結(jié)合口袋并未深入蛋白質(zhì)內(nèi)部，而是在靠近溶劑可及的外觀。假設(shè)沒有疏水性的異丙基占有，疏水性空腔位置可能占有著一些水分子，同樣這些在疏水外觀的水分子會更加的有序其狀況數(shù)會較少，從而對結(jié)合自由能有不利的貢獻；而通過異丙基能夠幫助排出這些水分子，從而獲得除了疏水相互作用外的一部分能量，所以活性被大大提拔了[5，6]。從這個例子中我們可以看到，藥物設(shè)計中我們還必要考慮在無配體結(jié)合狀況下結(jié)合口袋可能的水化狀況！更多納米防水資訊請關(guān)注納米防水微信號: nanowp