看似简单的疏水效应与去溶剂化，我们到底懂了多少？

WaterOff

2018-03-17 06:41:58

大家应该都知道疏水效应（hydrophobic effect），即水溶液中非极性分子折叠或缔合的征象，说人话就是，油与水不互溶。疏水效应说起来很简单直观，但它却是个狠角色！比如，在蛋白折叠、药物-蛋白相互作用，及蛋白-蛋白相互作用中，疏水效应常常是决定性因素之一呢[1]！说到疏水性在药物-蛋白相互作用中的紧张影响，事实上大部分上市的小分子药物都有肯定的疏水性[2]。实验也注解，疏水相互作用对结合的贡献是十分伟大的，可以达到约30 cal / (mol· ?)。这是什么概念呢？比如，添加一个甲基（-CH3）产生的疏水相互作用，对结合自由能的贡献是0.7kcal/mol，或者说可以提拔3.5倍左右的活性[1]! 疏水相互作用如此普遍又如此紧张，你会不会很好奇，它的本质到底是什么？嗯，我们就是浏览这种求索的精神！今天，小编就和大伙儿深扒一下疏水相互作用，并且还会聊到二号主角：去溶剂化（Desolvation）。说到氢键或者离子键的本质，可以理解为电子云肯定程度的分布交叠或者静电相互作用。但是，疏水相互作用却无法从原子间的力来理解，比如你很难诠释苯环上的一个碳原子究竟是通过什么原子间作用力勾搭上甲基的碳原子，形成疏水相互作用的。那么，驱动疏水相互作用的到底是何方神圣呢？说出来，其实一点也不神秘，它就是“熵”（Entropic）[3]！我们知道在恒温恒压系统下可以用吉布斯自由能（Gibbs Free Energy）判断热力学过程是否自觉，其方程如下：ΔG=ΔH?TΔS 这个方程也来描述溶质的消融过程，当ΔG<0代表消融过程自觉，反之则不是。方程式中ΔH指焓变，ΔS指的是熵变。其实这个方程也可以用来描述药物分子和蛋白的相互作用过程：任何的药物结合过程其实都是焓变和熵变的共同效果，只是我们在理解结合过程时每每忽略了熵变的作用。熵，是啥玩意儿呢？官方定义，熵是系统下所有微观状况数的总和的天然对数值乘以玻尔兹曼常数。对这个定义看不懂也没关系，我们只必要知道，从自由能的角度，假如某种转变使得系统有更多的状况数，则有利于这种转变的自觉。回到我们的疏水作用上，假如我们将疏水性的溶质丢进水中，那自由能如何转变呢？首先水中原本的氢键网络将会被破坏以腾出空间给疏水性溶质，这是一个吸热过程。紧接着，在疏水性溶质四周，水分子将会形成一个类似牢笼的结构，形成更加有序的氢键。上图透露表现不同温度下溶质消融的焓变、熵变和吉布斯自由能转变。横轴代表不同温度。左图是LJ溶质消融到MB水溶液中的理论展望效果，右图是疏水溶质消融的实验效果。横轴代表温度，可以看到不同温度下疏水性溶质的消融吉布斯自由能都是正的，也就是说，不能自觉消融。回到小分子药物与蛋白相互作用系统上，如今有人问你，为什么加入疏水性基因可以进步药物分子的活性呢？领悟了如上所述的攻略，你是不是很轻松地就能找到答案：由于疏水性基团进入疏水性的蛋白口袋，使得团体的疏水性基团尽量少的暴露在水溶液中，于是就使系统更加稳固从而提拔活性。这个回答可以给满分吧？^_^ 但是呢，还没完，假如我告诉你，疏水基团与亲水基团的替代，甚至可以让活性转变4万倍，你会不会觉得难以置信？来，不急，我们继承聊~ 故事照旧得从疏水效应说起：在某些系统中，疏水性蛋白外观用一些合适的疏水性原子占有，我们发现，这对结合自由能的贡献可以达到几个kcal/mol [4]！比如下面这个例子： factor Xa和其克制剂的结晶结构（PDB Code 2j4i）上图例子中可以看到，Tyr99、Trp215和Phe174组成的疏水性的结合空腔，通过配体上的异丙基形成疏水相互作用，从而进步活性。但是这一次，不提则已，一提就是惊人的4万倍！这是为什么呢？要说清楚这个题目，就得请出今天的二号主角，也是大家在药物设计中容易忽略的，去溶剂化效应（desolvation）。如下图清晰的描述了该过程，药物分子在水溶液环境里进入靶标蛋白结合空腔的过程中，必要离开原来的水环境，并且将靶标结合口袋中的水排出，这个过程中耗散或获得的能量就是去溶剂化能。在水环境中药物分子进入蛋白结合空腔的过程示意图上图可以看到2j4i中的配体结合口袋在靠近蛋白外观，处于溶剂容易进入的区域。红色区域代表暴露溶剂中的区域，青色代表疏水区域，粉色代表极性基团区域。值得详细的是，去溶剂化也有可能会导致看起来能够很好地与受体结合的分子其实并不能很好地结合。比如在一个针对HIV-1蛋白酶克制剂耐药性的研究中发现，由于突变导致结合口袋的去溶剂化能明显进步，从而导致了耐药性[7]。再比如在有喹唑啉母环的化合物是一类紧张的EGFR（epidermal growth factor receptor，表皮生成因子受体）克制剂，易瑞沙和特罗凯都属于该类药物。
比如下图的两个化合物，左图为闻名药物特罗凯，右图为发现的另外一个同系的EGFR克制剂（临时称为化合物A）[8]。右图化合物A能与EGFR 的Asp776形成离子键，大家知道离子键能达到的键能是极强的，理论上，与特罗凯相比，化合物A的活性提拔应该远不止10倍。上图为化合物A和特罗凯的叠合效果，可以看到化合物A能和Asp776形成键能较强的离子键，但是活性却只提拔了10倍！其实这正是因为去溶剂化能的影响，Asp776位于溶剂可及的蛋白外观上，容易与水形成较为稳固的氢键，因此要与-NH3+作用时必须离开与某些水分子的作用而耗费肯定的能量。同理，化合物A上的-NH3+也是一样的，必要断开一部分与水形成的氢键在于Asp776的羧基相互作用。因此看似形成很强的氢键，但是因为去溶剂化的作用，其活性的提拔未必有想象中的理想。我们细想一下会发现，整个过程中的焓变（ΔH）很难说是正、负或者不变的，由于新形成的氢键或许能补偿第一步打断的氢键的能量。但是，疏水性溶质四周更加有序（结构化）的水分子将使得系统的熵变（ΔS）减小，并且这个转变每每比焓变的转变更大。根据吉布斯自由能公式，ΔG=ΔH?TΔS，较小的ΔH（正负未知）减去一个负的较大的ΔS，这个效果是正的，代表着疏水性溶质无法自觉的消融到水中。当疏水性溶质聚集时，这个聚集的团体与水的接触外观比溶质完全均匀分散在溶液中的接触外观小，有序化的水分子降到最少，自由的、有更多状况数的水分子达到最多，同时熵也最大，这就是疏水效应。上图是factor Xa和其克制剂（From GSK）的结晶结构（PDB Code 2j4i），其Ki是1nM，但是假如将图示中高亮出的异丙基替代成氢（H），其活性直接降落到39μM，活性直接相差了4万倍！回到factor Xa的例子，我们在3D结构中看一下结合口袋的位置（下图），很显明，结合口袋并未深入蛋白质内部，而是在靠近溶剂可及的外观。假设没有疏水性的异丙基占有，疏水性空腔位置可能占有着一些水分子，同样这些在疏水外观的水分子会更加的有序其状况数会较少，从而对结合自由能有不利的贡献；而通过异丙基能够帮助排出这些水分子，从而获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]。从这个例子中我们可以看到，药物设计中我们还必要考虑在无配体结合状况下结合口袋可能的水化状况！更多纳米防水资讯请关注纳米防水微信号: nanowp