摘 要 金屬元素常見于天然蛋白質(zhì)分子中，并扮演著不可或缺的重要角色。對金屬與氨基酸的配位方式的不斷深入理解，有助于人工設(shè)計(jì)新型的金屬⁃多肽配位模式，并在多肽結(jié)構(gòu)功能優(yōu)化、分子組裝、標(biāo)記與成像以及藥物設(shè)計(jì)等領(lǐng)域獲得更廣泛的研究和應(yīng)用。本文首先簡要介紹蛋白質(zhì)中的不同基團(tuán)與金屬離子之間的配位模式以及具體的研究案例，進(jìn)而介紹了金屬配位在多肽分子的二級結(jié)構(gòu)調(diào)控、超分子結(jié)構(gòu)組裝、多肽及蛋白質(zhì)的熒（磷）光標(biāo)記、蛋白質(zhì)折疊方式分析等基礎(chǔ)研究中的應(yīng)用。最后，對上述研究領(lǐng)域?yàn)榻饘?#8259;多肽類分子探針或藥物的設(shè)計(jì)優(yōu)化所提供的發(fā)展?jié)摿M(jìn)行展望。
在天然生物分子中，金屬元素扮演著不可或缺的重要角色。例如在已知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子當(dāng)中，大約有近一半的分子含有一個或多個金屬元素。這些金屬元素通過配位相互作用，同肽鏈中的咪唑基、巰基、羧基、氨基或其他基團(tuán)形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在多種重要生物學(xué)現(xiàn)象，如光合作用、酶催化反應(yīng)、ＤＮＡ 復(fù)制、ＲＮＡ 轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)翻譯等中起著關(guān)鍵作用。隨著多年來的研究，人們對一些常見金屬元素如鐵、銅、錳、鋅、鈣、鎂，以及自然界較少見的金屬元素如鎳、釩、鉑、金、銥或類金屬元素如砷等與蛋白質(zhì)多肽分子之間作用機(jī)理的了解不斷加深。這些認(rèn)識進(jìn)一步推動了新型金屬配位化合物的人工設(shè)計(jì)與合成，并用于蛋白質(zhì)和多肽的功能研究。
金屬元素在天然生物分子體系中的作用大致可以分為兩個方面，一方面是金屬對蛋白質(zhì)分子起到了結(jié)構(gòu)性的穩(wěn)定與維持作用，例如在核酸轉(zhuǎn)錄因子中常見的鋅指結(jié)構(gòu)，鋅原子通過與蛋白質(zhì)序列中的組氨酸與半胱氨酸的組合配位，形成非常特征的 β轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)，以滿足與 ＤＮＡ 結(jié)構(gòu)相結(jié)合的需要。另一方面是金屬及其復(fù)合物參與了生物過程并提供不可替代的功能性作用，例如在血紅蛋白中的二價(jià)鐵離子，通過與氧分子的結(jié)合和釋放，承擔(dān)了在血液中輸氧的功能。在人工設(shè)計(jì)的金屬（類金屬） 與多肽蛋白質(zhì)的配位相互作用中，金屬也可以從上述兩個方面發(fā)揮作用，例如提供針對特定多肽序列或蛋白質(zhì)構(gòu)象的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與組裝功能，以及提供包括熒（磷）光成像、放射性治療、核磁造影等內(nèi)在功能，并可在進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)后構(gòu)建具有復(fù)合功能的生物探針或治療分子，用于生物醫(yī)學(xué)的研究。
本文首先回顧和例舉多肽與蛋白質(zhì)中的不同基團(tuán)與金屬或類金屬離子之間的主要配位作用方式，進(jìn)而歸納近年來在該領(lǐng)域中比較突出的幾類應(yīng)用實(shí)例，例如金屬配位化合物在多肽分子的二級結(jié)構(gòu)調(diào)控、超分子結(jié)構(gòu)組裝、多肽及蛋白質(zhì)的熒（磷） 光標(biāo)記與示蹤、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域折疊方式分析等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的不同程度的應(yīng)用，并展望了上述研究為金屬⁃多肽類分子探針或藥物的設(shè)計(jì)優(yōu)化所提供的發(fā)展?jié)摿Α?/span>
２ 多肽序列中的配位化合物結(jié)合位點(diǎn)
在許多生命活動中，金屬離子的配位可以有效地影響多肽的二級結(jié)構(gòu)，驅(qū)動蛋白質(zhì)折疊和組裝，從而調(diào)控功能蛋白質(zhì)的生物活性。了解多肽鏈中各基團(tuán)與不同金屬離子的配位方式和能力將有助于人工設(shè)計(jì)和優(yōu)化多肽與金屬的配位結(jié)構(gòu)。而對天然的功能多肽片段，則有望通過配位化合物的結(jié)合，模擬天然的結(jié)構(gòu)，獲得優(yōu)化的生物活性。作為多肽的結(jié)構(gòu)單元，常見的 ２０ 種氨基酸均由 Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ、Ｓ 等元素組成。其中，以羧基（—ＣＯＯＨ）中的氧原子、咪唑基團(tuán)所含的氮原子以及巰基（—ＳＨ）所含的硫原子的給電子能力最強(qiáng)，最易參與配位反應(yīng)。利用蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（Ｐｒｏｔｅｉｎ Ｄａｔａ Ｂａｎｋ， ＰＤＢ）分析發(fā)現(xiàn)，在生物系統(tǒng)中各種氨基酸殘基參與金屬離子配位的頻率最高的是谷氨酸（Ｇｌｕ）和天冬氨酸（Ａｓｐ）的羧基，組氨酸（ Ｈｉｓ） 的 咪 唑 基 團(tuán) 以 及 半 胱 氨 酸 （ Ｃｙｓ） 的 巰基［１，２］。
羧基在生理 ｐＨ 條件下完全去質(zhì)子化，提供具有很強(qiáng)配位能力的—ＣＯＯ－ 基團(tuán)，在與金屬離子的相互作用中扮演重要的角色。例如脊椎動物的肌肉收縮就需要通過肌鈣蛋白與 Ｃａ（Ⅱ） 的相互作用來進(jìn)行調(diào)控［３］。一般來說，肌鈣蛋白中 Ｃａ（Ⅱ） 結(jié)合位點(diǎn)有多個，而在無脊椎動物中，卻會因?yàn)殛P(guān)鍵結(jié)合位點(diǎn)的氨基酸不同，而丟失部分 Ｃａ（Ⅱ） 的螯合能力［４］。參與 Ｃａ（Ⅱ） 配位的關(guān)鍵氨基酸殘基便是Ａｓｐ 和 Ｇｌｕ 的 羧 基［５］。近 期 圍 繞 帕 金 森 病（Ｐａｒｋｉｎｓｏｎ̓ｓ ｄｉｓｅａｓｅ， ＰＤ）的研究表明，ＰＤ 相關(guān)基因ＰＡＲＫ９ 編碼的蛋白質(zhì)主要通過 Ａｓｐ 和 Ｇｌｕ 的羧基以及 Ｈｉｓ 的咪唑基團(tuán)螯合 Ｍｎ（Ⅱ），來防止 Ｍｎ（Ⅱ）引發(fā)的 ＰＤ 相關(guān)癥狀［６］。常見的通過 Ａｓｐ 和 Ｇｌｕ 與多肽配位結(jié)合的過渡金屬主要包括：Ｃａ （ Ⅱ）、Ｍｇ（Ⅱ）、Ｍｎ（Ⅱ）等［７］。
通過 Ｎ 原子提供配位電子的基團(tuán)主要包括—ＮＨ２和咪唑基團(tuán)。位于肽鏈主鏈 Ｎ 末端的伯胺基團(tuán)（α⁃ＮＨ２ ，ｐＫａ ＝ ８.９）具有較好的參與配位的能力，相對而言賴氨酸側(cè)鏈末端的氨基 （ ε⁃ＮＨ２ ， ｐＫａ ＝１０.７９）在中性條件下的配位能力則很弱。在常見的 ２０ 種氨基酸中，組氨酸與金屬離子之間的配位作用，在天然生命活動過程中具有十分重要的意義。組氨酸的咪唑基團(tuán)上的 ３ 位氮原子在中性條件下（ｐＫａ ＝ ６.０４）即可去質(zhì)子化，為金屬離子與蛋白質(zhì)的結(jié)合綁定提供了重要的接入位點(diǎn)，調(diào)控各種蛋白質(zhì)的功能。
另據(jù)報(bào)道，Ｃｕ（Ⅱ） 和 Ｚｎ（Ⅱ） 都可以與 β⁃淀粉樣蛋白多肽 （ ａｍｙｌｏｉｄ β， Ａβ） 結(jié)合，導(dǎo)致 Ａβ 聚集，與老年癡呆癥 （Ａｌｚｈｅｉｍｅｒ.ｓ ｄｉｓｅａｓｅ） 的進(jìn)程密切相關(guān)［１１］。Ｃｕ（Ⅱ） 或 Ｚｎ（Ⅱ） 的配位會導(dǎo)致 Ａβ 多肽的結(jié)構(gòu)變化［１２，１３］，參與配位的關(guān)鍵位點(diǎn)正是多肽序列中 Ｎ 末端的氨基和三個組氨酸的咪唑基團(tuán)（圖１ ｂ）。
這些例子都表明，針對特定金屬離子所設(shè)計(jì)的多肽類螯合劑，在相關(guān)疾病的治療中具有廣泛的應(yīng)用前景。而另一方面，也顯示出組氨酸的咪唑基團(tuán)作為關(guān)鍵氨基酸殘基，參與配位反應(yīng)的能力和應(yīng)用的廣泛性。因此，在多肽的設(shè)計(jì)中，組氨酸可以很好的為配位化合物的結(jié)合提供位點(diǎn)。常用的通過組氨酸與多肽配位結(jié)合的過渡金屬主要包括：Ｚｎ（Ⅱ）、Ｃｕ（Ⅱ）、Ｎｉ（Ⅱ）、Ｃｏ（Ⅱ）、Ｐｄ（Ⅱ）及 Ｒｕ（Ⅱ）［１４］ 和Ｒｕ（Ⅲ）［１５］等。
某些富含半胱氨酸、有突出的金屬配位能力的蛋白質(zhì)被統(tǒng)稱為金屬硫蛋白（ｍｅｔａｌｌｏｔｈｉｏｎｅｉｎｓ）［１８］。正是巰基中硫（ Ｓ）原子良好的給電子能力，使其可以作為良好的電子供體參與配位反應(yīng)，從而讓半胱氨酸成為多肽序列中良好的錨定位點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于配位化合物參與的多肽結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的設(shè)計(jì)領(lǐng)域。與含有半胱氨酸的多肽配位結(jié)合能力較強(qiáng)的金屬離子還包括：Ｐｂ （Ⅱ）［１９］，Ｃｄ （Ⅱ）［２０，２１］， Ｈｇ （Ⅱ）［２２］，Ｎｉ（Ⅱ）［２３］，以及類金屬元素例如下文將提到的 Ａｓ（Ⅲ）等。
３ 金屬配位對多肽結(jié)構(gòu)的影響
天然多肽序列由于結(jié)構(gòu)上過度柔性，導(dǎo)致穩(wěn)定性差，面臨著易被體內(nèi)尤其是胃腸道的各類酶水解，體內(nèi)循環(huán)滯留時(shí)間短等問題。功能多肽的生物利用率低，限制了多肽作為藥物制劑的實(shí)際療效［２４］。大部分處于蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用（ＰＰＩｓ）關(guān)鍵界面的多肽序列的結(jié)構(gòu)特征與多肽的生物活性之間存在著必然的聯(lián)系。配位化合物的綁定，對多肽結(jié)構(gòu)具有顯著的影響：一方面，體現(xiàn)在對多肽結(jié)構(gòu)柔性的改善，使其獲得受到限制的穩(wěn)定構(gòu)象，有效地提高抗酶解能力和識別受體的選擇性；另一方面，這種配位可以驅(qū)動結(jié)構(gòu)松散的多肽序列折疊或組裝形成固定的結(jié)構(gòu)，從而具有更好的生物活性。
因此，人工設(shè)計(jì)的功能多肽序列前體，通過在特定位點(diǎn)引入的特殊氨基酸殘基為配位化合物的綁定提供位點(diǎn)，即可以配位結(jié)合的方式限制多肽，使其維持穩(wěn)定的、具有更好生物活性的特殊結(jié)構(gòu)。讓多肽模擬其在天然蛋白質(zhì)中穩(wěn)定的構(gòu)象，有效地提高其穩(wěn)定性和抗剪切能力。同時(shí)，這種模擬可以轉(zhuǎn)化成多肽藥物前體新陳代謝的穩(wěn)定性、識別專一性以及生物活性，讓多肽展示出更好的生物學(xué)功能，并保留其優(yōu)良的生物相容性和安全性［２５］。大量的報(bào)道表明，金屬離子的螯合可以引發(fā)或影響多肽的折疊，這里將主要介紹一些利用配位化合物使多肽獲得固定的構(gòu)象和優(yōu)化的生物功能的具體設(shè)計(jì)方案。
針對 ＰＰＩｓ 的分析表明，許多處于關(guān)鍵交互界面的多肽為環(huán)狀（ｌｏｏｐ）結(jié)構(gòu)［２６］。多肽的環(huán)化，是對天然蛋白質(zhì)功能結(jié)構(gòu)的模擬，可以讓多肽具有在蛋白質(zhì)中明確的構(gòu)象。某些具有靶向識別功能的短肽序列，將其首尾連接形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，可以有效地提高其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和受體的親合力，展示出更優(yōu)越的生物活性。例如整合素靶向短肽序列 ＲＧＤ［２７］、Ｎ⁃鈣粘 蛋 白 靶 向 肽 ＨＡＶ［２８］、 黑 色 素 瘤 靶 向 肽 α⁃ＭＳＨ［２９ ～ ３１］、ｃｏｎｏｔｏｘｉｎ等。
除了傳統(tǒng)的通過二硫鍵或首尾酰胺縮合的方法讓多肽成環(huán)之外，利用金屬配位化合物與多肽相互作用來構(gòu)建環(huán)化結(jié)構(gòu)的方法，為多肽的環(huán)化設(shè)計(jì)注入了新的思路。利用金屬錸（ ｒｈｅｎｉｕｍ， Ｒｅ） 和锝（ｔｅｃｈｎｅｔｉｕｍ， Ｔｃ）配位化合物與半胱氨酸配位，研究人員成功地使 α 促黑激素肽（α⁃ＭＳＨ）形成穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，有效提升了其靶向功能［２９］�；谟袡C(jī)環(huán)金屬 Ｉｒ（Ⅲ） 配位化合物與組氨酸的配位方案，也被成功用于 ＨＲＧＤＨ 多肽的環(huán)化，有效提升了靶向多肽的選擇性［３３］。
金屬元素與多肽的多價(jià)化配位結(jié)合模式?jīng)Q定了其不但可以在分子內(nèi)提供多肽折疊成具有特殊二級結(jié)構(gòu)，還可以介導(dǎo)分子間的相互作用，構(gòu)建出理想的三級或四級結(jié)構(gòu)，有望進(jìn)一步用于超分子功能多肽／蛋白質(zhì)架構(gòu)自組裝的設(shè)計(jì)和調(diào)控。
通過在多肽結(jié)構(gòu)上進(jìn)行配位氨基酸的多價(jià)位設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步利用金屬配位，實(shí)現(xiàn)對多肽自組裝的誘導(dǎo)與結(jié)構(gòu)強(qiáng)化。例如，利用 Ｚｎ（Ⅱ） 與組氨酸配位， 實(shí) 現(xiàn) β 淀 粉 樣 多 肽 組 裝 的 控 制［３９］；利 用Ｐｂ（Ⅱ）， Ｚｎ（Ⅱ）， Ｃｄ（Ⅱ）， Ｈｇ（Ⅱ）與 β 折疊多肽內(nèi)設(shè)計(jì)的半胱氨酸的配位，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn) β 折疊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定以及多肽水凝膠的形成［４０］；通過在 α 螺旋肽的 ｉ， ｉ ＋ ４， ｉ ＋ ７， ｉ ＋ １１ 位置上引入羥基谷氨酸，可以使其在 Ｃａ（Ⅱ）離子存在的情況下，產(chǎn)生螺旋，并自組裝形成平行或反平行的結(jié)構(gòu)組合［４１，４２］。金屬元素通過配位反應(yīng)控制多肽材料的組裝和功能復(fù)合化將有望應(yīng)用于組織修復(fù)與再生等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
４ 基于配位作用的多肽熒光標(biāo)記在生物學(xué)中的應(yīng)用
這種 Ｉｒ（Ⅲ） 配合物與組氨酸之間的第二種配位模型被進(jìn)一步應(yīng)用于多肽結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定環(huán)化，同時(shí)賦予多肽復(fù)合物良好的多重生物學(xué)效應(yīng)包括優(yōu)化的入胞效率、靶向性以及與毒性多肽 ＫＬＡ 耦聯(lián)后展示出的選擇性抗癌活性等［３３］。
總的來說，這種新型的磷光多肽環(huán)化方法是多肽標(biāo)記和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理想結(jié)合。配位反應(yīng)帶來的磷光為功能多肽的追蹤提供了必要的監(jiān)測信號，為后續(xù)的細(xì)胞行為觀測和機(jī)理分析提供了極大的便利。而配位賦予多肽環(huán)狀結(jié)構(gòu)的同時(shí)提供了良好的親脂性，對多肽本身的生物功能以及入胞能力都有顯著的優(yōu)化效果。
５ 展望
不同的配位化合物與多肽的結(jié)合，具有各自特殊的氨基酸偏好。而這種配位反應(yīng)所具備的選擇性，讓我們可以根據(jù)不同的情況和需求設(shè)計(jì)多肽序列，讓配位發(fā)生在我們預(yù)期的位點(diǎn)，從而用于限制多肽的二級結(jié)構(gòu)，驅(qū)動多肽的折疊，優(yōu)化其生物活性等。雖然有大量的報(bào)道不斷揭示著各種氨基酸與不同金屬離子之間的配位模型，但真正將這種相互作用深入應(yīng)用到生物學(xué)中的成功案例并不多見。本文著重介紹的兩類具有代表性的帶有熒／ 磷光的配位模式，其配位反應(yīng)機(jī)理明確，選擇性強(qiáng)，尤其重要的是配位產(chǎn)物所產(chǎn)生的熒／ 磷光信號。這類配位體系具有獨(dú)特的優(yōu)勢：（１）與傳統(tǒng)的利用 ＥＤＣ、琥珀酰亞胺等共價(jià)連接熒光素分子的多肽熒光標(biāo)記方法相比，這種基于配位化合物與多肽的配位反應(yīng)具有反應(yīng)過程簡單快速、條件溫和、反應(yīng)效率高、選擇性高等優(yōu)點(diǎn)；（２） 配位反應(yīng)發(fā)生與熒／ 磷光信號的產(chǎn)生直接關(guān)聯(lián)，可以用于辨析配位反應(yīng)的發(fā)生，同時(shí)有效降低多肽蛋白質(zhì)標(biāo)記的背景熒光信號；（３） 配位反應(yīng)一般為多價(jià)的配位模式，即同時(shí)需要多個特殊位點(diǎn)的氨基酸提供錨定位點(diǎn)，有效地保證了標(biāo)記反應(yīng)的特異性。一般來說，配位相關(guān)的位點(diǎn)（價(jià)態(tài)）越多（高），配位反應(yīng)發(fā)生的特異性就越強(qiáng)。在活細(xì)胞的蛋白質(zhì)／ 多肽標(biāo)記的應(yīng)用中，通常需要更高的特異性，而在蛋白質(zhì)折疊和相互作用分析的應(yīng)用中，較低的配位價(jià)態(tài)可以帶來更普遍的結(jié)構(gòu)適用性。
此類配位化合物與特定的多肽序列配位產(chǎn)生的熒光信號，可以用于蛋白定量分析、細(xì)胞成像與多肽類藥物示蹤，以及蛋白質(zhì)折疊的檢測、驅(qū)使未閉合的環(huán)狀多肽參與相關(guān) ＰＰＩｓ 以及針對目標(biāo)分子親合力的高通量篩選。我們期望通過本文為化學(xué)與生物學(xué)領(lǐng)域的研究者提供一個多肽與金屬配位研究的概述，期待未來化學(xué)生物學(xué)領(lǐng)域的研究繼續(xù)發(fā)展高質(zhì)量分子探針，讓配位化學(xué)在生物學(xué)中展示更大的魅力和實(shí)用價(jià)值。
免責(zé)聲明：本文為行業(yè)交流學(xué)習(xí)，版權(quán)歸原作者及原雜志所有，如有侵權(quán)，可聯(lián)系刪除。文章標(biāo)注有作者及文章出處，如需閱讀原文及參考文獻(xiàn)，可閱讀原雜志。
