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、標記與成像以及藥物設(shè)計等領(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)中的不同基團與金屬離子之間的配位模式以及具體的研究案例，進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)域為金屬⁃多肽類分子探針或藥物的設(shè)計優(yōu)化所提供的發(fā)展?jié)摿M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理的了解不斷加深。這些認識進一步推動了新型金屬配位化合物的人工設(shè)計與合成，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，并可在進一步優(yōu)化設(shè)計后構(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)中的不同基團與金屬或類金屬離子之間的主要配位作用方式，進而歸納近年來在該領(lǐng)域中比較突出的幾類應(yīng)用實例，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
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與不同金屬離子的配位方式和能力將有助于人工設(shè)計和優(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，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 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，提供具有很強配位能力的—ＣＯＯ－ 基團，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） 的相互作用來進行調(diào)控［３］。一般來說，肌鈣蛋白中 Ｃａ（Ⅱ） 結(jié)合位點有多個，而在無脊椎動物中，卻會因為關(guān)鍵結(jié)合位點的氨基酸不同，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 �。ǎ校幔颍耄椋睿螅铮�̓ｓ 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主要包括—ＮＨ２和咪唑基團。位于肽鏈主鏈 Ｎ 末端的伯胺基團（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，調(diào)控各種蛋白質(zhì)的功能。
另據(jù)報道，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)鍵位點正是多肽序列中 Ｎ 末端的氨基和三個組氨酸的咪唑基團（圖１ ｂ）。
這些例子都表明，針對特定金屬離子所設(shè)計的多肽類螯合劑，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)計中，組氨酸可以很好的為配位化合物的結(jié)合提供位點。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，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)計領(lǐng)域。與含有半胱氨酸的多肽配位結(jié)合能力較強的金屬離子還包括：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)計的功能多肽序列前體，通過在特定位點引入的特殊氨基酸殘基為配位化合物的綁定提供位點，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，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］。基于有機環(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)計和調(diào)控。
通過在多肽結(jié)構(gòu)上進行配位氨基酸的多價位設(shè)計，可以進一步利用金屬配位，實現(xiàn)對多肽自組裝的誘導(dǎo)與結(jié)構(gòu)強化。例如，利用 Ｚｎ（Ⅱ） 與組氨酸配位， 實 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)計的半胱氨酸的配位，可以同時實現(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一步應(yīng)用于多肽結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定環(huán)化，同時賦予多肽復(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)的細胞行為觀測和機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)計多肽序列，讓配位發(fā)生在我們預(yù)期的位點，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)機理明確，選擇性強，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特的優(yōu)勢：（１）與傳統(tǒng)的利用 ＥＤＣ、琥珀酰亞胺等共價連接熒光素分子的多肽熒光標記方法相比，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；（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，同時有效降低多肽蛋白質(zhì)標記的背景熒光信號；（３） 配位反應(yīng)一般為多價的配位模式，即同時需要多個特殊位點的氨基酸提供錨定位點，有效地保證了標記反應(yīng)的特異性。一般來說，配位相關(guān)的位點（價態(tài)）越多（高），配位反應(yīng)發(fā)生的特異性就越強。在活細胞的蛋白質(zhì)／ 多肽標記的應(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用價值。
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