化学热力学与生命科学.doc

1化学热力学与生命科学作者：刘毅敏 赵先英 王祥智 赵华文 杨旭【关键词】 熵；,,自由能；,,生命科学摘 要： 综述了热力学中熵和自由能这两个重要状态函数在生命现象、肿瘤形成、抗癌药物研究、生物大分子结构研究、药物设计、蛋白质工程和基因优化表达等中的应用关键词： 熵； 自由能； 生命科学 热力学是研究各种形式的能量转换规律的科学热力学的基础是热力学第一定律和热力学第二定律，这两个定律都是人类长期实践和大量科学研究经验的总结因为热力学研究的能量转换规律是自然界的一个基本规律，在其应用范围内具有指导意义化学热力学是热力学原理在化学中的应用，它主要研究和解决化学变化过程中能量转化的规律、化学反应的方向和限度人体是一个巨大的化学反应库，生命过程是建立在化学反应基础之上的一个非常复杂的体系近半个世纪以来，生物学研究从整体开始，自上而下进入分子层次，而化学研究则自下而上地逐渐接触生物体，化学与生命科学在细胞以下、分子以上的区域相遇，在这个区域不断生长出了许多新的生长点，成为生命科学和化学的前沿领域基于热力学原理的生命科学研究也是一个新生长点，本研究就此综述如下1 熵与生命科学11 熵与生命在化学热力学中熵（S）是一个重要的函数。

熵是系统混乱度的量2度，系统的混乱度越大，熵值越大熵是状态函数，熵变（ΔS）只取决于体系的始态与终态，与过程无关在孤立系统的任何自发过程中，系统的熵总是增加的，这是热力学第二定律的一种表达，也称为熵增加原理从宏观来看生命过程是一个熵增的过程，始态是生命的产生，终态是生命的结束，这个过程是一个自发的、单向的不可逆过程衰老是生命系统的熵的一种长期的缓慢的增加，也就是说随着生命的衰老，生命系统的混乱度增大，当熵值达极大值时即死亡，这是一个不可抗拒的自然规律但是，一个无序的世界是不可能产生生命的，有生命的世界必然是有序的生物进化是由单细胞向多细胞、从简单到复杂、从低级向高级进化，也就是说向着更为有序、更为精确的方向进化，这是一个熵减的方向，与孤立系统向熵增大的方向恰好相反但是生命体是“耗散结构”，耗散结构认为一个远离平衡态的开放体系，通过与外界交换物质和能量，在一定条件下，可能从原来的无序状态转变为一种在时间、空间或功能上有序的状态，这个新的有序结构是靠不断耗散物质和能量来维持的生命体通过不断与外界交换物质、能量、信息和负熵，可使生命系统的总熵值减小,从而有序度不断提高,生命体系才得以动态地发展。

12 熵与肿瘤熵增加原理也可以解释肿瘤在人体内的发生、扩散细胞基因癌变,造成人体正常基因组的异常活化,细胞无节制地扩增,使有序向无序转化,加速生命的耗散,熵值异常增大,在短期内熵值就增到极大值,人的生命便终止了现代医学研究表明，癌基因以原癌基因的形式存在于正常生物基因组内，没被激活时，不会形成肿瘤原癌基因是一个活化能位点，在外界环境的诱导下，细胞可能发生癌变，即肿瘤的形成是非自发的非自发的过程是一个熵减的过程，也就是说肿瘤细胞的熵小于正常细胞的熵［1］然而肿瘤细胞是在体内发生物质、能量交换的，人体这个体系就相当于肿瘤细胞的外部环境，正是由于肿瘤细胞的熵减小，导致了3人体这个总体系熵增大越恶性的肿瘤，熵值越小，与体系分化越明显，使人体的熵增也相对越大，对生命的威胁越大13 熵与抗癌药物的研究熵增原理对人们研究抗癌药物也有启发例如利用体细胞杂交法可获得分泌抗体的杂交细胞系，当导入的抗体素抑制癌细胞的恶变、削弱它的增殖时，细胞本身的混乱程度将会减小，趋向于稳定的低熵状态，这就相当于给体系内部输送了负熵，使体系趋于有序状态又如 DNA 是许多抗肿瘤药物的靶分子，这些药物通过嵌入、沟槽等方式与癌细胞的 DNA 结合，抑制肿瘤细胞的分裂增生，最终使肿瘤细胞增生停滞，或使其向正常细胞分化，或诱导肿瘤细胞发生程序性死亡，从而产生抗癌作用。

阿霉素（ADM）这个抗肿瘤抗生素就是以典型的嵌入方式与 DNA 相互结合的［2］，破坏 DNA 的模块功能，阻止转录过程，在抑制 DNA、RNA 蛋白质合成的同时，也改变癌基因的结构或影响癌基因的表达由于 ADMDNA 复合物比独立的 DNA 和 ADM 分子更有序，因此导致一定程度的熵减，有序度增加2 自由能与生命科学在化学热力学中，自由能是一个很重要的状态函数，它是在等温等压及不作非体积功条件下化学反应自发进行的判据如果 ΔG0，反应正向自发进行；ΔG=0，反应达平衡状态，ΔG0，正向反应不能自发进行，而逆向反应能自发进行21 自由能与生物大分子结构研究211 一种基于自由能的 RNA 二级结构的预测 RNA 在生命活动中有着重要作用， RNA 的功能与其结构密切相关，因此研究 RNA 结构对理解 RNA 功能、4原核基因工程和与 RNA 有关的生命现象有着重要意义但 RNA 分子降解快、晶体难于获得，目前由于实验条件的限制，绝大多数 RNA 二级结构还不能用实验方法来测定近年来，借助计算机预测 RNA 二级结构一直是很活跃的领域，不断推出了一些预测方法，测定了许多 RNA 分子的二级结构。

基于自由能的 RNA 二级结构的预测认为［3］，RNA 二级结构是通过分子中碱基之间配对形成的，碱基之间的连续配对形成螺旋区，对 RNA 二级结构起着稳定作用，从而降低整体结构的自由能，而 RNA 分子中没有配对部分形成环状结构（发卡环、内部环、膨胀圈和多分支环），不利于结构的稳定，升高自由能，RNA 二级结构的形成就是这种矛盾之间的一种平衡预测 RNA 二级结构最常用的方法就是在各种可能的结构之间寻找最小自由能结构，而基本结构的自由能数据通过研究体外寡核苷酸稳定性获得212 通过自由能的差别划分蛋白质结构域 蛋白质肽链从一级结构完全伸展的状态折叠成特定的三级结构，其折叠模式很复杂，蛋白质折叠问题是现代分子生物学的研究热点结构域是蛋白质结构中普遍存在的一种结构单位，是介于二级结构单元和完整的蛋白质三级结构之间的一种结构层次，可以看作是蛋白质结构、折叠、功能、进化和设计的基本单位大多数的蛋白质都可分为若干个结构域，结构域的不同组合使蛋白质具有不同的三级结构并具有不同的功能，结构域信息对于蛋白质结构解析在理论与应用上都具有重要意义目前对蛋白质结构域的划分还没有一个十分理想的方法20 世纪 90 年代对蛋白质结构域划分主要是根据蛋白质的几何结构［4~7］，通常通过目测用手工方法来划分，但已经远远不能满足以指数速率增加的蛋白质晶体结构数目。

基于蛋白质结构域是折叠单位的设想，蛋白质结构域的折叠与去折叠形式具有不同的热力学能量状态，蛋白质结构域的5折叠是由自由能变化驱动的一般认为，天然蛋白质构象处于热力学上一个低能量态，如果认为结构域作为一种独立折叠单元，则应该不但结构上相对紧密，而且热力学能量上也必然处于较低能量状态，因此，用折叠自由能来划分结构域应该更为合理基于自由能的蛋白质结构域划分得到了比较满意的结果［8，9］22 自由能与药物分子设计221 自由能与反义药物设计 反义药物是用 WatsonCrick 碱基配对原理与靶mRNA 结合，并通过降解靶 mRNA 干扰特定基因表达的寡核苷酸类药物反义寡核苷酸必须能够与靶 mRNA 进行特异杂交，才能通过 RNA 酶 H 依赖机制等降解靶 mRNA能够接近靶序列并与之杂交是反义药物具有药效的首要条件，因此研究反义药物及其靶点的构效关系是研究热点之一宋海峰等［10］选择与肿瘤细胞增殖相关的蛋白激酶 Cα(PKCα)mRNA 作为靶点，使用软件 RNAstructure 模拟mRNA 二级结构，根据靶 mRNA 的一级与模拟的二级结构，选择二级结构自由能大于零的不稳定二级结构单元膨胀环、内环、发卡和假结等作为靶点进行反义药物设计。

用肺腺癌细胞株 A549 评价反义药物的体外抗肿瘤生物活性，用软件SPSS 进行多元回归分析结果表明有效药物作用靶点相对集中地分布于由若干二级结构单元组成的局部二级结构区域，称之为“靶二级结构域(靶域)” “靶域”结构相对稳定，但其中包含不稳定二级结构单元，即其自由能大于零针对不同“靶域”设计的反义药物显示不同的生物活性(P0.01)，但靶向同一“靶域”的反义药物生物活性无统计差别结论提示“靶域”现象有助于反义药物靶点的选择，并对探针、引物设计及 mRNA 局部功能的研究具有重要意义 222 自由能与直接药物设计中的分子对接 直接药物设计是从生物靶标大分子结构出发，寻找、设计6能够与它发生相互作用并调节其功能的小分子，分为分子对接和全新药物设计两种方法分子对接法是通过将化合物三维结构数据库中的分子逐一与靶标分子进行“对接”，通过不断优化小分子化合物的位置、方向以及构象，寻找小分子与靶标生物分子作用的最佳构象，计算其与生物大分子的相互作用能利用分子对接对化合物数据库中所有的分子排序，即可从中找出可能与靶标分子结合的分子分子对接的核心问题之一就是受体和配体之间结合自由能的评价，精确的自由能预测方法能够大大提高药物设计的效率。

在过去的 20 年中，随着受体和配体相互作用的理论研究以及计算机辅助药物设计方法的快速发展，自由能预测方法的研究受到了越来越多的关注例如表皮生长因子受体（EGFR）和 4 苯胺喹唑啉类抑制剂的结合自由能预测侯廷军等［11］采用基于分子动力学模拟和连续介质模型的自由能计算方法，预测了 EGFR 和 4 苯胺喹唑啉类抑制剂的相互作用模式，分别预测了四种可能结合模式下 EGFR 和 4 苯胺喹唑啉类抑制剂间的结合自由能，最佳结合模式能够很好地解释已有抑制剂结构和活性间的关系23 自由能与蛋白质工程蛋白质工程的长远目标就是要设计出具有任意功能或结构的全新蛋白在医学和生物学上往往需要蛋白质的某一功能却不满意该蛋白的另外一些特点，如高分子量、抗原性、不稳定以及不易折叠等，这些缺陷可以通过把蛋白质的功能区嫁接到另外一个合适的骨架蛋白得以弥补国际上已发展了几种程序用于蛋白质功能嫁接的研究2000 年梁世德等［12］报道了一种蛋白质表面功能区的嫁接他们认为蛋白质的功能由表面区决定，其内核只起骨架作用首先确定被嫁接的配体表面结合区的重要残基，在骨架蛋白中搜索适合于嫁接这些残基的位点基于对映残基的 Cα,Cβ 原子坐标，将骨架蛋白叠加到配体蛋白上，评估骨架蛋白与受体蛋白的互补性并留下互补性较好的骨架蛋白。

细调骨架蛋白7与受体蛋白的相对位置，使之具有合理的界面堆积密度，然后在骨架蛋白选出的位置上移植配体蛋白相应的残基该方法被嫁接的功能区及骨架蛋白的选择是用蛋白质结构数据库（PDB）中大小与 barstar 相仿，残基数为 81~100 的晶体结构或优化的平均核磁结构作为骨架蛋白（因 barnase 是一种 110 残基的胞外核酸酶，barstar 具有异乎寻常的高亲和力，在 25℃时结合自由能为-79.1kJ.mol-1，PDB 中已存有 Barnasebarstar 的复合物晶体结构，是研究蛋白蛋白相互作用的理想模型），共有 128 个，进一步筛选出互补分数较高的 4 个代表性蛋白作进一步分析，即巯基蛋白酶抑制剂(1dvc)、质体蓝素(1plb)、转录起始起因子的 DNA 结合结构域(2hts)以及 barstar 的核磁结构(1bta)4 个蛋白，用打分函数计算这 4 个骨架蛋白的结合自由能，其中 1plb 的结合自由能为-81.6 kJ.mol-1，其结合自由能较低且平均偏差也小，是理想的骨架蛋白得出了 1plb 和 1bta 同 barnase 优化后复合物的结构，结果较好24 自由能与基因诊断241 自由能与人血管生成素基因的优化表达 恶性肿瘤尤其是实体肿瘤的发生和发展都依赖于新生血管的不断形成，通过新生毛细血管为肿瘤提供必需的营养，带走肿瘤代谢产物，为肿瘤发展、转移提供必要条件。

血管生成素(angiogenin,ANG)广泛存在于多种肿瘤组织中，在肿瘤发生的不同阶段刺激新生血管的形成，且肿瘤患者血液中 ANG 水平。