Science Daily — 來自美國賓州大學醫學院（University of Pennsylvania School of Medicine）的研究人員首次的量測與觀察到來自蛋白質分子內部所發出的 “動作”，您也可以將它稱為「暗能量（dark energy）」。這個研究發表於最近一期出版的國際知名期刊《自然》當中，研究顯示了蛋白質是如何藉由內部的運動來影響他自己的功能，這也顛覆了過去所研究的蛋白質結構與功能關係的論點，同時也揭露了為什麼要設計出一個藥物是如此困難的原因。
圖1. Artist rendering of calmodulin molecule depicting protein "dark energy." (Credit: Mary Leonard and Michael Marlow, PhD, University of Pennsylvania School of Medicine)
「這個狀況就像是天文學家們試圖找尋存在於宇宙中的 “暗物質（dark matter）” 或暗能量一樣，因為到目前為止還沒有人看過它，」本研究主要作者 A. Joshua Wand 教授這樣說到。「生物理論學家們也是圍繞著蛋白質是不是也存在有內部運動的能量在討論，但過去依舊沒有人可以看到它。而我們是第一個解開如何看到這個現象的研究團隊，而且也能告訴大家要怎麼去定量（quantify）這個被稱為蛋白質 “黑暗能量” 的東西。」
蛋白質本身是一種具有可塑性的結構體，它可以變換自己的形狀來與另一個蛋白質相互結合進而產生作用。「這些動作都是在極其微小且又速度超快的時間尺度之內完成的，每一秒鐘可能完成數十億次的運動。」Wand 解釋到。「蛋白質只是在抽動以及晃動。」這分子內運動所產生的能量便稱為熵函數（entropy）。
圖2. Thermodynamic origins of high-affinity binding of target domains by calmodulin.（資料來源：Nature, 2007, 448, 325.）
蛋白質結構與功能的模型通常使用在藥物的設計與研究中，不過通常無法與實際天然存在的狀況相符。「傳統的模型只能告訴我們蛋白質當中所有可能在構型上的差異罷了。」Wand 說到。
研究人員藉由測量一種稱為 calmodulin（鈣調素、或稱攜鈣素，簡稱 CaM）的蛋白質，並將其與其它六種蛋白質的夥伴產生交互作用。這些與其相互鍵結的夥伴包含在平滑肌收縮以及各種與腦部功能的重要蛋白質。
圖3. 鈣調素（Ca2+ FREE），PDB code：1CFD。（圖片來源：http://www.rcsb.org/pdb/explore.do?structureId=1CFD）
透過核磁共振光譜，讓研究人員得以觀測到 calmodulin 自身對於六種不同蛋白質鍵結狀況的內部運動的改變。他們發現了在 calmodulin 中的熵函數改變與總熵函數（total entropy）之間的改變情形，這並造成了 calmodulin－蛋白質復合物形成的直接關係。
為了解開個別蛋白質對上熵或整個蛋白質復合物運動對上熵的貢獻是整個研究中最難的一個部分，不過在這個研究中已經加以克服了。從這些個別獨立的貢獻中他們做出了推論，蛋白質熵函數的改變實際上對於 calmodulin 鍵結到它的夥伴來說是相當重要的。
圖4. Outline of the approach used to investigate the contribution of changes in the conformational entropy of calmodulin to the free energy of binding of target domains. 資料來源：Nature, 2007, 448, 325.）
「在得到這個意想不到的結果之前，研究這個領域裡的大多數研究人員對於蛋白質與蛋白質間的交互作用所產生的熵函數貢獻值都是認為是零或是可以忽略的，」Wand 說到。「不過現在很明顯的，蛋白質在鍵結時的總能量於考慮時是相當重要的一環。」
因為有了這個新的訊息，研究人員認為這也就是為什麼我們在設計藥物時會這麼困難，而且往往得到事與願違的結果，因為熵函數在搞鬼！目前，設計藥物時都得依據一個 “精確的” 結構，而且這個結構都是得要具有生物活性的標靶，然後在依照這個蛋白質的活性位置去設計可以與其配對而展現出抑制性的 “鑰匙” 分子。然而，許多設計出來的分子對於這些靶點的結合性都不如預期。「我們認為這是因為過去在設計藥物分子時所依據的模型都是蛋白質的靜態模型，它不會動，但實際的狀況是蛋白質會不斷的變換其自身的結構哩，」Wand 說到。「因此我們必須去解決這個問題，並且將這個新的資訊用在藥物的設計上，那麼也許就能提升我們設計藥物的能力。」
未來將對這個理論進行更深入的瞭解，並且針對生物學或是疾病中，成千上萬蛋白質彼此間交互作用進行研究。Wand 這樣解釋到：「蛋白質與蛋白質間的交互作用是 “訊息傳導” 時最主要的源頭，他往往也是許多疾病在分子層面上的討論。比如說癌症、糖尿病與氣喘等等就是三個相當重要的舉例。我們正在針對這三個疾病探討蛋白質熵函數在其中所扮演的角色究竟為何。」
This work was funded by grants from the National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases. Co-authors on the study are Kendra King Frederick, Michael S. Marlow, and Kathleen G. Valentine, all from Penn.
Note: This story has been adapted from a news release issued by University of Pennsylvania School of Medicine.
原始報導：
1. ScienceDaily：Proteins' Internal Motion Found To Affect Their Function: Implications For Drug Design
2. Penn University. NEWS：Measuring the Unseeable: Penn Researchers Probe Proteins' "Dark Energy"
原始論文：
Conformational entropy in molecular recognition by proteins
Kendra King Frederick, Michael S. Marlow, Kathleen G. Valentine & A. Joshua Wand
doi:10.1038/nature05959，Nature, 2007, 448, 325
Abstract | Supplementary information
相關連結：
1. Wiki百科 － 鈣調素 calmodulin
2. 鈣調素（中文）
3. A. Joshua Wand 教授網頁
補充說明：
攜鈣素（calmodulin）是「鈣離子／攜鈣素依賴的蛋白質磷酸激酶（Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase，CaM kinase）」中主要的次單元。當細胞中的鈣離子濃度因為某些刺激上升時，攜鈣素便會與鈣離子結合，並且產生結構上的變化，最後活化 CaM 磷酸激酶。接著將許多目標蛋白質進行磷酸化，並調控它們的活性。
圖5. 鈣離子與攜鈣素的結合會導致攜鈣素發生結構上的變化。下方中間深灰色的部分常見於所調控的酵素之中，此處所示者為鈣調素依賴性蛋白激酶 II。（圖片來源：http://fig.cox.miami.edu/~cmallery/255/255enz/mcb3.28.calmodulin.jpg）
圖6. 攜鈣素與四個鈣離子（深灰色小球）共結晶圖，PDB code：1CLL。（圖片來源：http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=1CLL）
上圖 6 便是攜鈣素晶體結構的彩帶模型（ribbon model），其中的四個鈣離子結合位置已經被四個鈣離子（灰黑色小球）所佔據，而蛋白質的 N-端在左，C-端在右。幾乎每一種可以與鈣離子結合的蛋白質結構中都是以「Helix-Loop-Helix」的結構型態所出現，形狀就像下圖 7 中所示：
圖7. 幾乎所有可以鍵結 Ca 離子的蛋白質都具有 Helix-Loop-Helix 結構，紅色部分即為 helix（alpha-螺旋）部分，綠色則為 loop（迴圈）部分。（圖片來源：http://chemistry.umeche.maine.edu/CHY431/Proteins8.html）
如果將能與鈣離子（下圖 8 中的紫色小球表示鈣離子）結合的這個部分以更簡單的型態表示時，我們可以將結構畫成如右手食指與拇指張開時所呈現的相對立體空間關係，此時鈣離子便在手掌的中間位置處：
圖8. Helix-Loop-Hilix 結構又稱為 EF Hand Terminology。（圖片來源：http://chemistry.umeche.maine.edu/CHY431/Proteins8.html）
參考文獻：
Lehninger Principles of Biochemistry, FREEMAN, 4/e, 2005.