华人学者钟东平解决不同领域关于水、蛋白分子作用的矛盾

生物通报道：尽管水是生命的重要元素，但至今没有人能够准确地对水分子和蛋白分子之间的相互作用做出合理的解释。俄亥俄州立大学钟东平（Dongping Zhong，音译）率领的研究小组首次发现发现远离蛋白的区域——被钟称之为"bulk water"的区域中，水分子以其经典的速度流动。每运动一下只需百亿分之一秒。在蛋白周围的水分子形成不同的层级。最外面的一层中，水分子的速度比"bulk water"中水分子的运动速度稍慢。最里面的一层是最慢的，水分子与蛋白相互作用需要一亿分之一秒，是"bulk water"中的100倍。

　　

生物通报道：尽管水是生命的重要元素，但至今没有人能够准确地对水分子和蛋白分子之间的相互作用做出合理的解释。

俄亥俄州立大学钟东平（Dongping Zhong，音译）率领的研究小组首次发现水分子和蛋白分子的相互作用机制，具体结果刊登于《Proceedings of the National Academy of Sciences》。

蛋白分子结构复杂，组成植物和动物细胞结构，调节体内的生化反应。钟东平等希望弄清水分子在蛋白折叠和酶催化反应等生物学功能中的重要作用。目前的初步研究结果已经能够解决在水和蛋白相遇的微观生物学领域中存在的科学争论了。钟东平认为导致这种争论的原因在于：不同学科的研究人员研究重大的生化反应速度时，使用的方法不同，获得的结果也就不同。

“生物学家会告诉你，水分子和蛋白分子相互作用的时间为几毫微秒（nanosecond，十亿分之一秒），因为蛋白运动速度的时间级别是毫微秒；物理学家会告诉你，相互作用的时间为几皮秒，因为水分子运动速度的时间级别是皮秒级的；同样，X-rays技术人员给出的答案和核磁共振技术人员给出的答案也定不相同。”

“我认为并不存在真正的矛盾——只是每个人看问题的角度不同。”钟东平实验室的研究结果为：水分子单独运动时速度很快，当与蛋白相互作用时，速度会降到毫微秒和皮秒之间。

钟东平等提取一种葡萄球菌蛋白，利用超快脉冲激光（ultra-fast laser pulses）跟拍水分子围绕蛋白相互作用。

实验的创新点在于：将一种光学探针（optical probe）在蛋白表面进行准确定位。将一个色氨酸分子插入蛋白中作为探针，测量水分子在其周围动速度。这一实验思路是钟东平5年前于诺贝尔奖获得者Ahmed Zewail实验室做博士后时采取的技术上发展起来的。

用激光研究“浸没”在水中的蛋白，发现远离蛋白的区域——被钟称之为"bulk water"的区域中，水分子以其经典的速度流动。每运动一下只需百亿分之一秒。

在蛋白周围的水分子形成不同的层级。最外面的一层中，水分子的速度比"bulk water"中水分子的运动速度稍慢。最里面的一层是最慢的，水分子与蛋白相互作用需要一亿分之一秒，是"bulk water"中的100倍。

“快速运动的水需要放慢速度与慢速运动的蛋白相互作用，这就是其基本原理。”钟说，“听起来很微不足道，但是自然界就是要求这些微不足道的事件。”

“这是重要的生物学作用，每时每刻都会发生。水分子运动过慢，蛋白就会发生聚集，水分子运动过快，就不能与蛋白结合。所以我认为这是自然界选择的最好的相互作用方式。”

钟等目前与俄亥俄大学化学家Sherwin Singer合作，试图研制计算机仿真软件，模拟蛋白——水运动。（生物通记者 子元）

 

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通讯作者：Written by Pam Frost Gorder, [phone]; [e-mail]