全 文 ：武汉植物学研究 2003, 21( 1) : 66～72
Journal of Wuhan Botanical Research
伴刀豆球蛋白 A-糖复合物的模拟分析
吴显辉, 郭明雄, 冯胜彦
, 陈蔚梅
, 艾建宇, 吴 斌, 熊晓然
(武汉大学生命科学学院, 武汉　430072)
摘　要: 主要分析Con A 与不同的糖特异性结合时其活性位点构象变化的特征。模拟分析了Con A 糖结合活性中
心氨基酸残基结构特征, 同时对相应残基原子可及性表面进行了计算和分析。结果表明: ( 1) Con A 在和不同的糖
结合时, 存在不同的结合方式; ( 2)不管 Con A 和什么糖结合,主要的作用是由活性中心的 T yr12、Asn14、Asp208
和 Arg228 提供的; ( 3)无论是结合单糖还是寡糖, 活性中心总是与第一个糖环起主要的结合作用。
关键词: 伴刀豆球蛋白 A; 糖; 溶剂可及表面积; 模拟
　　中图分类号: Q947　　　　　文献标识码: A　　　　　文章编号: 1000-470X ( 2003) 01-0066-07
Simulation Analysis of Concanavalin A-Carbohydrate Complexes
WU Xian-Hui, GUO Ming-Xiong , FENG Sheng-Yan
* , CHEN Wei-Mei
* ,
AI Jian-Yu, WU Bin, XIONG Xiao-Ran
(C oll eg e of L if e S ci ences, W uhan Univ er si tys, Wuhan　430072, China)
Abstract: In this paper, w e aim at the conformational change of the binding site w hen Con-
canavalin A complexes w ith dif ferent carbohydrates. We simulated the amino acid residues st ruc-
tural character o f the sugar binding sites of Concanavalin A, and calculated and analyzed so lvent
accessible surface area of the related residue. Results indicated: ( 1) There are many differ ence
w hen Concanavalin A interacts w ith dif ferent carbohydrates; ( 2) Whichever carbohydrate does
the Concanaval in A complex w ith, the majo r interact ions w ith car bohydrates are offered by the
Ty r12, Asn14, Asp208 and Ar g228 o f the binding site; ( 3) At the same t ime, it s vital that the
first sugar rings interact ion w ith the binding site.
Key words : Concanavalin A; Carbohydrate; Solvent accessible surface; Simulat ion
　　豆科凝集素是一类广泛存在于豆类种子中、具
有和糖特异性结合的同源蛋白家族。凝集素和糖的
特异性结合是生命活动中的重要过程之一, 诸如病
毒和细菌的感染、细胞识别和植物的受精都与这个
过程有关。尽管凝集素在氨基酸序列和三级结构具
有相当的保守性,但是它与糖结合时常表现出多样
性和严格的特异性。豆科凝集素一直以来都是蛋白-
糖识别的经典范例[ 1]。伴刀豆球蛋白 A ( Con-
canavalin A, Con A )与糖的结合是豆科凝集素家族
中最常见、最具代表性也是目前研究最透彻的糖和
蛋白结合过程 [ 1]。Con A 由三种
-折叠构成: 包括 6
股反向折叠、7股前向折叠和 5股小折叠(也叫 S-折
叠)。凝集素没有任何 -螺旋, 大约有50%的氨基酸
残基组成 Loop区域。活性中心主要位于前向折叠
和反向折叠之间 [ 2]。Con A 存在去 Ca 离子和结合
Ca 离子的两种形式。其中结合 Ca 离子的包括
“Locked”态和“Unlocked”态两种形式, 它们处于动
态平衡之中。结合进 Con A 的 Ca 离子具有稳定
“Locked”态的作用。“Locked”态大约占总Con A 的
90% ,但它不能直接结合糖。“Unlocked”态占 10%


收稿日期: 2002-05-21,修回日期: 2002-09-02。
作者简介: 吴显辉( 1978- ) ,男,硕士生,主要从事计算生物学的研究。E-mail: nanyu101@ 21cn . com
通讯作者。E-mail : s yfeng@ w hu . edu. cn
左右, “Unlocked”态可以看作是活性中心部分去折
叠的开放性结构, 其活性中心的疏水程度比
“Locked”态有所降低,可以直接和糖结合, 形成可
逆的Con A-糖复合物[ 1, 3]。Ca离子结合Con A 对保
持 Loop 环 Pro13-Pro23和 Loop 环 T hr97-Glu102
的天然构象至关重要。只有在这两个 Loop 环保持
正确构象的情况下, Ala107和 Asp208 才具有顺式
肽键, 顺式肽键对 Con A 与糖的结合起关键作
用[ 3]。在满足了以上条件的基础上,笔者计算和分析
了 7种 Con A 的活性中心。
对于植物凝集素已经进行了广泛的研究。随着
结构生物学的进步, 用计算生物学方法研究植物凝
集素也引起广泛的关注。1994年Naism ith 等[ 4]利用
Con A-吡喃甘露糖苷复合物结构,在 X 射线晶体衍
射数据基础上, 第一次给出了 Con A 和糖的结合模
型,其实质性的作用主要由 Con A 的 3个保守氨基
酸 Asn14、Asp208、Arg228和糖形成氢键、T yr12的
芳香环提供范德华力。同时 Loop 环T hr97-Glu102
在糖结合中也起重要作用,它不仅和糖形成氢键和
范德华力,在某种程度上还有稳定疏水口袋的作用,
因为这个 Loop 环在结合糖和不结合糖时结构并没
有很大的改变。我们在 Naismith 等人的工作基础
上,利用 PDB 提供的一组 Con A 晶体结构数据,试
图从 Con A 活性中心原子的可及表面特征和功能
基团的三维结构变化来描述 Con A 是如何与糖结
合的。
1　材料和方法
蛋白质数据库( PDB)有 46种 Con A 的结构,
主要是 X射线晶体结构、NMR 和微量量热法得出
的结果。笔者从中选取了比较有代表性的 7种 Con
A
[ 4 9] 结构 (表 1) , 包 括 去离 子态 ( 1APN )、
“Locked”态( 1DQ2)、“Unlocked”态( 1JBC) 3 种没
有结合糖的自由态 Con A ;和其它 4种结合了不同
种类 糖 的 Con A 结 构 ( 1CVN、1BXH、1CJP、
5CNA ) ; 1CVN 主要代表了 Con A 和寡糖的结合;
1BXH 主要代表了 Con A 和糖苷的结合; 1CJP 主要
代表了 Con A 和吡喃型糖的结合; 5CNA 主要代表
Con A 和 O1有基团的糖的结合。
笔者利用 MSMS软件[ 10]对以上 7种 Con A 进
行了原子溶剂可及表面积 ( Solvent accessible sur -
face, SAS)的计算, 分析了活性中心氨基酸残基的
原子在自由态和结合糖时的 SAS 积的特点(图 1)。
根据PDB提供的原子坐标数据, 利用Sw iss PDB
表 1　Con A的结合类型
Table 1　The types o f Con A-carbohydrat e complexes
Con A 类型
T he t ypes o f Con A
PDB 代码
PDB ID
去离子态 1APN
“U nlocked”态 1DQ2
“Locked”态 1JBC
结合 MAN 1CVN
结合 AMG 1BXH
结合 MU G 1CJP
结合 MM A 5CNA
　　注: AMG . -甲基-D-甘露二糖苷; M AN . -D-甘露糖;
M MA . O1-甲基-甘露糖; MUG . 4-伞形烯--甲基-
吡喃型葡萄糖苷。
No tes: AMG . 1-2 Mannobio side; M AN . -D-Man-
nose; MM A. O1-Methyl-M anno se ; M UG . 4-
M ethylumbellifery l-A lpha-D-Glucopyr anoside
View er
[ 11]研究了 3 种 Con A 活性中心的结构特征
(图版Ⅰ: 1, 2, 3) ,对 4种 Con A -糖复合物的结合模
型进行了模拟分析(图版Ⅰ: 4;图版Ⅱ: 5, 6, 7)。分析
了 Con A 活性中心在没有结合糖、结合糖的范德华
力和氢键特征, 同时结合活性中心氨基酸残基(表
2)的 SAS 描述了 Con A 在不同状态下以及和不同
种类糖结合的模型。
表 2　参与糖连接的氨基酸残基
Table 2　Residues involved in carbohydrat e recognition
氨基酸残基
Amino acid
residues
功能
Function
氨基酸残基
Amino acid
r esidues
功能
Function
Ty r12 A , B Leu99 D
Pro13 B T yr100 B, D
Asn14 A Asp108 A
Thr15 B T hr226 C
Asp16 B G ly227 C
Thr97-G lu102 C Arg228 A
Leu229 B, D
　注: A . Con A 和寡糖连接时必需的氨基酸残基; B. 对寡
糖具有较高亲和力的氨基酸残基; C. 和糖苷、N-已酰
基团亲和作用的氨基酸残基; D .与 O1 糖苷形成疏水
口袋的氨基酸残基。
　No tes: A . Residues essential fo r mono sacchar ide binding ;
B. Residues sy st ematically im plicated in t he higher
affinity for o ligo sacchar ides; C. Residues involved in
the r ecognition of a dansy l g roup; D. Hydrophobic
pocked that in the case o f Con A intera cts with ag ly-
cons on O1.
67　第 1 期　　　　　　　　　　　　吴显辉等: 伴刀豆球蛋白 A-糖复合物的模拟分析
　B. 1APN ; C. 1DQ2; D. 1JBC; E . 1CVN ; F . 1BXH; G. 1CJP; H. 5CNA
图 1　保守氨基酸在不同状态下 SAS的变化(横坐标为氨基酸残基的原子;纵坐标为溶剂可及表面积) (  2)
Fig. 1　The changes o f the residues SAS in the differ ent situations( X-coordinat e:
T he at oms of residues; Y-coo rdinate: SAS) (  2)
2　结果和分析
2. 1　没有结合糖的 Con A活性中心结构分析
Con A 活性中心起关键作用的氢键主要由
Asn14、Asp208和 A rg228提供,这 3个氨基酸高度
保守[ 12]。Loop 环 97-102位的 Leu99和 T yr 100的
侧链和 T yr 12的芳香环一起形成活性中心的疏水
部分[ 13]。通过对没有结合寡糖的3个 Con A 活性中
心氨基酸残基三维结构(图版Ⅰ: 1, 2, 3)及其 SAS
的比较分析,证实了去Ca 离子的1APN、有 Ca离子
的“Locked”区分“Locked”态和“U nlocked”态结构
差异和前述 Ty r12 苯环位置和原子的 SAS 没有相
关性,对活性中心里的其它氨基酸残基进行了类似
的相关性分析, 得到的近似的结果。
1JBC 的 Arg228 侧链位置明显不同于 1A PN
和 1DQ2(图版Ⅰ: 1, 2, 3)。1JBC 中的 Arg228侧链
68 武 汉 植 物 学 研 究　　　　　　　　　　　　　　　　　第 21 卷　　
的 SAS 明显大于 1APN 和 1DQ 2 且为 1APN 和
1DQ2的两倍左右。在 1JBC中 Arg228的侧链堵住
了疏水活性位点的入口 (图版Ⅰ: 3) , 故称其为
“Locked”态。用软件对使用甘氨酸(无侧链)代替
Arg228进行了模拟分析, 结果表明如果用甘氨酸代
替 Ar g228则不存在“Locked”态了。从以上分析可
以得出, Con A 的活性中心是成“Locked”态还是
“Unlocked”态只和 Arg228 相关, 而和活性中心其
它氨基酸残基无太大关系。
2. 2　Con A和不同糖结合模型的分析
分析结果表明: 活性中心的疏水口袋底部主要
由 T yr 12、Leu99 和 T yr100形成,这 3个氨基酸具
有很强的疏水作用, 同时 Tyr 的酚羟基也具有一定
的亲水性, 可以和 Asn14或者糖形成氢键,从而连
接了亲水和疏水的部分(图版Ⅰ: 1, 2, 3, 4;图版Ⅱ:
5, 6, 7) , 它们的 SAS 大小见图 1: 1, 3, 4。和糖形成
氢键主要的氨基酸主要有 Asn14、A rg228、Asp208
和 T yr100(图 2)。不论 Con A 和寡糖还是单糖结
合,活性中心主要只和一个糖环结合, Ty r12、Leu99
和 Ty r100以范德华力和糖环作用。Asn14酰氨基、
Ty r100的酚羟基、Leu99 的头部、Asp208 羧基端、
Arg228的头部与糖环上的氧形成氢键。文献[ 1]认
为 T yr12并不是惟一的疏水基团, 也可以用苯氨酸
和 Leu 来代替, 笔者对这个结论进行了模拟, 发现
用苯氨酸和 Leu 来替换 Ty r 不会影响“U nlocked”
态和“Locked”态的结构,但是苯氨酸和 Leu 不能和
Asn14 构成氢键, 形成有效的氢键桥来连接疏水和
亲水的基团, 从而稳定活性中心的结构。从结合方式
图 2　Con A 和MAN/ GAL的平面结合模式
Fig. 2　Schematic diag ram o f the binding of
MAN/ GAL to concanava lin A
　
　
来看这很可能会影响 Con A和糖结合的稳定性。
2. 2. 1　Tyr12的位置差异　Con A 在和不同类型
的糖结合时,活性中心具有不同的结合形态。以下分
析 Con A 和 糖 结 合时 结 构 的 变化 主 要 以
“Unlocked”态的 1DQ2为参照。Ty r12原子的原子
可及表面有很大的差别。“Unlocked”态 Ty r12芳香
环上和酚羟基相连的碳原子(以下简称 CZ)的 SAS
是 0;和糖结合以后 CZ 的 SAS 从 1. 4-29  2左右,
其中和吡喃型糖结合的 1CJP 最大, 接近 29  2。和
“Unlocked”态的芳香环进入疏水核心内部不一样,
酚羟基都伸出疏水核心外部形成氢键 (图版Ⅰ: 4;
图版Ⅱ: 5, 6, 7)。除和吡喃型糖结合的 1CJP 外,
T yr 12的 SAS都很小或者基本为 0。但是从 T yr 12
的 SAS (图 1: 1)和图版Ⅰ: 4 及图版Ⅱ: 5, 6, 7 中
T yr 12的位置来看, 在Con A 和糖结合时, T yr 12都
是提供范德华力。
2. 2. 2　Asn14的位置差异　和“U nlocked”态相比,
结合糖以后, Asn14的SAS 都变小。结合三甘露糖、
-甲基-D-半乳糖苷和 O-1-甲基-甘露糖后, Asn14
的 SAS 都是 0;结合吡喃型糖结合的 Asn14的 SAS
也变小,但是不如前 3种显著(图 1: 2)。Asn14的氧
主要和糖形成氢键、氮主要和 T yr 12酚羟基形成氢
键(图版Ⅰ: 4;图版Ⅱ: 5, 6, 7)。在 Asn14和糖结合
时,显示出一定的规律。
2. 2. 3　Leu99 的位置差异　4 种 Con A 的 Leu99
在和糖结合后, 和“U nlocked”态相比, 有的 SAS 都
变大了,但是也有些原子的SAS(图 1: 3)变小了。这
说明 Leu99 在结合糖后, 有些原子和糖环结合而
SAS 变小,同时,有些原子被排斥远离活性中心。我
们认为 Leu99对 Con A 结合的糖环结构具有一定
的敏感性。
2. 2. 4　Tyr100 的位置差异　与“Unlocked”态的
T yr 100相比, 结合糖以后的 Ty r100原子的总 SAS
都变小了。则是由于芳香环上原子的 SAS 普遍变
小, 但是我们注意到和酚羟基相连的 CZ 原子的
SAS 并没有什么改变。氮原子参与形成氢键而SAS
为 0。从图版Ⅰ: 4及图版Ⅱ: 5, 6, 7中也可以看出
T yr 100主要是为此活性中心提供疏水环境的作用,
氮原子和糖形成氢键, T yr 100本身并不会直接和糖
作用。
2. 2. 5　Asp208 的位置差异　这是活性中心里面
SAS 和位置变化最小的一个,主要是和糖形成氢键
(图版Ⅰ: 4;图版Ⅱ: 5, 6, 7)。但是在和吡喃型糖结合
时, 由于该糖存在疏水的伞形烯不易形成氢键而
69　第 1 期　　　　　　　　　　　　吴显辉等: 伴刀豆球蛋白 A-糖复合物的模拟分析
SAS变大; 亲水的吡喃环在活性中心的外面(图版
Ⅱ: 5)。从 SAS 和图版Ⅰ: 4 及图版Ⅱ: 5, 6, 7 中
Asp208的作用来看,主要是和糖形成氢键。这表明
在和不同糖结合时作用有所不同。
2. 2. 6　Arg228 的位置差异　除了 Arg228 的胍基
以外, Con A 结合了糖以后, Arg228原子的 SAS 变
小,尤其是头部。但是在和吡喃型糖结合时,由于伞
形烯和吡喃环的原因, A rg228的侧链向活性中心外
移动了, 故除了头部的 SAS 为 0 外, 其他原子的
SAS均变大了(图版Ⅱ: 6)。
3　结论
从以上分析可以看到: ( 1)在 Con A 与糖相互
作用的过程中,无论糖的种类如何, Con A 中起主要
作用的残基都为 T yr12、Asn14、Asp208、Arg228;
( 2)在Con A 与糖相互作用的过程中,无论是单糖
还是寡糖, 一般只有第一个糖环结构进入 Con A 的
活性中心与 Con A 起主要结合作用,但是糖环的侧
链修饰基团会影响和 Con A 的结合方式; ( 3)由于
糖的种类不同,氨基酸残基与糖的结合方式会有所
区别。这种区别可能和 Con A 的特异性有关。
参考文献:
[ 1 ]　Lo ris R, T homas H, Julei B, et al. L egume Lectin
Structure [ J] . Biochim Biop hys A cta, 1998, 1383: 9
36.
[ 2 ]　Banerjee R , Das R K , Ravishankar K , et al. Confo r-
ma tion, pr otein-carbohydrate inter actions and a no-
vel subunit asso ciation in the r efined str uct ur e of
peanut lectin-lactase complex [ J] . J Mol Biol, 1996,
259: 281 296.
[ 3 ]　Brow n R D, Koenig S H, Brew er C F . Conforma-
t ional equilibrium of demet allised concanavalin A [ J] .
Biochemistry , 1982, 21: 465 469.
[ 4 ]　Naismith J H, Emmerich C, Habash J, et al. Re-
fined st ructure of concanavalin-A complexes w it h
Methly -A-mannopyr anoside at 2. 0 ang strom reso-
lution and compar ison w ith t he sacca ride-fr ee st ruc-
ture [ J] . A cta Cry stallogr D , 1994, 50: 847 858.
[ 5 ]　Bouckaer t J, Lo ris R, Poor tmans F , et al . Cr ystal-
log raphic str uctur e of m etal-free concanavalin A at
2. 5 A resolut ion[ J] . P rotein, 1995, 23: 510 524.
[ 6 ] 　 Pa rkin S , Rupp B, Hope H. A tomic r eso lution
str uctur e o f concanacalin A at 120K[ J] . Acta Cry tal-
logr D , 1996, 52: 1 161 1 189.
[ 7 ]　Naismith J H, Field R A . St ructure basis o f triman-
noside recognition by concanava lin A [ J ] . J Biol
Chem , 1996, 271: 972 976.
[ 8 ]　M oo thoo D N , Cannan B, F ield R A , et al. Man al-
pha1-2 Man alpha-OMe-concanavalin A complex r e-
veals a balance o f for ces involved in carbohydrate
r ecognition [ J] . Gly cobiology , 1999, 9 ( 6) : 539
545.
[ 9 ]　Hamodrakas S J, Kanellopoulos P N , Pavlou K , et
al. The cr ystal str uctur e of the complexes of con-
canavalin A w ith 4-methy lumbellifer yl-a lpha-D-glu-
copyr anoside[ J] . J Stru Biol, 1997, 118( 1) : 23
30.
[ 10]　M ichel F S, A r thur J O , Spehner J C. Reduced Sur-
face: an efficient w ay to comput e mo lecule surfaces
[ J] . Biop olymer s, 1996, 38( 3) : 305 320.
[ 11]　M ichel F S, A r thur J O, Spehner J C. Fast and Ro-
bust Comput ation of M olecular Surfaces. ( 1995 )
ACM 11th Sym p. Comp. Geom . Vancouver B. C.
Canada . C6-C7. ( PostScr iptver sion available on the
nethttp: / / w w w . scr ipps. edu/ pub/ o lson-web/ peo-
ple/ sanner / )
[ 12]　Wang J L , Cunningham B A , Waxdal M J, et al.
The covalent and three-dimensional str uctur e o f con-
canavalin A [ J] . J Biol Chem , 1975, 250: 1 490
1 502.
[ 13]　Cunningham B A , Wang J L , Waxdal M J, et al.
The covalent and three-dimensional str uctur e o f con-
canavalin A [ J] . J Biol Chem , 1975, 250: 1 503
1 512.
70 武 汉 植 物 学 研 究　　　　　　　　　　　　　　　　　第 21 卷　　
吴显辉等: 图版Ⅰ WU Xian-Hui et al .: P late Ⅰ
1～4. 白色的线表示碳原子;红色的线表示氧原子; 蓝色的线表示氮原子; 黄色的线表示硫原子; 橙色的线
表示磷原子; 蓝绿色的线表示氢原子; 其他原子为灰色; 虚线表示氢键;密集的点表示范德华半径。1. 1APN
去离子态( 1APN ) ; 2. “Unlocked”态( 1DQ2) ; 3.“Locked”态( 1JBC) ; 4. Con A- 三甘露糖( 1CVN )
1- 4. T he white line denot e C; T he r ed line denot e O ; The blue line denot e N ; T he yellow line denot e S;
The or ange deno te P; T he cyan line deno te H; The gr ay line denot e o ther at oms; T he broke line denote H-
bond; The dot -display deno te v an der waals inter actions. 1. Dematellised Con A ( 1APN ) ; 2. “Unlocked”
Conformation ( 1DQ2) ; 3.“Locked”Confo rm ation ( 1JBC) ; 4. Con A- tr i-MAN ( 1CVN)
71　第 1 期　　　　　　　　　　　　吴显辉等: 伴刀豆球蛋白 A-糖复合物的模拟分析
吴显辉等: 图版Ⅱ WU Xian-Hui et al .: P late Ⅱ
5～7.白色的线表示碳原子 ; 红色的线表示氧原子; 蓝色的线表示氮原子; 黄色的线表示硫原子; 橙色的线
表示磷原子; 蓝绿色的线表示氢原子; 其他原子为灰色; 虚线表示氢键; 密集的点表示范德华半径。5. Con
A- -甲基-D-半乳糖苷( 1BXH) ; 6. Con A- 4-伞形烯--甲基-吡喃型葡萄糖苷( 1CJP ) ; 7. Con A- O1-甲
基-甘露糖( 5CNA )
5- 7. T he white line denot e C; T he r ed line denot e O ; The blue line denot e N ; T he yellow line denot e S;
The or ange deno te P; T he cyan line deno te H; The gr ay line denot e o ther at oms; T he broke line denote H-
bond; T he dot -display deno te v an der w aals inter act ions. 5. Con A-AMG ( 1BXH ) ; 6. Con A-M UG
( 1CJP ) ; 7. Con A-MMA ( 5CNA)
72 武 汉 植 物 学 研 究　　　　　　　　　　　　　　　　　第 21 卷