全 文 ：武汉植物学研究 2003, 21 (2) : 155～ 164
J ourna l of W uhan B otan ica l Resea rch
从生物大分子结构特征解析植物凝集素的多样性
郭明雄1, 孙桂鸿1, 2, 吴显辉1, 冯胜彦1Ξ , 陈蔚梅13 ,
艾建宇1, 熊晓然1, 吴 斌1
(1. 武汉大学生命科学学院, 武汉　430072; 2. 武汉大学医学院, 武汉　430071)
摘　要: 利用计算机模拟分析了植物凝集素结构与功能的特征。结果显示: (1)植物凝集素在结合糖之前其结构变
化是一致的; (2) 植物凝集素存在结构上的多样性, 且可能与其生物功能的多样性有关; (3) 在结合糖的过程中,
植物凝集素表面局部结构的构象会有所变化, 这种变化有利于其识别不同的糖而结合不同的外来糖缀合物, 发挥
其防御功能。对于同一家族的植物凝集素, 虽然序列同源性较高, 但在功能上却表现出强烈的多样性。分析表明: 对
于生物大分子而言, 欲完成同一功能, 不一定结构相同; 结构相同, 不一定功能一样。
关键词: 生物多样性; 植物凝集素; 模拟; 可及性; 疏水性
　　中图分类号: Q 947　　　　　文献标识码: A 　　　　　文章编号: 10002470X (2003) 0220155210
Analyz ing the D ivers ity of Plan t L ectin s Accord ing to Structura l
Character of B iolog ica l M acrom olecule
GUO M ing2X iong1, SUN Gu i2Hong1, 2, W U X ian2H u i1, FEN G Sheng2Yan13 ,
CH EN W ei2M ei13 , A I J ian2Yu1, X ION G X iao2R an1, W U B in1
(1. Colleg es of L if e S ciences, W uhan U niversity , W uhan　430072, Ch ina; 2. M ed ica l Colleg e, W uhan U niversity , W uhan　430071, Ch ina)
Abstract: M anno se2specif ic lect in s are w idely dist ribu ted in h igher p lan ts and are believed to p lay
a ro le in recogn it ion of h igh2m anno se type glycan s of fo reign m icroo rgan ism s o r p lan t p redato rs.
In th is paper, w e sim u la ted the am ino acid residue’s st ructu ra l character of the sugar b inding sites
of m anno se2specif ic2b inding p lan t lect in s, and calcu la ted and analyzed so lven t accessib le su rface
area of the rela ted residue and m ean hydrophob icity of the su rface patches. R esu lts ind ica ted:
(1)Befo re the p lan t lect in s b ind sugar, their confo rm at ional variety are con sisten t; (2) T he p lan t
lect in s exh ib it the st ructu ra l d iversity, w h ich m ay rela te w ith the diversity of their b io logica l
funct ion; (3) D u ring the p rocess of b inding sugar, the su rface part confo rm at ion of the p lan t
lect in s can have som e variety; th is k ind of variety m ay benefit to recogn ize the p lan t lect in s to the
differen t sugar and b ind the differen t ly fo reign glycocon jugates, and develop their defen se func2
t ion. To sam e fam ily p lan t lect in s, a lthough their sequences have h igh homo logy, the b io logica l
funct ion s have strongly diversity. T he structu ra l d iversity of m anno se2specif ic p lan t lect in s asso2
cia ted w ith the specif ic recogn it ion of h igh2m anno se type glycan s h igh ligh ts the impo rtance of
m anno se2specif ic lect in s as recogn it ion mo lecu les in h igher p lan ts. A ll resu lts suggest: Fo r b io2Ξ 收稿日期: 2002209216, 修回日期: 2002211213。作者简介: 郭明雄 (1971- ) , 男, 硕士研究生, 专业方向为计算生物学。E2m ail: m xguo99@ 163. com通讯作者 (E2m ail: syfeng@w hu. edu. cn)。
log ica l m acromo lecu le, the funct ion is sam e, the st ructu re is uncerta in ly sim ilar; and the st ruc2
tu re is sim ilar, the funct ion is uncerta in ly sam e.
Key words: B io logica l d iversity; P lan t lect in s; Sim u la t ion; A ccessib ility; H ydrophob icity
　　生物多样性 (B io logica l d iversity) 内涵十分广
泛, 体现在生命系统的多个水平和层次上, 其中研究
较多、意义重大的主要为遗传多样性、物种多样性、
生态系统多样性和景观多样性 4 个层次[1 ]。目前, 蛋
白质水平多样性的分析主要有两种途径: 一为氨基
酸序列分析 (在遗传多样性分析中不多见) ; 另一为
同工酶 (或等位酶)电泳分析[2 ]。但是, 从大分子结构
特征的比较出发, 解析植物凝集素的生物多样性还
未见文献报道。
植物凝集素是一类高度异质性的具有糖特异结
合活性的蛋白, 广泛存在于多种高等植物中。根据氨
基酸序列同源性及其在进化上的关系, 植物凝集素
可以分为 7 个家族: 豆科凝集素、几丁质结合凝集
素、单子叶甘露糖结合凝集素、Ê 型核糖体失活蛋
白、木菠萝素 (Jacalin) 家族、葫芦科韧皮部凝集素和
苋科凝集素。目前, 对于植物凝集素的生理作用还存
在一定争议, 但比较一致的看法是凝集素的糖结合
活性及其专一性决定了它们的功能[3 ]。大多数含有
糖结合蛋白的植物都表现为优先结合甘露糖或寡甘
露糖苷, 甘露糖结合蛋白在高等植物的广泛分布表
明, 对于含有甘露糖的多糖的识别和 (或) 结合具有
非常重要的生物学意义。植物几乎不含甘露糖, 但甘
露糖却是病毒、细菌和真菌表面以及低等动物胃肠
上皮细胞的糖缀合物的非常普遍的成分。因此可以
推断, 甘露糖结合凝集素在植物抵抗病原微生物、食
植无脊椎动物和食草动物的过程中, 对于结构多样、
种类繁多的异源物质的识别, 发挥着重要的作
用[4, 5 ]。因此, 研究甘露糖特异结合的植物凝集素,
对于生物多样性的研究开发与保护具有十分重要的
意义。
自 1888 年 Stillm ark 最早发现凝集素以来, 人
们已经对它进行了广泛深入的研究。1994 年N ai2
sm ith 等利用 Con A 2吡喃甘露糖苷复合物结构, 在ς 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[6 ]。在此基础上, 我们从Con A 活
性中心原子的可及性表面积特征和功能基团的三维
结构变化等方面入手, 分析描述了Con A 是如何与
糖结合的, 得到了一些有意义的结果[7 ]。 1996 年,
Barre 等为了解释单子叶植物甘露糖结合凝集素在
生物活性方面的明显区别, 他们运用分子模拟等方
法研究了其结构与功能的关系[8 ]。结果表明, 每个凝
集素单体的活性甘露糖结合位点的数目为 3～ 0 之
间。因为, 结合位点的数目与利用表面胞质团共振
( Su rface p lasmon resonance, SPR ) 方法所得的结
合活性测定值能够很好地吻合, 而且也与甘露糖结
合凝集素生物活性研究结果相一致。因此, 分子模拟
方法在预测凝集素的部分生物学活性方面具有重要
的价值。同时, 我们先前对于杆菌的生长模拟, 也与
实验事实比较相符[9 ]。笔者在Barre 等人的工作基
础上, 利用 PDB 提供的一组甘露糖结合凝集素晶体
结构数据, 从甘露糖结合植物凝集素的活性中心功
能基团的三维结构变化的分析、疏水性 (H ydropho2
b icity)和原子溶剂可及性表面积 (So lven t accessib le
su rface area, SA SA ) 计算, 以及基于结构注解的序
列分析 (Sequences anno ta ted by structu re, SA S)入
手, 试图阐述甘露糖特异结合植物凝集素的糖结合
位点的结构多样性与其生物功能多样性的关系; 用
植物凝集素作为模型, 对生物大分子结构多样性作
一尝试性分析。
1　材料与方法
1. 1　材料
蛋白 质 数 据 库 ( P ro tein date bank, PDB )
提供了 9 种共 24 组甘露糖特异结合的植物凝集素
与甘露糖或其衍生糖复合物的结构数据, 以及 3 组
未结合糖的豆类凝集素 (1A PN、1DQ 0、1DQ 2) , 主
要是 ς 射线晶体衍射、NM R 得出的结果, 它们分别
属于甘露糖特异结合的豆科凝集素 (M anno se2
specif ic2b inding legum e lect in s, M BLL )、单子叶植
物甘露糖结合凝集素 (M onoco t m anno se2b inding
lect in s, MM BL )、木菠萝素相关的凝集素甘露糖特
异结合亚家族 (M anno se specif ic subgroup of the
jacalin2rela ted lect in s, M SJL ) (表 1)。由于凝集
素大多为对称的同源或异源多聚体, 因此, 在分析
过程中, 取其对称结构的一个完整结构域单元进
行分析。
651 武 汉 植 物 学 研 究　　　　　　　　　　　　　　　　　第 21 卷　　
表 1　甘露糖特异结合的植物凝集素 (资料来自 PDB )
T able 1　M anno se2specific2binding p lan t lect ins (date from PDB)
凝集素
L ectins
PDB 代码
PDB ID
　糖
Sugar
甘露糖特异结合的豆科凝集素
M anno sespecific2binding legum e lectins (M BLL )
伴刀豆球蛋白A 1A PN M etal2F ree Concanavalin A
Concanavalin A (Con A ) 1DQ 0 L ocked M etal2F ree Concanavalin A
1DQ 2 U nlocked M etal2F ree Concanavalin A
1BXH M ethyl2Α21, 2 2M annobio side (AM G)
1CVN T rim anno se (M AN )
1 I3H A 2D im anno se (M AN )
1ONA M ethyl23, 62D i2O 2(Α2D 2M annopyrano syl) 2Α2D 2M annopyrano side(MM A 2M AN 36)
1QDC M ethyl262O 2(Α2D 2M annopyrano syl) 2Α2D 2M annopyrano side(MM A 2M AN 6)
1QDO M ethyl232O 2(Α2D 2M annopyrano syl) 2Α2D 2M annopyrano side(MM A 2M AN 3)
1T E I Β2D 2Glcnac (1, 2) Α2D 2M an2(1, 6) [Β2D 2Glcnac (1, 2) Α2D 2M an (1, 6) ](NA G2M AN 1216)
1VAM 4’2N itrophenyl2Α2D 2M annopyrano side (PNA )
5CNA M ethyl2Α2D 2M annopyrano side (MM A )
豌豆凝集素 1BQ P D 2M annopyrano se (M AN )
Pea L ectin (PL )
　 1R IN
M ethyl23, 62D i2O 2(Α2D 2M annopyrano syl) 2Α2D 2M annopyrano side
(MM A 2M AN 36)
香豌豆同源凝集素É 1LOB Α2M ethyl2M anno se (MM A )
Iso lectinÉ of
L athy rus och rus (L oL É ) 1LO G　 Α2M an (123) Β2M an (124) GlcNA c (NA G2M AN )　
单子叶植物甘露糖结合凝集素
M onoco t m anno se2binding lectins (MM BL )
大蒜凝集素 1BWU Α2D 2M anno se (M AN )
Garlic L ectin (GL ) 1KJ1 Α2D 2M anno se (M AN )
雪花莲凝集素
Galan thus n iva lis 1JPC
M anno se2Α1, 62 (M anno se2Α1, 3) 2M anno se2Α1, 62(M anno se2Α1, 3)
(M AN 1613)
agglu tin in (GNA ) 1M SA M ethyl2Α2D 2M anno side (MM A )
1N IV M anno se2Α21, 32M ethyl2D 2M anno se (M DM )
水仙凝集素 1N PL M anno se2Α21, 32M anno se (M AN )
N arcissus p seud onarcissus
L ectin (N PL )
木菠萝素相关的凝集素甘露糖特异结合亚家族
M anno se specific subgroup of the jacalin2rela ted lectins (M SJL )
菊芋凝集素 (H eltuba) 1C3M M an (123)M an (M AN )
1C3N M an (122)M an (M AN )
A rtocarp in 1J 4U M e2Α2M anno se (MM A )
Jacalin 1JA C M ethyl2Α212M anno side (AM G)
1KU J 12O 2M ethyl2Α2D 2M anno se (M AM )
1. 2　方法
笔者利用M SM S 软件计算了以上所有植物凝
集素与糖复合物一个完整结构域单元的原子溶剂可
及性表面积, 对其中的糖结合中心的原子可及性表
面积进行了分析[10 ]; 计算和分析了凝集素中与糖结
合的活性中心残基的平均疏水性[11, 12 ]; 根据 PDB
提供的原子坐标数据, 利用 Sw iss PDB V iew er 软件
模拟了凝集素与糖结合的三维结构的带状图, 以及
氨基酸与糖环的氢键结合及范德华疏水相互作用特
征[13 ]; 利用基于结构注解的序列分析, 对相关植物
凝集素进行了序列同源性对比[14 ]。
2　结果与讨论
2. 1　结合糖之前的甘露糖特异结合植物凝集素的
结构变化
Con A 与糖的结合是豆科凝集素家族中最常
751　第 2 期　　　　　　　　　　　　郭明雄等: 从生物大分子结构特征解析植物凝集素的多样性
见、最具代表性也是目前研究最透彻的糖和蛋白结
合过程。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“L ocked”态和
“U n locked”态两种形式, 二者处于动态平衡之
中。结合进 Con A 分子中的 Ca 离子具有稳定
“L ocked”态的作用。“L ocked”态约占 90% , 但它不
能直接结合糖。“U n locked”态约占 10% 左右,“U n2
locked”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“L ocked”态有所
降低, 可以直接和糖结合, 形成可逆的Con A 2糖复
合物[15, 16 ]。我们以Con A 为模型模拟了结合糖之前
的甘露糖特异结合植物凝集素的结构变化 (见图版É : 1, 2)。
从图版É : 1, 2 中, 我们可以看到, Con A 结合
糖时, T yr12、L eu99、T yr100、A rg228 四个残基形成
一个结合袋口, 而A sp 208 为袋底; 当不能结合糖的
结构“L ocked”态向结合糖的结构“U n locked”态转
变时, T yr12 和 T yr100 的苯环以及A rg228 的侧链
的方位会发生较大变化, 这样, 可能利于糖的结合,
特别是A rg228 的侧链, 在“L ocked”态时, 它的侧链
堵住了疏水活性位点的入口 (图版É : 1, 2 箭头所
示) , 故称其为“L ocked”态。用软件对使用甘氨酸
(无侧链)代替A rg228 进行了模拟分析, 结果表明,
如果用甘氨酸代替A rg228 则不存在“L ocked”态
了。
以上分析表明, 虽然Con A 能结合多种甘露糖
(表 1) , 但在结合糖之前其结构变化是一致的, 说明
结构相同, 不一定功能相同。可能它在发挥其功能
时, 由于局部结构变化的多样性, 导致其功能的差
别。
2. 2　三类甘露糖结合凝集素2糖复合物的总体结构
框架的比较
根据 PDB 提供的甘露糖结合凝集素的晶体结
构数据, 利用 Sw iss PDB V iew er 软件分别模拟了 3
类 9 种甘露糖结合凝集素单个完整结构域2糖复合
物的带状图 (图版É : 3～ 8)。从模拟的带状图可以看
到: 对于甘露糖特异结合的豆科凝集素 (Con A、PL、
L oL É ) 和木菠萝素相关的甘露糖特异结合的凝集
素亚家族 (H eltuba、A rtocarp in、Jacalin) , 它们各自
形成特有的 Β层状结构和 Β棱柱状结构, 虽然特异
结合不同的糖, 但从模拟结果来看, 对同一家族凝集
素, 所有的糖几乎都特异结合在同一位点上 (图版É : 7, 8 箭头所示) ; 而单子叶植物甘露糖特异结合
凝集素 (GL、GNA、N PL ) 也形成特有的 Β桶状结构
(图版É : 3～ 6) , 大部分糖都结合在由多个 Β结构形
成的弯月型的凹槽中, 但是, 也有比较特殊的结合方
式, 如N PL 的AN 1302131 结合在 Β桶状结构的桶
口 处 (图版 É : 6 箭头所示 ) , GL 的 A 链中,
M AN 303 结合在 Β折叠的 loop 环上 (图版É : 3 箭
头所示) , 另外, GL 的M AN 300 除了与A 链的 Β结
构形成的弯月型的凹槽结合, 同时,D 链也参与结合
(图版É : 3, 4)。从凝集素与糖结合所形成的结构框
架来看, 这种结构上的多样性可能与凝集素的生物
功能的多样性有关, 即对于含有不同类型的甘露糖
的不同结构糖缀合物的识别有关。说明欲完成同一
功能, 不一定结构相同。
2. 3　糖结合活性中心氨基酸残基的溶剂可及性表
面积的比较分析
利用M SM S 软件, 我们计算了凝集素在结合甘
露糖前后的溶剂可及性表面积, 并且对于结合糖的
残基的溶剂可及性表面积的变化 (∃SA SA ) 进行了
分析 (图 1)。对于Con A , 未结合糖的结构数据, 采
用的是“U n locked”态的 1DQ 2。∃SA SA 为未结合糖
1DQ 2 中相应残基的溶剂可及性表面积与结合糖之
后的溶剂可及性表面积之差。结果表明: 9 种结合了
不同甘露糖的Con A 中, 5 种起主要结合作用的残
基A sn14、L eu99、T yr100、A sp 208、A rg228, 在结合
糖前后, 其 ∃SA SA 分别都很不一致。其中A sn14、
L eu99、T yr100 三个残基在结合前后可及性都减小,
但是减小的幅度不一样, 如 L eu99 在 1QDC 中∃SA SA 不到 30∼ 2, 但在 1T E I 中则接近 60∼ 2, 相
差 1 倍左右; A sp 208 在所有的Con A 中, 结合前后
的可及性都为 0, 因此其可及性无变化; 对于
A rg228, 从图 1 可以看到, 相对而言其 ∃SA SA 是最
不一致的, 除 1T E I 的略有减少, 其它的可及性都有
所增加, 变化值介于 10∼ 2～ 40∼ 2。另外, 从原子可
及性表面积和上述模拟结果来看, 可及性的变化主
要体现在参与形成氢键和范德华相互作用的原子的
可及性变化 (文中未用图表显示)。因为溶剂可及性
表面积主要反应的是蛋白质分子表面的氨基酸残基
在溶剂中的暴露程度, 可及性表面积越大, 残基的暴
露度就越大。以上提醒我们: 虽然Con A 结合的糖
都为甘露糖或其衍生物, 但在结合过程中, ConA 表
面局部结构的构象会有所变化, 这种变化有利于
Con A 识别不同的糖而结合不同的外来糖缀合物,
发挥其防御功能。
851 武 汉 植 物 学 研 究　　　　　　　　　　　　　　　　　第 21 卷　　
B. 1BXH; C. 1CVN ; D. 1 I3H; E. 1ONA ; F. 1QDC; G. 1QDO ; H. 1T E I; I. 1VAM ; J. 5CNA
图 1　凝集素在结合不同甘露糖前后, 主要氨基酸残基的溶剂可及性表面积的变化 ( ∃SA SA , ∼ 2)
F ig11　 In b inding differen t m anno se in fron t and back, the change of the SA SA of am ino acid residues (∼ 2)
　
表 2　糖结合表位的平均疏水性
T able 2　M ean H ydrophobicity of the surface patches
M BLL
凝集素
L ectins
平均疏水性
M ean H ydrophobicity
MM BL
凝集素
L ectins
平均疏水性
M ean H ydrophobicity
M SJL
凝集素
L ectins
平均疏水性
M ean H ydrophobicity
Con A - 1. 63; - 1. 70 GL - 1. 55; - 1. 87 H eltuba - 0. 40
- 1. 73; - 2. 00 - 2. 28; - 2. 40 A rtocarp in - 0. 70
PL - 0. 91 - 2. 75; - 2. 77 Jacalin - 0. 98
L oL É - 0. 73 - 3. 06
- 0. 91 GNA - 2. 95
N PL - 0. 88
- 2. 95
2. 4　糖结合活性中心氨基酸残基的疏水性比较分
析
在分子之间相互作用过程中, 非极性残基侧链
的相互作用对蛋白质立体结构稳定起到非常重要的
作用, 这种作用被称为疏水作用[12 ]。笔者使用 K2D
法[11, 12 ] , 计算了在甘露糖结合凝集素分子表面与甘
露糖相互作用表位的平均疏水性 (表 2)。负值越大,
表示疏水性越弱, 亲水性越强。根据表 2, 结合甘露
糖表位的平均疏水性不一致, 尤其以MM BL 最为
明显, 其最低平均疏水性与最高值之间相差 2. 5 倍;
而M BLL 和M SJL 最低值与最高值之间相差 112
倍、1145 倍。说明从结合位点整体来看, 凝集素也存
在结构多样性。
2. 5　不同的甘露糖与植物凝集素结合模型的模拟
根据 PDB 提供的晶体结构数据 (表 1) , 利用
Sw iss PDB V iew er 软件模拟了 3 类 9 种凝集素参
与糖结合的模型, 结果表明:
(1) 对于甘露糖特异结合的豆科凝集素, 利用
951　第 2 期　　　　　　　　　　　　郭明雄等: 从生物大分子结构特征解析植物凝集素的多样性
基于结构注解的序列分析可以看到, 它们的同源性
非常高。虽然它们都能形成特有的 Β层状结构, 且几
乎在同一部位识别不同的糖, 但我们发现它们结合
糖的氨基酸残基并不都相同。豌豆凝集素的糖识别
表位为A sp、Gly、Phe、A sn、A la、Glu, 香豌豆同源凝
集素É 的不连续的糖识别表位由A sp、Gly、Phe、
A sn、Gly、A la、Glu 组成, 这二者有一点差别, 可能
由于种间差异所导致; 而Con A 与糖结合的表位为
(T yr、P ro、)A sn、(T h r、A sp、)L eu、T yr、A sp、A rg,
在结合不同的甘露糖时, T yr12、P ro13、T h r15、
A sp 16 这 4 个残基不一定都参与, 但无论结合何种
甘露糖, A sn14、L eu99、T yr100、A sp 208、A rg228 这
5 个残基却总是主要的氢键形成的参与者, 这与我
们先前的结果比较相符[7 ] , 但是它与豌豆凝集素和
香豌豆同源凝集素É 的则完全不同。从糖结合模拟
图也可看到二者的区别, Con A 的糖结合活性中心
形成了一个结合口袋将其中一个糖环包围起来, 而
豌豆凝集素与香豌豆同源凝集素É 的糖结合活性中
心的氨基酸残基则形成一个凹槽与糖环相互作用
(图版Ê : 9, 10)。
表 3　参与凝集素和糖相互作用的氨基酸残基
T able 3　H ydrogen bonding, po lar con tacts and van der w aal con tacts betw een sugar and lectins
凝集素
L ectins
　糖
Sugar
　残基
R esidues
甘露糖特异结合的豆科凝集素
M anno se2specific2binding legum e lectins (M BLL )
Con A AM G2412242 T yr12, A sn14, L eu99, T yr100, A sp 208, A rg228
AM G241 A sn14, L eu99, T yr100, A sp 208, A rg228
T rim anno se T yr12, P ro13,A sn14, T h r15,A sp 16,L eu99, T yr100,A sp 208,A rg228
A 2D im anno se A sn14, A sp 16, L eu99, T yr100, A sp 208, A rg228
MM A 2M AN 36 T yr12, P ro13, A sn14, T h r15, A sp 16, L eu99, T yr100, A sp 208, A rg228
MM A 2M AN 6 T yr12, A sn14, L eu99, T yr100, A sp 208, A rg228
MM A 2M AN 3 A sn14, L eu99, T yr100, A sp 208, A rg228
NA G2M AN 1216 T yr12, P ro13, A sn14, T h r15, A sp 16, L eu99, T yr100, A sp 208, A rg228
PNA A sn14, L eu99, T yr100, A sp 208, A rg228
MM A A sn14, L eu99, T yr100, A sp 208, A rg228
PL D 2M annopyrano se A sp 81, Gly99, Phe123, A sn125, A la217, Glu218
MM A 2M AN 36 A sp 81, Gly99, Phe123, A sn125, A la217, Glu218
L oL É Α2M ethyl2M anno se A sp 81, Gly99, Phe123,A sn125, (B chain) Gly29,A la30, Glu31
NA G2M AN A sp 81, Gly99, Phe123, A sn125, (B chain) A la30, Glu31
单子叶植物甘露糖结合凝集素
M onoco t m anno se2binding lectins (MM BL )
GL Α2D 2M anno se
M AN 300 Gln90, A sp 92, A sn94, T yr98, (D chain)A sp 101, T yr108
M AN 301 A sp 60, A sn62, Ser72, H is77
M AN 302 Gln26, A sn30, T yr34, Ser39
M AN 303 Gly93, A sp 35
M AN 304 Gln90, A sp 92, A sn94, T yr98, (A chain)A sn84
M AN 305 A sn62, T yr66, Ser72
M AN 306 Gln26, T yr34
GNA M DM 1, 2, 3 Gln2X3 2A sp 2X2A sn2X2X2X2T yr
N PL
M anno se2Α21, 32M an2
no se (M AN 1002101,
1102111, 1202121) Gln2X2A sp 2X2A sn2X2X2X2T yr
M AN 1302131 T rp 41, A la42, A sn44, T rp 73
木菠萝素相关的凝集素甘露糖特异结合亚家族
M anno se specific subgroup of the jacalin2rela ted lectins (M SJL )
H eltuba M an (123)M an Gly18, Gly135, A sp 136, V al137, A sp 139
A rtocarp in M e2Α2M anno se Gly15, A sp 138, L eu139, A sp 141
Jacalin AM G200 Gly1, Gly121, T yr122, T rp 123, A sp 125
　　3 X 表示任一氨基酸残基。3 X show s anyone am ino acid residue.
061 武 汉 植 物 学 研 究　　　　　　　　　　　　　　　　　第 21 卷　　
　　 (2) 对于单子叶植物甘露糖特异结合的植物凝
集素, 利用基于结构注解的序列分析可以看到, 它们
的同源性非常高。它们形成了一个共同的识别糖环
的不连续表位, 即 Gln2X2A sp 2X2A sn2X2X2X2T yr
(如大蒜凝集素与M AN 300、M AN 304 结合的表
位)。由于M AN 300 为大蒜凝集素每一亚单位的初
级结合糖[17 ] , 因此对于它与凝集素的结合方式进行
了模拟, 从结合方式看, 与Con A 的比较接近, 都形
成一个结合口袋, 将糖环包入其中 (图版Ê : 9, 11)。
对于大蒜凝集素上其它糖结合位点, 虽然只有部分
上述残基, 有的还有其它残基参与糖的结合, 它们的
相对位置却基本一致 (表 3) ; 不过, 由于其它残基的
参与, 凝集素与糖的结合方式有所差异 (图版Ê : 11,
12)。但是对于一些特殊结合位点的糖, 所结合的氨
基酸残基以及结合方式都不一样, 如大蒜凝集素上
结合在 Β折叠 loop 环上的M AN 303, 形成氢键的残
基只有 Gly93; 水仙凝集素中与M AN 1302131 结合
的残基则为 T rp 41、A la42、A sn44、T rp 73 (图版Ê :
13)。
(3) 对于木菠萝素相关凝集素特异结合甘露糖
亚家族, 利用基于结构注解的序列分析可以看到, 它
们的同源性非常高。虽然可以结合不同的甘露糖或
其衍生糖, 但它们均能形成如下不连续表位: Gly、
(Gly、)A sp (T yr)、V al (L eu 或 T rp )、A sp; 且从糖结
合模拟图也可看到, 其结合方式也比较相似 (图版Ê : 14)。
(4) 根据文献 [ 5 ], Ê 型核糖体失活蛋白 (T ype
2 ribo som e2inact iva t ing p ro tein s, R IP) 与甘露糖特
异结合的残基为A sp 234、Ser238、T rp 248、A sn255
和 Gln256 (PDB 无结构数据, 未进行模拟分析)。
从以上分析我们注意到, 无论是哪一家族的植
物凝集素, 在识别外来糖缀合物中的甘露糖时,A sp
(A sn) 都是必需的氨基酸残基。这表明了植物凝集
素在结构和功能上具有一定的共同特征。
3　结论
从分子水平的研究已经发现, 同样是植物凝集
素, 它们的同源性极高[8 ] , 根据中心法则, 这些分子
应该具有比较一致的功能特征。但是从结构生物学
的视角分析多样性的文献还比较少见。我们在计算
机上进行了尝试性研究, 结果出乎我们的意料之外,
虽然植物凝集素的结构框架较接近, 且氨基酸序列
同源性也比较高, 但进一步的分析表明, 在功能上却
表现为强烈的多样性。
根据以上分析, 虽然从总体结构看, 同一家族的
植物凝集素的结构与功能似乎具有一致性, 但是从
分析结果来看, 结构相似的凝集素, 其功能并不一定
相同, 而功能一致的凝集素, 结构并不一定都相似。
也就是说, 对于生物大分子而言, 欲完成同一功能,
不一定结构相同; 而结构相同, 不一定功能一样。我
们分析, 植物凝集素为了防御结构多样、种类繁多的
异源物质的入侵和损伤, 可能由于进化的原因, 导致
其结构和功能的多样性。因此, 研究甘露糖特异结合
的植物凝集素, 对于生物多样性的研究开发与保护
具有十分重要的意义。
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郭明雄等: 图版É GUO M ing2X iong et a l. : P la te É
1 , 2. 结合糖之前凝集素的结构变化: 1.“L ocked”态; 2.“U nlocked”态。3～ 8. 凝集素2糖复合物的带状图:
3. 大蒜凝集素A 链2糖复合物; 4. 大蒜凝集素D 链2糖复合物; 5. 雪花莲凝集素2糖复合物; 6. 水仙凝集素2
糖复合物; 7. Con A 2糖复合物; 8. Jacalin2糖复合物
1, 2. Structu ral transfo rm ation of the p lan t lect ins befo re b inding sugar: 1.“L ocked”type; 2.“U nlocked”
type. 3- 8. R ibbon diagram s of the th ree2dim ensional confo rm ations of the th ree differen t of m anno se2bind2
ing p lan t lect ins: 3. GL 2A chain2sugar comp lex; 4. GL 2D chain2sugar comp lex; 5. GNA 2sugar comp lex; 6.
N PL 2sugar comp lex; 7. Con A 2sugar comp lex; 8. Jacalin2sugar comp lex
361　第 2 期　　　　　　　　　　　　郭明雄等: 从生物大分子结构特征解析植物凝集素的多样性
郭明雄等: 图版Ê GUO M ing2X iong et a l. : P la te Ê
9～ 14. 凝集素与糖相互作用的模拟图: 9. Con A - 三甘露糖; 10. 香豌豆同源凝集素É - Α2甲基甘露糖; 11.
大蒜凝集素- Α2D 2甘露糖; 12. 水仙凝集素- 甘露糖2Α21, 32甘露糖 100, 101; 13. 水仙凝集素- 甘露糖2Α21,
32甘露糖 130, 131; 14. 菊芋凝集素- 甘露糖 (1, 3)甘露糖
9- 14. M o lecu le modeling diagram s of the th ree2dim ensional confo rm ations of the th ree differen t of m an2
no se2binding p lan t lect ins: 9. Con A - T riM AN ; 10. L oL É- Α2M ethyl2M anno se; 11. GL - Α2D 2M anno se;
12. N PL - M anno se2Α21, 32M anno se100, 101; 13. N PL - M anno se2Α21, 32M anno se130, 131; 14. H eltuba-
M an (123)M an
461 武 汉 植 物 学 研 究　　　　　　　　　　　　　　　　　第 21 卷