本文是一篇关于全氟烷基化合物（Perfluoroalkyl Substances, PFAS）与蛋白质相互作用机制的研究论文，由Atip Lawanprasert、Janna N. Sloand等作者共同完成，发表在2023年的《ChemBioChem》期刊上。该研究由宾夕法尼亚州立大学生物医学工程系的Scott H. Medina教授团队主导，旨在揭示全氟烷基化合物如何通过非共价作用修饰蛋白质，进而影响其构象动力学和细胞内运输。

研究背景

全氟烷基化合物（PFAS）是一类含氟有机化合物，广泛应用于工业、家用产品和生物医学领域。尽管氟在自然界中很少被使用，但它在蛋白质设计中的应用逐渐受到关注，尤其是在改变蛋白质折叠、稳定性和生物活性方面。然而，PFAS的生物学效应尚未完全阐明，尤其是它们与蛋白质的相互作用机制。本研究通过生物物理、化学和计算模拟相结合的方法，探讨了PFAS与蛋白质的相互作用，揭示了其结构-活性关系及其对蛋白质构象动力学和细胞内运输的影响。

研究流程

研究分为多个步骤，首先筛选了14种全氟烷基化合物与7种模型蛋白质的结合亲和力，包括人血红蛋白（Hb）、绿色荧光蛋白（GFP）、牛血清白蛋白（BSA）等。通过测量蛋白质在全氟己烷（PFH）中的分散效率，评估了PFAS与蛋白质的结合能力。结果显示，全氟壬酸（PFNA）能够显著提高蛋白质在PFH中的分散效率，表明其与蛋白质的结合能力最强。

接下来，研究团队通过分子动力学模拟和圆二色光谱（Circular Dichroism, CD）等技术，进一步分析了PFNA与蛋白质的相互作用机制。研究发现，PFNA通过氢键和静电作用与蛋白质表面结合，尤其是与蛋白质骨架的氢键作用最为显著。此外，PFNA能够诱导蛋白质的非天然二级结构，尤其是β-折叠结构的增加。

主要结果

1. PFAS与蛋白质的结合亲和力：PFNA表现出最强的结合能力，能够显著提高蛋白质在PFH中的分散效率。其他全氟烷基化合物如全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）也表现出一定的结合能力，但效果不如PFNA显著。

2. PFNA与蛋白质的相互作用机制：通过分子动力学模拟，研究发现PFNA主要通过氢键与蛋白质骨架结合，而非与氨基酸侧链结合。这种作用方式使得PFNA能够广泛地与多种蛋白质结合，而不受特定氨基酸的限制。

3. PFNA对蛋白质构象的影响：CD光谱分析表明，PFNA能够诱导蛋白质的非天然二级结构，尤其是β-折叠结构的增加。这种效应在低浓度下即可观察到，表明PFNA具有极强的诱导能力。

4. PFNA对细胞内蛋白质运输的影响：通过细胞实验，研究发现PFNA能够显著增强蛋白质的细胞内摄取，尤其是通过非特异性胞吞作用进入细胞的蛋白质。此外，PFNA还能够改变细胞膜的流动性，促进蛋白质的内化。

研究结论

本研究揭示了全氟烷基化合物与蛋白质相互作用的机制，尤其是PFNA通过氢键与蛋白质骨架结合，诱导蛋白质构象变化并增强其细胞内摄取的能力。这些发现不仅为理解PFAS的生物学效应提供了新的视角，还为设计基于氟化化合物的药物递送系统和生物材料提供了理论依据。

研究亮点

1. PFNA的高效结合能力：PFNA表现出极强的蛋白质结合能力，能够显著提高蛋白质在氟相中的分散效率。
2. PFNA对蛋白质构象的诱导作用：PFNA能够诱导蛋白质的非天然二级结构，尤其是β-折叠结构的增加，且这种效应在极低浓度下即可观察到。
3. PFNA对细胞内蛋白质运输的促进作用：PFNA能够显著增强蛋白质的细胞内摄取，为基于PFAS的药物递送系统提供了新的思路。

研究意义

本研究不仅揭示了全氟烷基化合物与蛋白质相互作用的分子机制，还为设计基于氟化化合物的药物递送系统和生物材料提供了重要的理论支持。此外，研究结果还为理解PFAS的潜在毒性机制提供了新的视角，有助于未来开发更安全的氟化化合物。

总结

本研究通过多学科交叉的方法，深入探讨了全氟烷基化合物与蛋白质的相互作用机制，揭示了PFNA通过氢键与蛋白质骨架结合，诱导蛋白质构象变化并增强其细胞内摄取的能力。这些发现为氟化化合物在药物递送和生物材料设计中的应用提供了新的思路，同时也为理解PFAS的生物学效应和潜在毒性机制提供了重要的理论依据。