结合的交付物是更小的 $K_{\mathrm{d}}$(或按任务要求变得更松)。选择性的交付物是两条路径的比,不是把 $K_{\mathrm{d}}$ 再降一档。原书选择性章可能仍在修订,验收定义已在能量语言工序就位,本篇只写怎么测、怎么改、怎么避免两项互顶。

1. 结合比较的是复合物和两坨水
配体(ligand)是按化学计量、可逆、有选择地粘到蛋白上的物种。结合强度由复合物(双方互相接触)相对游离态(各自被水包着)决定。
$$
K_{\mathrm{d}}=\frac{[\mathrm{P}][\mathrm{L}]}{[\mathrm{P\cdot L}]}=\frac{k_{\mathrm{off}}}{k_{\mathrm{on}}}
$$
$K_{\mathrm{d}}$ 单位是浓度;数值上等于一半位点被占时的游离配体浓度。越小越紧。定义可用平衡透析建立;实验室读出多用 SPR、ITC、荧光滴定,比较的仍是同一对态。
稳复合物或捣乱游离态(例如在将被配体盖住的区域暴露疏水斑),都能加大 $\Delta G_{\mathrm{d}}$。关键仍是差分:游离态的惩罚必须在结合后被解除,否则只是把两条水平线一起抬高。
段末注释:$K_{\mathrm{d}}$ 是解离平衡常数。抗体亲和成熟在体内会撞上免疫学上限;体外工程的目标常常是从「已经不错」推到「非常紧」,用来降剂量或降检出限。
2. 互补性的两句话
- 形状:位点与配体轮廓匹配,才能形成密集范德华接触并挤出水。
- 化学:疏水对疏水,电荷异号相邻,氢键供体对受体。
抗体–抗原界面大约 15–20 个 CDR 残基接触抗原,多数接触是疏水的,双方会做小幅诱导契合。理想情况是双方最低能构象已经互相匹配,不必再付钱给重排。
氢键不是免费的。形成蛋白–配体氢键的同时,要打断水对双方极性原子的溶剂化。溶剂可及的氢键常常划得来;把未配对的极性埋进干燥界面,去溶剂化代价常超过氢键收益,结合反而变差。这是结合设计里最反直觉、也最常算错的一项。
抗体解剖(重链/轻链、Fab/Fc、CDR)只为了指出:动手的地方是接触面及其框架几何,不是随机扫表面。曲妥珠单抗在框架上补突变才找回亲和,是同一几何问题。
3. 计算能走到哪
对接负责姿态;Rosetta 等负责在姿态上改氨基酸。地高辛配基结合蛋白可以被设计到微摩尔,再靠定向进化进皮摩尔——数量级跳跃往往不是一次打分函数能跨过的。设计位点若过度柔性,静态几何正确也会在溶液里散掉。
因此结合项目的诚实分割是:计算负责提出互补性假说(谁该变成更大的疏水、哪对氢键该暴露),筛选负责走完剩余的数量级。
4. 选择性:已经在比两条路径
结合选择性是蛋白对配体 1 与配体 2 的关联常数之比,对应
$$
\Delta\Delta G_{\mathrm{d}}(1\text{ vs }2)=\Delta G_{\mathrm{d},1}-\Delta G_{\mathrm{d},2}
$$
反应选择性同理:两个底物的 $k_{\mathrm{cat}}/K_{\mathrm{M}}$ 之比,或同一底物两个产物的分流。对映选择性是其中被讲得最多的一种。改进选择性是让这个已经存在的 $\Delta\Delta G$ 再变大,能量账上会多一个 $\Delta$。
判决真正目标时不要把选择性误当成反应性:只降低「错底物」的速率、不提高「对底物」的速率,在单底物工业反应器里可能毫无产量收益;在必须抑制旁路或毒性产物时,选择性本身才是目标。
酶选择性工程的结构抓手,常是改口袋形状使一条过渡态更匹配、或改能区分两个对映体的定向氢键。它与结合章共用互补性语言,只是比较对象从「有或无配体」变成「配体 A 对配体 B」。
5. 反应性先挂在这里
「更快的酶」在原书仍修订,方案不单列工序。验收锁一句:反应性比较 $\mathrm{E}+\mathrm{S}$ 与 $\mathrm{E\cdot TS}$。只降 $K_{\mathrm{M}}$、不稳过渡态,可能得到「更亲底物、周转不变或更慢」的酶,不能当催化完成。西格列汀转氨酶从零活力到工艺可用,是反应性项目;稳定与选择是并列约束。
6. 验收
- $K_{\mathrm{d}}$ 从 $10,\mathrm{nM}$ 降到 $1,\mathrm{nM}$,大约对应多少 $\Delta\Delta G_{\mathrm{d}}$($25^{\circ}\mathrm{C}$)?
- 设计了一对完美的埋藏氢键,ITC 却显示亲和变差。优先怀疑什么?
- 诊断抗体对近缘抗原出现假阳性,你该优化 $K_{\mathrm{d}}$ 还是 $K_{\mathrm{d}}$ 之比?
(1:约 $1.36,\mathrm{kcal,mol^{-1}}$。2:去溶剂化 > 氢键;或氢键几何在溶液中并不如模型里那么直。3:之比——假阳性是选择性失败。)
7. 依据与边界
结合对照 Chp-6-Binding.pdf。选择性章以 开放文本目录 为准;能量定义回工序 3。假阳性是选择性失败,不要用「再降 $K_{\mathrm{d}}$」结项。