起源于真菌的环状肽分子环孢素在20世纪70年代被发现，环孢素A由于其免疫抑制活性很快成为一种重要的药物。20世纪90年代初，环孢素参与的生化反应的细节已被阐明，但该分子的某些行为仍存在问题。喀山联邦大学核磁共振实验室(Vladimir Klochkov教授指导)于2008年开始调查，主要致力于环孢素A (CsA)的物理化学性质。最近，我们将研究扩展到不同组成的环孢素变体。

　　产生环孢菌素的真菌存在两个繁殖阶段:无性土壤真菌(最初从土壤真菌中提取环孢菌素)和性寄生真菌(接近众所周知的虫草属)。与大多数在核糖体上根据核酸直接编码的信息合成的多肽不同，环孢素是在一种特殊的酶——环孢素合成酶上产生的。这个过程不太精确，因此最终产品通常是几种化学成分略有不同的化合物的混合物。

　　然而，这些微小的变化对用作药物的肽的行为有巨大的影响。只有CsA被发现是一种有效的免疫抑制剂，可以帮助移植患者。两个问题立即出现:CsA的关键特性是什么，免疫抑制是我们在环孢素中发现的唯一用途吗?

　　生化化合物的活性在很大程度上取决于它的三维分子结构，这是一个公认的事实。核磁共振(NMR)光谱提供了一种重建分子结构的可能性，因为它存在于溶液或膜模拟介质中。我们发现不同的环孢素在相似的环境中具有相似的结构，如氯仿溶液或以磷脂胶束作为模型膜的复合物。

　　多肽的环化使它们具有独特的性质。以环孢素为例，我们对其不寻常的分子行为还有另一个原因:缺乏几个酰胺质子，而在典型的肽中，酰胺质子可以形成氢键，从而稳定结构。由于环化作用，环孢素分子的形状比线性寡肽更刚性，但同时仍保持相对的柔韧性。这种灵活性在核磁共振研究中观察到环孢素在极性溶剂中多种分子形式的共存。在所有这些构象中，只有一种构象可能作为药物具有活性，因此构象平衡影响化合物的药用功效。我们估计两个构象之间的能垒约为70-80 kJ/mol，这揭示了转化的本质:肽键旋转180°。然而，一些环孢素变体表现出意想不到的行为:环孢素E (CsE)在极性溶剂DMF中被发现是刚性的，而CsH在极性氯仿中以多重构象存在，这与所有其他研究的变体不同。

　　分子动力学模拟揭示了肽链在纳秒时间尺度上的柔韧性，这是核磁共振无法直接观察到的。环孢素分子的模拟证实，CsE分子比其他已研究的变体(A, B, C, D, H)更具刚性。迄今为止获得的最有趣的结果是，这些特性与环孢素在生物体内的生化作用有关。Mari州立大学的合作者Mikhail Dubinin进行的实验显示，环孢素B、C和D抑制了大鼠肝脏线粒体的孔隙开放——这种效应在CsA存在时已经被观察到。然而，CsE没有表现出这种生物活性。

　　首先，本研究揭示了结构-活性的关系，或者从更广泛的意义上讲，揭示了结构-动力学-活性的关系。分子的构象在某些相互作用中可能是一个关键因素，除CsA外，大多数环孢素无法参与免疫反应证明了这一点:单个氨基酸的替代阻止了与靶蛋白亲环蛋白的必要相互作用。另一方面，这种取代对于与线粒体孔复合体的相互作用是不重要的，其中还应考虑其他因素:一般链的柔韧性和分子穿透磷脂细胞膜的能力。

　　其次，调节线粒体活动的可能性本身就很有趣，因为它可以找到一种治疗与线粒体功能障碍相关的疾病的方法。由于其对免疫系统的影响，环孢素A不适合这个角色，但也许它的同系物广泛的环孢素家族可能有用。

　　鉴于最近的发现，研究可以在几个方向上继续进行。环孢素的更多变体可以通过核磁共振和分子动力学来表征，以揭示组成元素(例如，肽链中存在额外的酰胺质子)负责不同性质。埋在模型膜内部的肽的结构是特别有趣的，因为许多生化现象发生在这种环境中。最后，环孢素对线粒体等生命系统影响的研究也应继续进行。