氫鍵是自然界廣泛存在的一種分子間作用力,在化學(xué)、物理、生物過程中起至關(guān)重要的作用,近年來在超分子、彈性體、自修復(fù)等領(lǐng)域扮演著重要角色。氫鍵是生物大分子結(jié)構(gòu)及其相互作用的主要幾何決定因素,借助原位紅外等分析手段可以對氫鍵進(jìn)行定性分析,目前已有大量相關(guān)文獻(xiàn)對氫鍵能量學(xué)進(jìn)行了詳細(xì)的研究,其研究焦點(diǎn)主要集中在由單個(gè)供體和單個(gè)受體組成的H-bonds上,然而多重氫鍵在生物大分子結(jié)構(gòu)中非常常見,如膜蛋白,目前對于多重氫鍵的定量分析缺乏系統(tǒng)研究。

基于此,希伯來大學(xué)貝寧計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院的Esther S. Brielle和Isaiah T. Arkin教授課題組通過測量在三個(gè)或三個(gè)以上基團(tuán)之間形成的多重氫鍵能量,發(fā)現(xiàn)92%的跨膜螺旋結(jié)構(gòu)中至少有一個(gè)非規(guī)范氫鍵形成,其是由絲氨酸或蘇氨酸羥基側(cè)鏈氫鍵與序列中i?4、i?3或i位置處的羰基氧過配位形成的,進(jìn)一步通過同位素編輯FTIR光譜技術(shù)和DFT計(jì)算,確定氫鍵的焓值,其值比單個(gè)規(guī)范氫鍵焓值高127%,得出這些強(qiáng)氫鍵有利于絲氨酸和蘇氨酸在疏水環(huán)境中保持穩(wěn)定,同時(shí)使其在不同構(gòu)型之間保持靈活性,賦予其多功能性。文章通過對多重氫鍵的定量分析,為今后控制氫鍵、利用氫鍵奠定一定基礎(chǔ)。相關(guān)工作以“Quantitative Analysis of Multiplex H?Bonds”發(fā)表在國際頂級期刊《Journal of the American Chemical Society》上。

《JACS》: 多重氫鍵的定量分析!
不同氫結(jié)合C=O振動(dòng)紅外對比

 

《JACS》: 多重氫鍵的定量分析!
絲氨酸和蘇氨酸氫鍵的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

 

在溶解的膜蛋白跨膜螺旋結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了絲氨酸和蘇氨酸殘基,其參與了多重氫鍵的形成,通過羥基O和羰基O之間小于3.5 ?的距離確定氫鍵。結(jié)果表明,大多數(shù)絲氨酸和蘇氨酸形成這種多重氫鍵,大多數(shù)鍵與序列中位于同一殘基(i)、三個(gè)殘基(i-3)或四個(gè)殘基(i-4)上的過配位主鏈羰基形成。為了確定哪些因素影響氫鍵的形成,作者測量了χ1旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體,發(fā)現(xiàn)χ1=-60°(圖中紅點(diǎn))的殘基幾乎全部與i-4羰基基團(tuán)反向鍵合(圖中粉色陰影);相反,在χ1=+60°(圖中藍(lán)點(diǎn))時(shí),其與i-3羰基(圖中藍(lán)綠色陰影)或與i-3和i-4羰基同時(shí)鍵合(圖中格子底紋)。當(dāng)χ1旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體在±180°時(shí)(圖中灰點(diǎn)),側(cè)鏈氫鍵合自身羰基。同樣,分析蘇氨酸時(shí)可得到相似的結(jié)論。統(tǒng)計(jì)學(xué)分析表明,絲氨酸和蘇氨酸殘基通常參與不同的多重氫鍵,主要取決于其χ1角度大小。

《JACS》: 多重氫鍵的定量分析!
膜蛋白結(jié)構(gòu)中的不同氫鍵構(gòu)型

 

《JACS》: 多重氫鍵的定量分析!
?絲氨酸Oγ與位于i-3和i-4位置的羰基氧之間距離的分析

FTIR光譜分析

為了測量不同多重氫鍵的強(qiáng)度,采用同位素編輯FTIR光譜分析羰基的振動(dòng)頻率。C=O伸縮振動(dòng)是酰胺I振動(dòng)模式的主要組成部分,因此,當(dāng)與單個(gè)H鍵供體結(jié)合時(shí),酰胺I帶向低頻移動(dòng);當(dāng)與兩個(gè)供體過配位時(shí),移動(dòng)程度更大。因此,移動(dòng)程度與H鍵的強(qiáng)度有直接關(guān)系,通過13C=18O標(biāo)記可實(shí)現(xiàn)單個(gè)羰基的光譜觀察。對其它殘基分析,同樣采取標(biāo)定的方法。

《JACS》: 多重氫鍵的定量分析!
H鍵(紅色)對C=O(藍(lán)色)振動(dòng)頻率的影響(ν1>ν2>ν3)

 

《JACS》: 多重氫鍵的定量分析!
M2肽標(biāo)記紅外光譜酰胺I帶和酰胺II帶峰位置

 

DFT計(jì)算

采用DFT計(jì)算鍵焓變的頻率移動(dòng),可以得到系統(tǒng)中任何特定振動(dòng)模式的頻率,然后將其與FTIR分析結(jié)果對比,以驗(yàn)證結(jié)果的可靠性。首先通過絲氨酸與主鏈羰基的背面鍵合計(jì)算系統(tǒng)能量,然后當(dāng)兩個(gè)分子距離100??時(shí)再次計(jì)算系統(tǒng)的能量,對纈氨酸采取相同的操作,將絲氨酸系統(tǒng)減去纈氨酸系統(tǒng)的能量值,以確定該位置絲氨酸的能量偏好性。為確定羥基與主鏈羰基側(cè)鏈相互作用的特定貢獻(xiàn),通過旋轉(zhuǎn)χ1二面體,使羥基側(cè)鏈繞Cα-Cβ鍵旋轉(zhuǎn)180°以消除非規(guī)范氫鍵。所有其它能量的影響,均可以通過旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)將兩個(gè)分子分開來解決。

《JACS》: 多重氫鍵的定量分析!
DFT計(jì)算氫鍵焓變和振動(dòng)頻率所采用的模型化合物

 

總結(jié):絲氨酸和蘇氨酸殘基是迄今為止跨膜螺旋中最常見的極性殘基,不同氫鍵配置允許絲氨酸和蘇氨酸殘基在蛋白質(zhì)功能所必需的方向上形成氫鍵,主鏈羰基與羥基側(cè)鏈過度配位的氫鍵具有靈活性,具有穩(wěn)定絲氨酸和蘇氨酸側(cè)鏈的特點(diǎn),同時(shí)具有多功能性。作者提供了一個(gè)全面的針對絲氨酸和蘇氨酸側(cè)鏈氫鍵與主鏈羰基過配位形成多重氫鍵的定量分析方法,為跨膜螺旋結(jié)構(gòu)提供了非規(guī)范氫鍵的詳細(xì)能量圖。

 

全文鏈接:

https://doi.org/10.1021/jacs.0c04357

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