典型蛋白質(zhì)折疊中陽(yáng)離子-π相互作用的特異性

喬 輝 李曉琴 徐海松 孔令強(qiáng) 彭 宇

(北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院,北京 100124)

典型蛋白質(zhì)折疊中陽(yáng)離子-π相互作用的特異性

喬 輝 李曉琴*徐海松 孔令強(qiáng) 彭 宇

(北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院,北京 100124)

蛋白質(zhì)中的陽(yáng)離子-π相互作用是帶正電荷的氨基酸(Lys、Arg)和芳香族氨基酸(Phe、Tyr、Trp)之間的一種作用力.對(duì)α/β類蛋白中兩種典型折疊類型(單繞和雙繞)的研究表明:(1)單繞結(jié)構(gòu)中陽(yáng)離子-π相互作用的分布密度大約是雙繞結(jié)構(gòu)中的2.6倍;(2)在單繞結(jié)構(gòu)中,樣本所含氨基酸殘基數(shù)量與樣本中陽(yáng)離子-π的數(shù)量有明顯的相關(guān)性,在雙繞結(jié)構(gòu)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)類似的相關(guān)性;(3)Lys、Arg與Tyr在單繞中比在雙繞中更容易形成陽(yáng)離子-π相互作用;(4)Arg-Tyr組合在單繞中出現(xiàn)的幾率較大,Arg-Phe組合在雙繞中出現(xiàn)的幾率較大;(5)陽(yáng)離子-π相互作用在65%的單繞樣本中形成陣列或分布在結(jié)構(gòu)的首尾間.

單繞; 雙繞; 陽(yáng)離子-π相互作用; 特異性

陽(yáng)離子-π相互作用是存在于陽(yáng)離子和芳香性體系之間的一種相互作用力[1-3],屬于非鍵相互作用. 1981年Sunner等[4]從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了陽(yáng)離子-π在氣相中是一種顯著的相互作用,但陽(yáng)離子-π相互作用在凝聚態(tài)及液態(tài)環(huán)境中得到證實(shí)并定量研究之后,作為一種重要的非鍵相互作用才逐漸被人們重視[1].

在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)生物學(xué)中,陽(yáng)離子-π相互作用也是一種重要的非鍵相互作用[5-6].作為神經(jīng)遞質(zhì)的乙酰膽堿(Ach)和乙酰膽堿酯酶(AchE)就是通過(guò)陽(yáng)離子-π結(jié)合的[7].2009年Dougherty等[8]在Nature上發(fā)表文章指出尼古丁與大腦中的乙酰膽堿受體就是通過(guò)陽(yáng)離子-π結(jié)合從而使人產(chǎn)生煙癮的.

在組成蛋白質(zhì)的氨基酸中,帶正電荷的氨基酸Lys、Arg可以和芳香族氨基酸Phe、Tyr、Trp形成陽(yáng)離子-π相互作用,如圖1所示.陽(yáng)離子-π相互作用主要是靜電作用引起的[1-3],在一級(jí)近似下可以看作是正電荷和電四極矩之間的吸引力[9].在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究中,相對(duì)于氫鍵、離子鍵以及疏水作用這些常規(guī)的相互作用,陽(yáng)離子-π相互作用沒(méi)有得到充分的重視,但有關(guān)陽(yáng)離子-π相互作用對(duì)蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的研究報(bào)道在增加[10-21].

有研究表明，陽(yáng)離子-π相互作用對(duì)于維持跨膜螺旋(TMH)蛋白和跨膜折疊(TMS)蛋白的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有重要作用,并且陽(yáng)離子-π相互作用在TMS蛋白和TMH蛋白中的分布情況有很明顯的不同[11];人們?cè)诘鞍踪|(zhì)與蛋白質(zhì)接觸界面上發(fā)現(xiàn)存在大量由Arg參與的陽(yáng)離子-π相互作用的存在[12];在人類生長(zhǎng)激素受體(PDB:3HHR)的胞外結(jié)構(gòu)域中有陽(yáng)離子-π相互作用陣列(Lys-Tyr-Arg-Phe-Arg-Trp-Lys)的存在[13];在α-淀粉酶抑制劑中存在高度保守的陣列(Trp-Arg-Tyr)[14].此外,陽(yáng)離子-π相互作用對(duì)于DNA結(jié)合蛋白[15-16]、RNA結(jié)合蛋白[17-18]、治療性蛋白[19]、延長(zhǎng)因子蛋白[20]以及DNA-蛋白質(zhì)復(fù)合物[21]等的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性都有重要作用.

本文通過(guò)對(duì)兩種典型蛋白質(zhì)折疊類型(單繞和雙繞)中陽(yáng)離子-π相互作用的對(duì)比分析,將有助于理解陽(yáng)離子-π相互作用在維持蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面的作用,為相關(guān)蛋白質(zhì)的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo).

1 材料和方法

1.1 材 料

從SCOP數(shù)據(jù)庫(kù)下的Astrall.65[22]中選取了樣本間序列相似度小于25%的149個(gè)全部單繞結(jié)構(gòu)樣本和79個(gè)全部雙繞結(jié)構(gòu)樣本,利用CAPTURE程序[23]計(jì)算陽(yáng)離子-π相互作用信息,得到信息完整可用的樣本103個(gè),其中包括66個(gè)單繞、37個(gè)雙繞.

單繞和雙繞是α/β類蛋白中兩種典型的折疊類型.單繞是“單繞平行β筒”(singly wound parallel βbarrel),它由8個(gè)βα二級(jí)結(jié)構(gòu)單元首尾連接而成,序列上緊鄰的β單元在空間上也緊鄰排列,即β1β2β3β4β5β6β7β8,βkαkβk+1(k=1-7)間滿足右手螺旋關(guān)系,蛋白質(zhì)頭部的β1與處于蛋白質(zhì)尾部的β8空間緊鄰,形成筒狀結(jié)構(gòu),拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示.雙繞是“雙繞平行β片”(doubly wound parallel β-sheet),平行β片由3-8個(gè)不等的βα二級(jí)結(jié)構(gòu)單元組成,其中由6個(gè)β單元連接、β片層對(duì)稱排列、β1與β4空間緊鄰的雙繞結(jié)構(gòu)最為典型,通常成為“ROSSMANN”折疊,6個(gè)β單元的排列方式為;β3β2β1β4β5β6,βkαkβk+1(k=1-5)間滿足右手螺旋關(guān)系,空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示.

1.2 參數(shù)定義

第i種氨基酸的組分comp(i)為

上式中n(i/j)代表第j個(gè)蛋白樣本中氨基酸i出現(xiàn)的頻次,i=1-20,j=1-103(j=1-66為單繞,j=67-103為雙繞),以下類同.

第i種氨基酸參與陽(yáng)離子-π相互作用的參與率compπ(i)為

式中nπ(i/j)代表第j個(gè)蛋白樣本中氨基酸i參與陽(yáng)離子-π作用的頻次.

樣本j的氨基酸殘基總量N(j)為

1.3 陽(yáng)離子-π相互作用的判別準(zhǔn)則

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中,帶正電荷的氨基酸和芳香族氨基酸之間形成陽(yáng)離子-π相互作用的判別依據(jù)是幾何準(zhǔn)則和能量準(zhǔn)則[5].幾何準(zhǔn)則是:所有的陽(yáng)離子和π體系之間的距離在1 nm內(nèi),并且二者之間在最近接觸距離上形成的縫隙不能大到能插入一個(gè)水分子;能量準(zhǔn)則是:當(dāng)Ees≤-8.36 kJ·mol-1,或-8.36 kJ· mol-1＜Ees≤-4.18 kJ·mol-1且同時(shí)滿足EvW≤-4.18 kJ·mol-1,則判定陽(yáng)離子和π構(gòu)成一個(gè)陽(yáng)離子-π相互作用,其中Ees為靜電能,EvW為范德華力能.

CAPTURE程序是結(jié)合OPLS力場(chǎng)[24-25]和量子力學(xué)從頭計(jì)算(HF/6-31G**)建立起來(lái)的[5].依據(jù)上述判別準(zhǔn)則,在給定PDB-ID號(hào)或蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)信息的條件下,程序CAPTURE可以在線計(jì)算并返回蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中有效的陽(yáng)離子-π相互作用信息.

2 結(jié)果及分析

2.1 不同折疊中陽(yáng)離子-π相互作用的特點(diǎn)

對(duì)任一蛋白樣本j,利用CAPTURE程序可以得到該樣本中陽(yáng)離子-π相互作用的信息,對(duì)該信息進(jìn)行處理可以得到:樣本j的陽(yáng)離子-π相互作用的數(shù)量Nπ(j)、樣本j的氨基酸殘基總數(shù)N(j)、陽(yáng)離子-π相互作用的分布位置等信息,部分?jǐn)?shù)據(jù)列于表1.

陽(yáng)離子-π相互作用的分布密度定義為Nπ(j)/ N(j),表示平均每個(gè)氨基酸殘基中包含的陽(yáng)離子-π相互作用數(shù)目,該值越大代表密度越大.表2中分別列出了單繞和雙繞折疊結(jié)構(gòu)中陽(yáng)離子-π相互作用的數(shù)量均值Nπ(j)、氨基酸殘基總數(shù)均值N(j)和分布密度的數(shù)值.從表2可以看到;單繞中陽(yáng)離子-π相互作用的分布密度為1.51%,雙繞中陽(yáng)離子-π相互作用的分布密度為0.58%,單繞遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雙繞.

對(duì)表1中單繞和雙繞中氨基酸殘基的數(shù)量N(j)和陽(yáng)離子-π的數(shù)量Nπ(j)的相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析顯示:單繞中N(j)與Nπ(j)有較好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)R為0.68;雙繞中N(j)與Nπ(j)沒(méi)有明顯的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)R為0.05.

表1 陽(yáng)離子-π相互作用的分布Table 1 Distribution of cation-π interactions

表2 典型蛋白質(zhì)折疊中陽(yáng)離子-π相互作用的特異性Table 2 Specificity of cation-π interactions in typical protein folds

2.2 陽(yáng)離子-π相互作用中5種氨基酸的參與率

根據(jù)1.2節(jié)中氨基酸組分comp(i)及氨基酸參與陽(yáng)離子-π的參與率compπ(i)的定義,表3中分別列出了單繞和雙繞中參與陽(yáng)離子-π的5種氨基酸的上述參數(shù)信息.

從組分上看,Lys、Arg、Phe、Tyr和Trp的組分在單繞和雙繞中均依次降低,三種芳香族氨基酸中Trp的組分明顯偏低.

在單繞和雙繞中,氨基酸Trp參與陽(yáng)離子-π的的參與率都是最高的,分別達(dá)到24.25%和24.00%,大約每4個(gè)Trp中就有一個(gè)參與陽(yáng)離子-π相互作用的形成.Trp在單繞和雙繞中參與率之比為1.01,接近1,說(shuō)明Trp在單繞和雙繞中形成陽(yáng)離子-π相互作用的能力相當(dāng),不存在結(jié)構(gòu)上的特異性.Trp較高的陽(yáng)離子-π參與率是因?yàn)?Trp上的吲哚基團(tuán)是很強(qiáng)的陽(yáng)離子結(jié)合位點(diǎn),從而更容易和帶正電荷的氨基酸結(jié)合形成陽(yáng)離子-π相互作用.

Lys、Arg和帶正電荷的氨基酸在單繞和雙繞中的組分之比分別為0.95、1.09、1.01,而Lys、Arg在單繞和雙繞中的參與率之比卻分別達(dá)到2.61和2.18,說(shuō)明提供陽(yáng)離子的Lys、Arg在單繞中比在雙繞中更容易參與陽(yáng)離子-π相互作用.芳香族氨基酸Tyr也具有同樣的特異性.

2.3 不同組合陽(yáng)離子-π相互作用的分布

兩種帶正電荷的氨基酸和三種芳香族氨基酸參與陽(yáng)離子-π相互作用的組合方式有六種,即:Arg-Phe、Arg-Tyr、Arg-Trp、Lys-Phe、Lys-Tyr和 Lys-Trp,我們分別統(tǒng)計(jì)了這六種組合方式在單繞和雙繞中出現(xiàn)的百分比的情況,結(jié)果見(jiàn)表4.

從表4可以看到:在單繞和雙繞中Arg組合都比Lys組合更多地參與了陽(yáng)離子-π的形成;Arg-Tyr組合在單繞中的百分比明顯大于在雙繞中的百分比;Arg-Phe組合在雙繞中的百分比明顯大于在單繞中的百分比;其它組合在單繞和雙繞中的分布相當(dāng).

2.4 陽(yáng)離子-π相互作用在結(jié)構(gòu)中的位置分布

利用RasTop軟件觀察每一個(gè)蛋白樣本的空間結(jié)構(gòu),辨識(shí)結(jié)構(gòu)中陽(yáng)離子-π相互作用在結(jié)構(gòu)中的位置,對(duì)全部樣本進(jìn)行陽(yáng)離子-π相互作用位置分布統(tǒng)計(jì)分析,我們發(fā)現(xiàn):66個(gè)單繞樣本中,陽(yáng)離子-π相互作用分布在蛋白質(zhì)首尾(即β1α1與β8α8)之間樣本有24個(gè),占到了總數(shù)的36.36%,其中有10個(gè)樣本在首尾間存在2個(gè)或2個(gè)以上的陽(yáng)離子-π相互作用,陽(yáng)離子-π相互作用組合Lys-Tyr、Lys-Trp、Arg-Trp出現(xiàn)的頻次分別為8、6、9,占全部組合總數(shù)的2/3; 37個(gè)雙繞樣本中,陽(yáng)離子-π相互作用分布在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)折處即β1α1與β4α4之間的樣本1個(gè),占總數(shù)的2.70%,具體結(jié)果見(jiàn)表5.

表3 5種氨基酸的組分及其陽(yáng)離子-π的參與率Table 3 Composition of five kinds of amino acids and participation rate of cation-π interactions

表4 不同組合陽(yáng)離子-π相互作用的分布(%)Table 4 Distribution(%)of different cation-π interactions

表5 典型蛋白質(zhì)折疊中陽(yáng)離子-π相互作用的位置分布特異性Table 5 Location specificity of cation-π interactions in typical protein folds

在某一蛋白樣本中,如果同一個(gè)氨基酸殘基與兩個(gè)氨基酸氨基分別形成陽(yáng)離子-π相互作用,我們視該蛋白質(zhì)樣本存在陽(yáng)離子-π相互作用陣列.對(duì)66個(gè)單繞樣本及37個(gè)雙繞樣本,利用RasTop軟件觀察每一個(gè)樣本的空間結(jié)構(gòu),確定樣本是否存在陽(yáng)離子-π相互作用陣列并進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果顯示:單繞樣本中存在構(gòu)成陽(yáng)離子-π相互作用陣列的樣本為22個(gè),占到了總數(shù)的33.33%;雙繞中存在陽(yáng)離子-π相互作用陣列的樣本2個(gè),占樣本總數(shù)的5.41%,具體結(jié)果見(jiàn)表5.

在單繞樣本中,形成陽(yáng)離子-π相互作用陣列或陽(yáng)離子-π相互作用分布在結(jié)構(gòu)首尾之間的樣本達(dá)到43個(gè),占單繞樣本總數(shù)的65.15%.在雙繞樣本中,滿足上述條件的樣本僅為3,占雙繞樣本總數(shù)的8.10%,具體結(jié)果見(jiàn)表5.

3 結(jié) 論

單繞和雙繞同屬α/β類蛋白,同由βα基本二級(jí)結(jié)構(gòu)單元組成,且βkαkβk+1間滿足右手螺旋關(guān)系,氨基酸的組分在兩種結(jié)構(gòu)中除Trp外也基本相同.但陽(yáng)離子-π相互作用的信息在兩種結(jié)構(gòu)中卻存在諸多差異:單繞中陽(yáng)離子-π相互作用的分布密度遠(yuǎn)大于雙繞中陽(yáng)離子-π相互作用的分布密度;Lys、Arg、Tyr在單繞中更容易參與陽(yáng)離子-π相互作用; Arg-Phe組合在雙繞中出現(xiàn)幾率較大,Arg-Tyr組合在單繞中出現(xiàn)幾率較大;陽(yáng)離子-π相互作用在65%的單繞樣本中形成陣列或分布在結(jié)構(gòu)的首尾間等,說(shuō)明陽(yáng)離子-π相互作用存在不同折疊類型的特異性,陽(yáng)離子-π相互作用在穩(wěn)定單繞結(jié)構(gòu)中的作用強(qiáng)于雙繞.

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Specificity of Cation-π Interactions in Typical Protein Folds

QIAO Hui LI Xiao-Qin*XU Hai-Song KONG Ling-Qiang PENG Yu
(School of Life Science and Bioengineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,P.R.China)

In proteins,cation-π interactions are formed between positively charged amino acids(Lys,Arg)and aromatic amino acids(Phe,Tyr,Trp).We investigated the cation-π interactions in two typical folding structures of α/β proteins,namely,the singly wound structure and the doubly wound structure.The results reveal that:(1)The distribution density of cation-π interactions in singly wound structures is about 2.6 times as high as that in doubly wound structures;(2)In singly wound structures,a correlation is observed between the amount of residues and their cationπ interactions while no correlation is observed in doubly wound structures;(3)Lys,Arg and Tyr in singly wound structures participate more easily in cation-π interactions than those in doubly wound structures;(4)Arg-Phe pairs are preferred in doubly wound structures while Arg-Tyr pairs are preferred in singly wound structures;(5)In singly wound structures,65%of the cation-π interactions form arrays or distribute between the starting point and the end point in the structures.

Singly wound;Doubly wound;Cation-π interaction;Specificity

O641

Received:April 29,2010;Revised:June 28,2010;Published on Web:August 10,2010.

*Corresponding author.Email:lxq0811@bjut.edu.cn;Tel:+86-10-67391610;Fax:+86-10-67392001.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(30570427)and Natural Science Foundation of Beijing,China (4092008).

國(guó)家自然科學(xué)基金(30570427)和北京市自然科學(xué)基金(4092008)資助項(xiàng)目

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