驅(qū)動(dòng)蛋白與微管間氫鍵作用的定量分析

張 亮，李雨生，張 輝，紀(jì) 青

（河北工業(yè)大學(xué) 生物物理研究所，天津 300401）

氫鍵是以共價(jià)鍵結(jié)合到電負(fù)性原子的氫原子與電負(fù)性受體原子之間的部分共價(jià)相互作用[1]，他們?cè)诖_定生物學(xué)大分子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能角色上發(fā)揮了重要作用，并對(duì)分子特異性識(shí)別[2]、二級(jí)結(jié)構(gòu)的形成[3]和蛋白質(zhì)折疊的能量[4]有貢獻(xiàn).大量的研究現(xiàn)有蛋白質(zhì)和小分子結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)揭示了氫鍵的方向性特征，特別是在非線性幾何結(jié)構(gòu)的受體原子上[5].在驅(qū)動(dòng)蛋白與微管相互作用中，其主要部位的氨基酸中，若存在高電負(fù)性的原子，同時(shí)在相對(duì)應(yīng)的微管上的氨基酸中，若也存在高電負(fù)性的原子，那么在此情況下極容易形成氫鍵.

弱鍵相互作用在現(xiàn)代化學(xué)和生物學(xué)的許多方面起著至關(guān)重要的作用[7].在化學(xué)反應(yīng)、分子識(shí)別和調(diào)節(jié)生化過(guò)程中，它們?cè)跊Q定分子結(jié)構(gòu)上是重要的[8-10].弱鍵也稱為非鍵作用 (nonbonding interaction)，其能量通常比化學(xué)鍵的能量小一個(gè)數(shù)量級(jí)，又比熱運(yùn)動(dòng)能量高一個(gè)數(shù)量級(jí).弱鍵的主要形式包括：氫鍵、陽(yáng)離子、鹽鍵和疏水相互作用.深刻理解這些相互作用有助于合理的理解在生物化學(xué)和材料科學(xué)所觀察到的現(xiàn)象.對(duì)于一個(gè)小模型系統(tǒng)，利用量子化學(xué)計(jì)算，可以定量描述這些相互作用[11].

驅(qū)動(dòng)蛋白kinesin以一定的方式沿著微管蛋白絲完成一系列運(yùn)動(dòng)[12-13].在這一系列的運(yùn)動(dòng)中，驅(qū)動(dòng)蛋白先和軌跡結(jié)合，然后是一個(gè)產(chǎn)生力的構(gòu)象變化，使其從微管表面上脫離，然后又變回到最初的構(gòu)象.在這些構(gòu)象變化中，伴隨著化學(xué)能的轉(zhuǎn)移.驅(qū)動(dòng)蛋白的一系列產(chǎn)生力的循環(huán)的效果是一個(gè)連續(xù)的機(jī)械運(yùn)動(dòng).生物分子馬達(dá)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)只是自然界循環(huán)之一，其在利用ATP化學(xué)能上有很高的能量利用率，機(jī)械效率可能接近50%.驅(qū)動(dòng)蛋白kinesin可以抵抗約6 pN的阻力每步行進(jìn)8 nm，利用了來(lái)自ATP分子水解產(chǎn)生的約100 pN nm的化學(xué)能[14].實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)蛋白處于ATP結(jié)合態(tài)時(shí)，其與微管處于強(qiáng)結(jié)合態(tài)；而在ATP水解后的ADP結(jié)合態(tài)，驅(qū)動(dòng)蛋白與微管處于弱結(jié)合態(tài)[13].但是目前并不知道這兩種狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)蛋白與微管間的相互作用能量的確切大小，驅(qū)動(dòng)蛋白與微管間的相互作用是由各種分子間弱鍵作用組成的，其中關(guān)鍵的弱鍵作用之一就是氫鍵.本文通過(guò)仔細(xì)分析驅(qū)動(dòng)蛋白在ATP結(jié)合態(tài)和ADP結(jié)合態(tài)的晶體結(jié)構(gòu)資料，找出了兩種狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)蛋白與微管蛋白之間所有可能形成的氫鍵，利用量子化學(xué)軟件Gaussian，對(duì)這些氫鍵進(jìn)行了定量計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析.這項(xiàng)工作是全面定量計(jì)算驅(qū)動(dòng)蛋白與微管間相互作用的一個(gè)重要步驟.

1 方法

本研究?jī)?nèi)容主要涉及到了結(jié)晶結(jié)構(gòu)（PDB ID:2HXF和2HXH），在本文的工作中，所有涉及到的量子化學(xué)的計(jì)算，都是采用Gaussian03軟件計(jì)算的.計(jì)算模型中，相互作用的供體和受體之間的作用能量差[15]采用以下公式計(jì)算

2 結(jié)果

在結(jié)晶結(jié)構(gòu)（PDB ID:2HXF和2HXH）查找到的驅(qū)動(dòng)蛋白與微管之間的氫鍵相互作用的結(jié)合位點(diǎn)，如表1所示.經(jīng)過(guò)所計(jì)算得到的能量值，如圖2所示.

根據(jù)圖2中計(jì)算出的能量值，可以算出驅(qū)動(dòng)蛋白與微管之間的氫鍵，在ATP強(qiáng)結(jié)合態(tài)和ADP弱結(jié)合態(tài)的總能量分別是 230.300 983 5 kJ/mol和 60.0131539kJ/mol，ATP強(qiáng)結(jié)合態(tài)和ADP弱結(jié)合態(tài)兩種狀態(tài)的能量差為 170.287 829 6 kJ/mol.

3 討論與分析

通過(guò)Gaussian量子化學(xué)能量計(jì)算表明，驅(qū)動(dòng)蛋白與微管之間在ATP強(qiáng)結(jié)合態(tài)和ADP弱結(jié)合態(tài)兩種狀態(tài)下的氫鍵能量相差為 170.287 829 6 kJ/mol.此結(jié)果證實(shí)了2004年Hirokawa等人的文章中指出的結(jié)論：驅(qū)動(dòng)蛋白的頭部在ATP結(jié)合態(tài)時(shí)與微管間的親和力比較強(qiáng)，稱為強(qiáng)結(jié)合態(tài)（strong-binding state），但在ADP態(tài)時(shí)其親和力比較弱，被稱為弱結(jié)合態(tài)（weak-binding state）[13]，這一點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是符合的.

本文的研究還揭示出蛋白質(zhì)間氫鍵形成的一些重要特點(diǎn).

在表1中，所顯示出的氨基酸在形成氫鍵的方式上有兩種類型：1）羥基-OH上的H和另一個(gè)氨基酸上的氧O形成的氫鍵；2）氨基-NH2或=NH上的H和另一個(gè)氨基酸上的氧O形成的氫鍵.

表1 驅(qū)動(dòng)蛋白在ATP和ADP態(tài)與微管的氫鍵結(jié)合位點(diǎn)Tab.1 Hydrogen binding sitesof kinesin and microtubule atATPand ADPstates

圖2 氫鍵能量Fig.2 Theenergiesof hydrogen bond

在表2中，OH…O型的氫鍵中，淺灰色底紋標(biāo)記的兩組數(shù)據(jù)代表較小的能量數(shù)值，是由于角較小所致；NH…O型的氫鍵中，淺灰色底紋標(biāo)記的兩組數(shù)據(jù)代表較小能量數(shù)值，是由于角較小所致.表2中的深黑色底紋標(biāo)記的兩組數(shù)據(jù)表明，當(dāng)角大于100°小于110°時(shí)或者當(dāng)角小于100°時(shí)，對(duì)NH…O型的氫鍵的能量有一定程度的較小影響，使其不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)氫鍵能量值.從表中數(shù)據(jù)可分析出，影響能量數(shù)值大小的主要是角，轉(zhuǎn)角并不影響能量大小，對(duì)NH…O型的氫鍵能量影響較小，而對(duì)OH…O型的氫鍵能量影響較大.

表2 ATP和ADP態(tài)氫鍵參數(shù)值Tab.2 The values of Hydrogen binding para metersat ATP and ADP states

對(duì)于氫鍵的判別，最初是按照一個(gè)較粗的判別標(biāo)準(zhǔn)查找氫鍵，所找到的氫鍵的鍵長(zhǎng)范圍是：1.63464～2.39727，角度大于90°的都算在內(nèi)了，在表2中所示.2003年Morozov等人的文章里，指出氫鍵的理想距離是1.9[17].在計(jì)算結(jié)果中，在角度正常情況下，很短的鍵長(zhǎng)卻可以得到較強(qiáng)的相互作用能量.例如，ASP437和ASP302這一對(duì)氨基酸的氫鍵相互作用能量為 33.7881kJ/mol，此時(shí)的鍵長(zhǎng)為1.63464.所以本文認(rèn)為，在蛋白質(zhì)中氫鍵的形成方式要比液態(tài)水中的氫鍵形成方式更復(fù)雜，所以氫鍵鍵長(zhǎng)的判別標(biāo)準(zhǔn)的選擇要寬泛一些.對(duì)于角度方面，根據(jù)表2中的統(tǒng)計(jì)，可知影響氫鍵能量數(shù)值大小的主要是角，轉(zhuǎn)角并不影響能量大小，對(duì)NH…O型的氫鍵能量影響較小，而對(duì)OH…O型的氫鍵能量影響較大.這一點(diǎn)證實(shí)了2002年Steiner等人的文章里提到的氫鍵在角度上要大于90°，有些甚至要取大于110°的結(jié)論[18].本文發(fā)現(xiàn)角度在90°左右的氫鍵能量的確都很小，只有負(fù)的幾個(gè)kJ/mol，如，ASP256和GLY412這一對(duì)相互作用.而且角度在稍大于100°時(shí)的氫鍵能量也不是很大，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫鍵的能量稍微小了一些，例如：ARG402和TYR347這一對(duì)相互作用.所以本文認(rèn)為氫鍵的角要大于100°，角要大于100°.

4 結(jié)論

驅(qū)動(dòng)蛋白kinesin以一定的方式沿著微管蛋白絲完成一系列運(yùn)動(dòng).在這一系列的運(yùn)動(dòng)中，驅(qū)動(dòng)蛋白先和軌跡結(jié)合，然后是一個(gè)產(chǎn)生力的構(gòu)象變化，使其從微管表面上脫離，然后又變回到最初的構(gòu)象.在這些構(gòu)象變化中，伴隨著化學(xué)能的轉(zhuǎn)移.驅(qū)動(dòng)蛋白的一系列產(chǎn)生力的循環(huán)的效果是一個(gè)連續(xù)的機(jī)械運(yùn)動(dòng).生物分子馬達(dá)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)只是自然界循環(huán)之一，其在利用ATP化學(xué)能上有很高的能量利用率，機(jī)械效率可能接近50%.驅(qū)動(dòng)蛋白kinesin可以抵抗約6pN的阻力每步行進(jìn)8nm，利用了來(lái)自ATP分子水解產(chǎn)生的約100pNnm的化學(xué)能.驅(qū)動(dòng)蛋白處于ATP結(jié)合態(tài)時(shí)，其與微管處于強(qiáng)結(jié)合態(tài)；而在ADP結(jié)合態(tài)，驅(qū)動(dòng)蛋白與微管處于弱結(jié)合態(tài).驅(qū)動(dòng)蛋白與微管間的相互作用是由各種分子間弱鍵作用組成的，其中關(guān)鍵的弱鍵作用之一就是氫鍵.我們通過(guò)仔細(xì)分析驅(qū)動(dòng)蛋白在ATP結(jié)合態(tài)和ADP結(jié)合態(tài)的晶體結(jié)構(gòu)資料，找出了兩種狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)蛋白與微管蛋白之間所有可能形成的氫鍵.根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)的分析，得到氫鍵在ATP強(qiáng)結(jié)合態(tài)和ADP弱結(jié)合態(tài)的總能量分別是： 230.3009835kJ/mol和 60.013 1539 kJ/mol，ATP強(qiáng)結(jié)合態(tài)和ADP弱結(jié)合態(tài)兩種狀態(tài)的能量差：170.2878296 kJ/mol.影響能量數(shù)值大小的主要是角，轉(zhuǎn)角并不影響能量大小，對(duì)NH…O型的氫鍵能量影響較小，而對(duì)OH…O型的氫鍵能量影響較大；通過(guò)對(duì)微管上的驅(qū)動(dòng)蛋白的微觀水平上的研究和分析，加深了對(duì)于驅(qū)動(dòng)蛋白沿微管運(yùn)動(dòng)的機(jī)理的理解，并對(duì)氫鍵的形成條件（包括鍵長(zhǎng)、鍵角等各種微觀上的結(jié)構(gòu)參數(shù)）、作用機(jī)理和作用方式等有了較為深刻的認(rèn)識(shí).

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