《JACS》: 多重氢键的定量分析!

氢键是自然界广泛存在的一种分子间作用力,在化学、物理、生物过程中起至关重要的作用,近年来在超分子、弹性体、自修复等领域扮演着重要角色。氢键是生物大分子结构及其相互作用的主要几何决定因素,借助原位红外等分析手段可以对氢键进行定性分析,目前已有大量相关文献对氢键能量学进行了详细的研究,其研究焦点主要集中在由单个供体和单个受体组成的H-bonds上,然而多重氢键在生物大分子结构中非常常见,如膜蛋白,目前对于多重氢键的定量分析缺乏系统研究。

基于此,希伯来大学贝宁计算机科学与工程学院的Esther S. Brielle和Isaiah T. Arkin教授课题组通过测量在三个或三个以上基团之间形成的多重氢键能量,发现92%的跨膜螺旋结构中至少有一个非规范氢键形成,其是由丝氨酸或苏氨酸羟基侧链氢键与序列中i−4、i−3或i位置处的羰基氧过配位形成的,进一步通过同位素编辑FTIR光谱技术和DFT计算,确定氢键的焓值,其值比单个规范氢键焓值高127%,得出这些强氢键有利于丝氨酸和苏氨酸在疏水环境中保持稳定,同时使其在不同构型之间保持灵活性,赋予其多功能性。文章通过对多重氢键的定量分析,为今后控制氢键、利用氢键奠定一定基础。相关工作以“Quantitative Analysis of Multiplex H‑Bonds”发表在国际顶级期刊《Journal of the American Chemical Society》上。

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不同氢结合C=O振动红外对比

 

《JACS》: 多重氢键的定量分析!
丝氨酸和苏氨酸氢键的统计学分析

 

在溶解的膜蛋白跨膜螺旋结构中发现了丝氨酸和苏氨酸残基,其参与了多重氢键的形成,通过羟基O和羰基O之间小于3.5 Å的距离确定氢键。结果表明,大多数丝氨酸和苏氨酸形成这种多重氢键,大多数键与序列中位于同一残基(i)、三个残基(i-3)或四个残基(i-4)上的过配位主链羰基形成。为了确定哪些因素影响氢键的形成,作者测量了χ1旋转异构体,发现χ1=-60°(图中红点)的残基几乎全部与i-4羰基基团反向键合(图中粉色阴影);相反,在χ1=+60°(图中蓝点)时,其与i-3羰基(图中蓝绿色阴影)或与i-3和i-4羰基同时键合(图中格子底纹)。当χ1旋转异构体在±180°时(图中灰点),侧链氢键合自身羰基。同样,分析苏氨酸时可得到相似的结论。统计学分析表明,丝氨酸和苏氨酸残基通常参与不同的多重氢键,主要取决于其χ1角度大小。

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膜蛋白结构中的不同氢键构型

 

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 丝氨酸Oγ与位于i-3和i-4位置的羰基氧之间距离的分析

FTIR光谱分析

为了测量不同多重氢键的强度,采用同位素编辑FTIR光谱分析羰基的振动频率。C=O伸缩振动是酰胺I振动模式的主要组成部分,因此,当与单个H键供体结合时,酰胺I带向低频移动;当与两个供体过配位时,移动程度更大。因此,移动程度与H键的强度有直接关系,通过13C=18O标记可实现单个羰基的光谱观察。对其它残基分析,同样采取标定的方法。

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H键(红色)对C=O(蓝色)振动频率的影响(ν1>ν2>ν3)

 

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M2肽标记红外光谱酰胺I带和酰胺II带峰位置

 

DFT计算

采用DFT计算键焓变的频率移动,可以得到系统中任何特定振动模式的频率,然后将其与FTIR分析结果对比,以验证结果的可靠性。首先通过丝氨酸与主链羰基的背面键合计算系统能量,然后当两个分子距离100 Å时再次计算系统的能量,对缬氨酸采取相同的操作,将丝氨酸系统减去缬氨酸系统的能量值,以确定该位置丝氨酸的能量偏好性。为确定羟基与主链羰基侧链相互作用的特定贡献,通过旋转χ1二面体,使羟基侧链绕Cα-Cβ键旋转180°以消除非规范氢键。所有其它能量的影响,均可以通过旋转系统将两个分子分开来解决。

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DFT计算氢键焓变和振动频率所采用的模型化合物

 

总结:丝氨酸和苏氨酸残基是迄今为止跨膜螺旋中最常见的极性残基,不同氢键配置允许丝氨酸和苏氨酸残基在蛋白质功能所必需的方向上形成氢键,主链羰基与羟基侧链过度配位的氢键具有灵活性,具有稳定丝氨酸和苏氨酸侧链的特点,同时具有多功能性。作者提供了一个全面的针对丝氨酸和苏氨酸侧链氢键与主链羰基过配位形成多重氢键的定量分析方法,为跨膜螺旋结构提供了非规范氢键的详细能量图。

 

全文链接:

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

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