驱动蛋白与微管间氢键作用的定量分析

张 亮，李雨生，张 辉，纪 青

（河北工业大学 生物物理研究所，天津 300401）

氢键是以共价键结合到电负性原子的氢原子与电负性受体原子之间的部分共价相互作用[1]，他们在确定生物学大分子系统的结构和功能角色上发挥了重要作用，并对分子特异性识别[2]、二级结构的形成[3]和蛋白质折叠的能量[4]有贡献.大量的研究现有蛋白质和小分子结构的实验揭示了氢键的方向性特征，特别是在非线性几何结构的受体原子上[5].在驱动蛋白与微管相互作用中，其主要部位的氨基酸中，若存在高电负性的原子，同时在相对应的微管上的氨基酸中，若也存在高电负性的原子，那么在此情况下极容易形成氢键.

弱键相互作用在现代化学和生物学的许多方面起着至关重要的作用[7].在化学反应、分子识别和调节生化过程中，它们在决定分子结构上是重要的[8-10].弱键也称为非键作用 (nonbonding interaction)，其能量通常比化学键的能量小一个数量级，又比热运动能量高一个数量级.弱键的主要形式包括：氢键、阳离子、盐键和疏水相互作用.深刻理解这些相互作用有助于合理的理解在生物化学和材料科学所观察到的现象.对于一个小模型系统，利用量子化学计算，可以定量描述这些相互作用[11].

驱动蛋白kinesin以一定的方式沿着微管蛋白丝完成一系列运动[12-13].在这一系列的运动中，驱动蛋白先和轨迹结合，然后是一个产生力的构象变化，使其从微管表面上脱离，然后又变回到最初的构象.在这些构象变化中，伴随着化学能的转移.驱动蛋白的一系列产生力的循环的效果是一个连续的机械运动.生物分子马达的机械运动只是自然界循环之一，其在利用ATP化学能上有很高的能量利用率，机械效率可能接近50%.驱动蛋白kinesin可以抵抗约6 pN的阻力每步行进8 nm，利用了来自ATP分子水解产生的约100 pN nm的化学能[14].实验上已经发现，驱动蛋白处于ATP结合态时，其与微管处于强结合态；而在ATP水解后的ADP结合态，驱动蛋白与微管处于弱结合态[13].但是目前并不知道这两种状态下驱动蛋白与微管间的相互作用能量的确切大小，驱动蛋白与微管间的相互作用是由各种分子间弱键作用组成的，其中关键的弱键作用之一就是氢键.本文通过仔细分析驱动蛋白在ATP结合态和ADP结合态的晶体结构资料，找出了两种状态下驱动蛋白与微管蛋白之间所有可能形成的氢键，利用量子化学软件Gaussian，对这些氢键进行了定量计算和统计分析.这项工作是全面定量计算驱动蛋白与微管间相互作用的一个重要步骤.

1 方法

本研究内容主要涉及到了结晶结构（PDB ID:2HXF和2HXH），在本文的工作中，所有涉及到的量子化学的计算，都是采用Gaussian03软件计算的.计算模型中，相互作用的供体和受体之间的作用能量差[15]采用以下公式计算

2 结果

在结晶结构（PDB ID:2HXF和2HXH）查找到的驱动蛋白与微管之间的氢键相互作用的结合位点，如表1所示.经过所计算得到的能量值，如图2所示.

根据图2中计算出的能量值，可以算出驱动蛋白与微管之间的氢键，在ATP强结合态和ADP弱结合态的总能量分别是 230.300 983 5 kJ/mol和 60.0131539kJ/mol，ATP强结合态和ADP弱结合态两种状态的能量差为 170.287 829 6 kJ/mol.

3 讨论与分析

通过Gaussian量子化学能量计算表明，驱动蛋白与微管之间在ATP强结合态和ADP弱结合态两种状态下的氢键能量相差为 170.287 829 6 kJ/mol.此结果证实了2004年Hirokawa等人的文章中指出的结论：驱动蛋白的头部在ATP结合态时与微管间的亲和力比较强，称为强结合态（strong-binding state），但在ADP态时其亲和力比较弱，被称为弱结合态（weak-binding state）[13]，这一点和实验的结果是符合的.

本文的研究还揭示出蛋白质间氢键形成的一些重要特点.

在表1中，所显示出的氨基酸在形成氢键的方式上有两种类型：1）羟基-OH上的H和另一个氨基酸上的氧O形成的氢键；2）氨基-NH2或=NH上的H和另一个氨基酸上的氧O形成的氢键.

表1 驱动蛋白在ATP和ADP态与微管的氢键结合位点Tab.1 Hydrogen binding sitesof kinesin and microtubule atATPand ADPstates

图2 氢键能量Fig.2 Theenergiesof hydrogen bond

在表2中，OH…O型的氢键中，浅灰色底纹标记的两组数据代表较小的能量数值，是由于角较小所致；NH…O型的氢键中，浅灰色底纹标记的两组数据代表较小能量数值，是由于角较小所致.表2中的深黑色底纹标记的两组数据表明，当角大于100°小于110°时或者当角小于100°时，对NH…O型的氢键的能量有一定程度的较小影响，使其不能达到标准氢键能量值.从表中数据可分析出，影响能量数值大小的主要是角，转角并不影响能量大小，对NH…O型的氢键能量影响较小，而对OH…O型的氢键能量影响较大.

表2 ATP和ADP态氢键参数值Tab.2 The values of Hydrogen binding para metersat ATP and ADP states

对于氢键的判别，最初是按照一个较粗的判别标准查找氢键，所找到的氢键的键长范围是：1.63464～2.39727，角度大于90°的都算在内了，在表2中所示.2003年Morozov等人的文章里，指出氢键的理想距离是1.9[17].在计算结果中，在角度正常情况下，很短的键长却可以得到较强的相互作用能量.例如，ASP437和ASP302这一对氨基酸的氢键相互作用能量为 33.7881kJ/mol，此时的键长为1.63464.所以本文认为，在蛋白质中氢键的形成方式要比液态水中的氢键形成方式更复杂，所以氢键键长的判别标准的选择要宽泛一些.对于角度方面，根据表2中的统计，可知影响氢键能量数值大小的主要是角，转角并不影响能量大小，对NH…O型的氢键能量影响较小，而对OH…O型的氢键能量影响较大.这一点证实了2002年Steiner等人的文章里提到的氢键在角度上要大于90°，有些甚至要取大于110°的结论[18].本文发现角度在90°左右的氢键能量的确都很小，只有负的几个kJ/mol，如，ASP256和GLY412这一对相互作用.而且角度在稍大于100°时的氢键能量也不是很大，相对于标准氢键的能量稍微小了一些，例如：ARG402和TYR347这一对相互作用.所以本文认为氢键的角要大于100°，角要大于100°.

4 结论

驱动蛋白kinesin以一定的方式沿着微管蛋白丝完成一系列运动.在这一系列的运动中，驱动蛋白先和轨迹结合，然后是一个产生力的构象变化，使其从微管表面上脱离，然后又变回到最初的构象.在这些构象变化中，伴随着化学能的转移.驱动蛋白的一系列产生力的循环的效果是一个连续的机械运动.生物分子马达的机械运动只是自然界循环之一，其在利用ATP化学能上有很高的能量利用率，机械效率可能接近50%.驱动蛋白kinesin可以抵抗约6pN的阻力每步行进8nm，利用了来自ATP分子水解产生的约100pNnm的化学能.驱动蛋白处于ATP结合态时，其与微管处于强结合态；而在ADP结合态，驱动蛋白与微管处于弱结合态.驱动蛋白与微管间的相互作用是由各种分子间弱键作用组成的，其中关键的弱键作用之一就是氢键.我们通过仔细分析驱动蛋白在ATP结合态和ADP结合态的晶体结构资料，找出了两种状态下驱动蛋白与微管蛋白之间所有可能形成的氢键.根据计算数据的分析，得到氢键在ATP强结合态和ADP弱结合态的总能量分别是： 230.3009835kJ/mol和 60.013 1539 kJ/mol，ATP强结合态和ADP弱结合态两种状态的能量差：170.2878296 kJ/mol.影响能量数值大小的主要是角，转角并不影响能量大小，对NH…O型的氢键能量影响较小，而对OH…O型的氢键能量影响较大；通过对微管上的驱动蛋白的微观水平上的研究和分析，加深了对于驱动蛋白沿微管运动的机理的理解，并对氢键的形成条件（包括键长、键角等各种微观上的结构参数）、作用机理和作用方式等有了较为深刻的认识.

[1]Scheiner S.Hydrogen Bonding:A Theoretical Perspective[M].Oxford：Oxford Univ Press，1997.

[2]FershtA.Enzyme Structure and Function[M].New York：Freeman，1985.

[3]Bordo D，Argos P.The role of side-chain hydrogen bonds in the formation and stabilization of secondary structure in soluble proteins[J].JMol Biol，1994，243（3）：504-519.

[4]Dill K A.Dom inant forces in protein folding[J].Biochemistry.1990，29（31）：7133-7155.

[5]Morozov A lexandre V，Kortemme Tanja，Tseme khman Kiril，et al.Close Agreement between the Orientation Dependence of Hydrogen Bonds Observed In Protein Structures and Quantum Mechanical Calculations[J].Proc NatlAcad Sci，2004，101（18）：6946-6951.

[6]Tsemekhman Kiril，Goldschmidt Lukasz，Eisenberg David，et al.Cooperative Hydrogen Bonding In Amyloid Formation[J].Protein Science，2007，16（4）：761-764.

[7]Schneider Hj.Binding Mechanisms in Supramolecular Complexes[J].Angewandte Chemie International Edition，2009，48（22）：3924-3977.

[8]Oshovsky Gv，Reinhoudt Dn，Verboom W.Supra molecular Chem istry inWater.Ange wandte Chem ie InternationalEdition，2007，46（14）：2366-2393.

[9]KruppaM，K皜nig B.Reversible Coordinative Bonds in Molecular Recognition[J].Chem Rev，2006，106（9）：3520-3560.

[10]Saalfrank Rw，Maid H，Scheurer A.Supra molecular Coordination Chemistry:The Synergistic Effect of Serendipity and Rational Design[J].Angewandte Chem ie International Edition，2008，47（46）：8794-8824.

[11]Hesselmann A，Jansen G，SchuTz M.Interaction Energy Contributions Of H-Bonded And Stacked StructuresOf The AtAnd Gc Dna Base Pairs From The Combined Density Functional Theory And IntermolecularPerturbation Theory Approach[J].JAm Chem Soc.2006，128（36）：11730-11731.

[12]Vale Ronald D，Milligan Ronald A.TheWay Things Move:Looking Under the Hood of Molecular Motor Proteins[J].Science，2000，288（5463）：88-95.

[13]NittaRyo，Kikkawa Masahide，Okada Yasushi，etal.KIF1A Alternately Uses Two LoopsTo BindM icrotubules[J].Science，2004，305（5684）：678-683.

[14]Rice1Sarah，Lin AbelW，SaferDaniel，etal.A StructuralChange In TheKinesin Motor Protein ThatDrivesMotility[J].Nature，1999，402：778-784.

[15]HaoM ing-Hong.Theoretical Calculation of Hydrogen-Bonding Strength for Drug Molecules[J].JChem Theory Comput，2006，2（3）：863-872.

[16]He Xiao，Zhang John ZH.A New Method for Direct Calculation of Total Energy of Protein[J].JChem Phys，2005，122（3）：031103.

[17]Morozov A lexandreV，Kortemme Tanja，BakerDavid.Evaluation Of Models Of Electrostatic Interactions In Proteins[J].JPhysChem B，2003，107（9）：2075-2090.

[18]Steiner Thomas.TheHydrogen Bond in The Solid State[J].Angew Chem IntEd，2002，41（1）：48-76.