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)主要集中在由單個供體和單個受體組成的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或三個以上基團(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。
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）、三個殘基（i-3）或四個殘基（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，其與i-3羰基（圖中藍(lán)綠色陰影）或與i-3和i-4羰基同時鍵合（圖中格子底紋）。當(dāng)χ1旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體在±180°時（圖中灰點(diǎn)），側(cè)鏈氫鍵合自身羰基。同樣，分析蘇氨酸時可得到相似的結(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。
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頻率。C=O伸縮振動是酰胺I振動模式的主要組成部分，因此，當(dāng)與單個H鍵供體結(jié)合時，酰胺I帶向低頻移動；當(dāng)與兩個供體過配位時，移動程度更大。因此，移動程度與H鍵的強(qiáng)度有直接關(guān)系，通過13C=18O標(biāo)記可實(shí)現(xiàn)單個羰基的光譜觀察。對其它殘基分析，同樣采取標(biāo)定的方法。
DFT計(jì)算
采用DFT計(jì)算鍵焓變的頻率移動，可以得到系統(tǒng)中任何特定振動模式的頻率，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)兩個分子距離100??時再次計(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)將兩個分子分開來解決。
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)，同時具有多功能性。作者提供了一個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。
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