張 亮，李雨生，張 輝，紀 青

（河北工業(yè)大學 生物物理研究所，天津 300401）

氫鍵是以共價鍵結合到電負性原子的氫原子與電負性受體原子之間的部分共價相互作用[1]，他們在確定生物學大分子系統(tǒng)的結構和功能角色上發(fā)揮了重要作用，并對分子特異性識別[2]、二級結構的形成[3]和蛋白質(zhì)折疊的能量[4]有貢獻.大量的研究現(xiàn)有蛋白質(zhì)和小分子結構的實驗揭示了氫鍵的方向性特征，特別是在非線性幾何結構的受體原子上[5].在驅(qū)動蛋白與微管相互作用中，其主要部位的氨基酸中，若存在高電負性的原子，同時在相對應的微管上的氨基酸中，若也存在高電負性的原子，那么在此情況下極容易形成氫鍵.

弱鍵相互作用在現(xiàn)代化學和生物學的許多方面起著至關重要的作用[7].在化學反應、分子識別和調(diào)節(jié)生化過程中，它們在決定分子結構上是重要的[8-10].弱鍵也稱為非鍵作用 (nonbonding interaction)，其能量通常比化學鍵的能量小一個數(shù)量級，又比熱運動能量高一個數(shù)量級.弱鍵的主要形式包括：氫鍵、陽離子、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和材料科學所觀察到的現(xiàn)象.對于一個小模型系統(tǒng)，利用量子化學計算，可以定量描述這些相互作用[11].

驅(qū)動蛋白kinesin以一定的方式沿著微管蛋白絲完成一系列運動[12-13].在這一系列的運動中，驅(qū)動蛋白先和軌跡結合，然后是一個產(chǎn)生力的構象變化，使其從微管表面上脫離，然后又變回到最初的構象.在這些構象變化中，伴隨著化學能的轉(zhuǎn)移.驅(qū)動蛋白的一系列產(chǎn)生力的循環(huán)的效果是一個連續(xù)的機械運動.生物分子馬達的機械運動只是自然界循環(huán)之一，其在利用ATP化學能上有很高的能量利用率，機械效率可能接近50%.驅(qū)動蛋白kinesin可以抵抗約6 pN的阻力每步行進8 nm，利用了來自ATP分子水解產(chǎn)生的約100 pN nm的化學能[14].實驗上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動蛋白處于ATP結合態(tài)時，其與微管處于強結合態(tài)；而在ATP水解后的ADP結合態(tài)，驅(qū)動蛋白與微管處于弱結合態(tài)[13].但是目前并不知道這兩種狀態(tài)下驅(qū)動蛋白與微管間的相互作用能量的確切大小，驅(qū)動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，其中關鍵的弱鍵作用之一就是氫鍵.本文通過仔細分析驅(qū)動蛋白在ATP結合態(tài)和ADP結合態(tài)的晶體結構資料，找出了兩種狀態(tài)下驅(qū)動蛋白與微管蛋白之間所有可能形成的氫鍵，利用量子化學軟件Gaussian，對這些氫鍵進行了定量計算和統(tǒng)計分析.這項工作是全面定量計算驅(qū)動蛋白與微管間相互作用的一個重要步驟.

1 方法

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

2 結果

在結晶結構（PDB ID:2HXF和2HXH）查找到的驅(qū)動蛋白與微管之間的氫鍵相互作用的結合位點，如表1所示.經(jīng)過所計算得到的能量值，如圖2所示.

根據(jù)圖2中計算出的能量值，可以算出驅(qū)動蛋白與微管之間的氫鍵，在ATP強結合態(tài)和ADP弱結合態(tài)的總能量分別是 230.300 983 5 kJ/mol和 60.0131539kJ/mol，ATP強結合態(tài)和ADP弱結合態(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Gaussian量子化學能量計算表明，驅(qū)動蛋白與微管之間在ATP強結合態(tài)和ADP弱結合態(tài)兩種狀態(tài)下的氫鍵能量相差為 170.287 829 6 kJ/mol.此結果證實了2004年Hirokawa等人的文章中指出的結論：驅(qū)動蛋白的頭部在ATP結合態(tài)時與微管間的親和力比較強，稱為強結合態(tài)（strong-binding state），但在ADP態(tài)時其親和力比較弱，被稱為弱結合態(tài)（weak-binding state）[13]，這一點和實驗的結果是符合的.

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.

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和另一個氨基酸上的氧O形成的氫鍵.

表1 驅(qū)動蛋白在ATP和ADP態(tài)與微管的氫鍵結合位點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中的深黑色底紋標記的兩組數(shù)據(jù)表明，當角大于100°小于110°時或者當角小于100°時，對NH…O型的氫鍵的能量有一定程度的較小影響，使其不能達到標準氫鍵能量值.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NH…O型的氫鍵能量影響較小，而對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

對于氫鍵的判別，最初是按照一個較粗的判別標準查找氫鍵，所找到的氫鍵的鍵長范圍是：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].在計算結果中，在角度正常情況下，很短的鍵長卻可以得到較強的相互作用能量.例如，ASP437和ASP302這一對氨基酸的氫鍵相互作用能量為 33.7881kJ/mol，此時的鍵長為1.63464.所以本文認為，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雜，所以氫鍵鍵長的判別標準的選擇要寬泛一些.對于角度方面，根據(jù)表2中的統(tǒng)計，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NH…O型的氫鍵能量影響較小，而對OH…O型的氫鍵能量影響較大.這一點證實了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，只有負的幾個kJ/mol，如，ASP256和GLY412這一對相互作用.而且角度在稍大于100°時的氫鍵能量也不是很大，相對于標準氫鍵的能量稍微小了一些，例如：ARG402和TYR347這一對相互作用.所以本文認為氫鍵的角要大于100°，角要大于100°.

4 結論

驅(qū)動蛋白kinesin以一定的方式沿著微管蛋白絲完成一系列運動.在這一系列的運動中，驅(qū)動蛋白先和軌跡結合，然后是一個產(chǎn)生力的構象變化，使其從微管表面上脫離，然后又變回到最初的構象.在這些構象變化中，伴隨著化學能的轉(zhuǎn)移.驅(qū)動蛋白的一系列產(chǎn)生力的循環(huán)的效果是一個連續(xù)的機械運動.生物分子馬達的機械運動只是自然界循環(huán)之一，其在利用ATP化學能上有很高的能量利用率，機械效率可能接近50%.驅(qū)動蛋白kinesin可以抵抗約6pN的阻力每步行進8nm，利用了來自ATP分子水解產(chǎn)生的約100pNnm的化學能.驅(qū)動蛋白處于ATP結合態(tài)時，其與微管處于強結合態(tài)；而在ADP結合態(tài)，驅(qū)動蛋白與微管處于弱結合態(tài).驅(qū)動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，其中關鍵的弱鍵作用之一就是氫鍵.我們通過仔細分析驅(qū)動蛋白在ATP結合態(tài)和ADP結合態(tài)的晶體結構資料，找出了兩種狀態(tài)下驅(qū)動蛋白與微管蛋白之間所有可能形成的氫鍵.根據(jù)計算數(shù)據(jù)的分析，得到氫鍵在ATP強結合態(tài)和ADP弱結合態(tài)的總能量分別是： 230.3009835kJ/mol和 60.013 1539 kJ/mol，ATP強結合態(tài)和ADP弱結合態(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NH…O型的氫鍵能量影響較小，而對OH…O型的氫鍵能量影響較大；通過對微管上的驅(qū)動蛋白的微觀水平上的研究和分析，加深了對于驅(qū)動蛋白沿微管運動的機理的理解，并對氫鍵的形成條件（包括鍵長、鍵角等各種微觀上的結構參數(shù)）、作用機理和作用方式等有了較為深刻的認識.

[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.