驅(qū)動(dòng)蛋白與微管間鹽鍵作用的定量分析

張 亮

（河北工業(yè)大學(xué) 生物物理研究所，天津 300401）

鹽鍵又稱鹽橋或離子鍵，是蛋白質(zhì)分子中帶有正、負(fù)電荷的側(cè)鏈基團(tuán)互相接近，通過(guò)靜電吸引而形成的，如羧基和氨基、胍基、咪唑基等基團(tuán)之間的作用力.吸引力與電荷的電量乘積成正比，而與電荷間的距離平方成反比，但在溶液中，此吸引力將隨著周圍介質(zhì)的介電常數(shù)增大而降低.在近中性環(huán)境的蛋白質(zhì)分子中，成酸性的氨基酸，其殘基側(cè)鏈在電離以后，帶上負(fù)電荷，然而對(duì)于成堿性氨基酸，其殘基側(cè)鏈在被電離之后，帶上正電荷，然后在它們之間，就可以形成鹽鍵了.鹽鍵會(huì)隨所加入的非極性溶劑而得到加強(qiáng)，反之會(huì)隨所加入極性溶劑而減弱.

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[1].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[2-4].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.

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)[5].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)械效率可以接近50%，其中的技術(shù)意義仍然沒(méi)有被充分認(rèn)識(shí).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[6].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)[7].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鹽鍵.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)，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鹽鍵，利用靜電相互作用方式對(duì)這些鹽鍵進(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）， 對(duì)于此部分的能量計(jì)算，采取靜電相互作用方式來(lái)計(jì)算能量，能量公式：

宏觀的SI單位制不適用于原子尺度，本文采用這樣的一套體系：能量的單位kJmol1，距離的單位，力的單位，電量的單位+e和 e，庫(kù)侖力常數(shù)，內(nèi)容參考Gromacs使用手冊(cè)第7頁(yè)和第43頁(yè).

在生物體的細(xì)胞內(nèi)，水的介電常數(shù)是10[8-9]，所以在這里的鹽鍵能量采用以下公式計(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)蛋白與微管之間的鹽鍵相互作用的結(jié)合位點(diǎn)，如表1所示.經(jīng)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)蛋白與微管之間的鹽鍵相互作用能量.

1）相互吸引能量.

在ATP強(qiáng)結(jié)合態(tài)和ADP弱結(jié)合態(tài)的總能量分別是： 355.487 595 kJ/mol和 472.611 0045 kJ/mol.

2）相互排斥能量.

在ATP強(qiáng)結(jié)合態(tài)和ADP弱結(jié)合態(tài)的總能量分別是：291.250 087 5 kJ/mol和476.389 350 7 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：-68.0158537kJ/mol.

3 討論

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)總體上能量相差： 68.015 853 7 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）[7]，這一點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是符合的.

表1 分子馬達(dá)與微管中ATP和ADP態(tài)鹽鍵結(jié)合位點(diǎn)Tab.1 Saltbridge sites of kinesin and microtubule at ATP and ADP states

續(xù)表1

鹽鍵的計(jì)算由于采用了靜電計(jì)算公式，所以結(jié)果要依賴于介電常數(shù)的選擇.本文根據(jù)有關(guān)的文獻(xiàn)選擇了介電常數(shù)為10，這是一個(gè)比較適中的數(shù)值.由此計(jì)算出的鹽鍵作用的能量與通常關(guān)于蛋白質(zhì)中的鹽鍵能量的數(shù)值處于一個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)，因而比較合理.在本文的結(jié)果中可以看出，盡管在ADP態(tài)鹽鍵引力大于ATP態(tài)，但同時(shí)在ADP態(tài)的靜電排斥力卻遠(yuǎn)大于ATP態(tài).所以總的來(lái)說(shuō)，靜電作用在ATP態(tài)加強(qiáng)了馬達(dá)與微管之間的結(jié)合能，在ADP態(tài)減弱了馬達(dá)與微管的結(jié)合能.

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6 pN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100 pN nm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鹽鍵.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鹽鍵.根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)的分析，得到鹽鍵，相互吸引能量，在ATP強(qiáng)結(jié)合態(tài)和ADP弱結(jié)合態(tài)的總能量分別是： 355.487 595 kJ/mol和 472.611 004 5 kJ/mol，相互排斥能量，在ATP強(qiáng)結(jié)合態(tài)和ADP弱結(jié)合態(tài)的總能量分別是：291.250 087 5 kJ/mol和476.389 350 7 kJ/mol，ATP強(qiáng)結(jié)合態(tài)和ADP弱結(jié)合態(tài)2種狀態(tài)的能量差： 68.015 853 7 kJ/mol.通過(guò)對(duì)微管上的驅(qū)動(dòng)蛋白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，鹽鍵的形成條件（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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