典型蛋白質折疊中陽離子-π相互作用的特異性

喬 輝 李曉琴 徐海松 孔令強 彭 宇

(北京工業大學生命科學與生物工程學院,北京 100124)

典型蛋白質折疊中陽離子-π相互作用的特異性

喬 輝 李曉琴*徐海松 孔令強 彭 宇

(北京工業大學生命科學與生物工程學院,北京 100124)

蛋白質中的陽離子-π相互作用是帶正電荷的氨基酸(Lys、Arg)和芳香族氨基酸(Phe、Tyr、Trp)之間的一種作用力.對α/β類蛋白中兩種典型折疊類型(單繞和雙繞)的研究表明:(1)單繞結構中陽離子-π相互作用的分布密度大約是雙繞結構中的2.6倍;(2)在單繞結構中,樣本所含氨基酸殘基數量與樣本中陽離子-π的數量有明顯的相關性,在雙繞結構中沒有發現類似的相關性;(3)Lys、Arg與Tyr在單繞中比在雙繞中更容易形成陽離子-π相互作用;(4)Arg-Tyr組合在單繞中出現的幾率較大,Arg-Phe組合在雙繞中出現的幾率較大;(5)陽離子-π相互作用在65%的單繞樣本中形成陣列或分布在結構的首尾間.

單繞; 雙繞; 陽離子-π相互作用; 特異性

陽離子-π相互作用是存在于陽離子和芳香性體系之間的一種相互作用力[1-3],屬于非鍵相互作用. 1981年Sunner等[4]從實驗上證實了陽離子-π在氣相中是一種顯著的相互作用,但陽離子-π相互作用在凝聚態及液態環境中得到證實并定量研究之后,作為一種重要的非鍵相互作用才逐漸被人們重視[1].

在現代結構生物學中,陽離子-π相互作用也是一種重要的非鍵相互作用[5-6].作為神經遞質的乙酰膽堿(Ach)和乙酰膽堿酯酶(AchE)就是通過陽離子-π結合的[7].2009年Dougherty等[8]在Nature上發表文章指出尼古丁與大腦中的乙酰膽堿受體就是通過陽離子-π結合從而使人產生煙癮的.

在組成蛋白質的氨基酸中,帶正電荷的氨基酸Lys、Arg可以和芳香族氨基酸Phe、Tyr、Trp形成陽離子-π相互作用,如圖1所示.陽離子-π相互作用主要是靜電作用引起的[1-3],在一級近似下可以看作是正電荷和電四極矩之間的吸引力[9].在蛋白質結構的穩定性研究中,相對于氫鍵、離子鍵以及疏水作用這些常規的相互作用,陽離子-π相互作用沒有得到充分的重視,但有關陽離子-π相互作用對蛋白質穩定性的研究報道在增加[10-21].

有研究表明，陽離子-π相互作用對于維持跨膜螺旋(TMH)蛋白和跨膜折疊(TMS)蛋白的結構穩定性有重要作用,并且陽離子-π相互作用在TMS蛋白和TMH蛋白中的分布情況有很明顯的不同[11];人們在蛋白質與蛋白質接觸界面上發現存在大量由Arg參與的陽離子-π相互作用的存在[12];在人類生長激素受體(PDB:3HHR)的胞外結構域中有陽離子-π相互作用陣列(Lys-Tyr-Arg-Phe-Arg-Trp-Lys)的存在[13];在α-淀粉酶抑制劑中存在高度保守的陣列(Trp-Arg-Tyr)[14].此外,陽離子-π相互作用對于DNA結合蛋白[15-16]、RNA結合蛋白[17-18]、治療性蛋白[19]、延長因子蛋白[20]以及DNA-蛋白質復合物[21]等的結構穩定性都有重要作用.

本文通過對兩種典型蛋白質折疊類型(單繞和雙繞)中陽離子-π相互作用的對比分析,將有助于理解陽離子-π相互作用在維持蛋白質空間結構穩定性方面的作用,為相關蛋白質的設計提供理論指導.

1 材料和方法

1.1 材 料

從SCOP數據庫下的Astrall.65[22]中選取了樣本間序列相似度小于25%的149個全部單繞結構樣本和79個全部雙繞結構樣本,利用CAPTURE程序[23]計算陽離子-π相互作用信息,得到信息完整可用的樣本103個,其中包括66個單繞、37個雙繞.

單繞和雙繞是α/β類蛋白中兩種典型的折疊類型.單繞是“單繞平行β筒”(singly wound parallel βbarrel),它由8個βα二級結構單元首尾連接而成,序列上緊鄰的β單元在空間上也緊鄰排列,即β1β2β3β4β5β6β7β8,βkαkβk+1(k=1-7)間滿足右手螺旋關系,蛋白質頭部的β1與處于蛋白質尾部的β8空間緊鄰,形成筒狀結構,拓撲結構如圖2所示.雙繞是“雙繞平行β片”(doubly wound parallel β-sheet),平行β片由3-8個不等的βα二級結構單元組成,其中由6個β單元連接、β片層對稱排列、β1與β4空間緊鄰的雙繞結構最為典型,通常成為“ROSSMANN”折疊,6個β單元的排列方式為;β3β2β1β4β5β6,βkαkβk+1(k=1-5)間滿足右手螺旋關系,空間拓撲結構如圖3所示.

1.2 參數定義

第i種氨基酸的組分comp(i)為

上式中n(i/j)代表第j個蛋白樣本中氨基酸i出現的頻次,i=1-20,j=1-103(j=1-66為單繞,j=67-103為雙繞),以下類同.

第i種氨基酸參與陽離子-π相互作用的參與率compπ(i)為

式中nπ(i/j)代表第j個蛋白樣本中氨基酸i參與陽離子-π作用的頻次.

樣本j的氨基酸殘基總量N(j)為

1.3 陽離子-π相互作用的判別準則

蛋白質結構中,帶正電荷的氨基酸和芳香族氨基酸之間形成陽離子-π相互作用的判別依據是幾何準則和能量準則[5].幾何準則是:所有的陽離子和π體系之間的距離在1 nm內,并且二者之間在最近接觸距離上形成的縫隙不能大到能插入一個水分子;能量準則是:當Ees≤-8.36 kJ·mol-1,或-8.36 kJ· mol-1＜Ees≤-4.18 kJ·mol-1且同時滿足EvW≤-4.18 kJ·mol-1,則判定陽離子和π構成一個陽離子-π相互作用,其中Ees為靜電能,EvW為范德華力能.

CAPTURE程序是結合OPLS力場[24-25]和量子力學從頭計算(HF/6-31G**)建立起來的[5].依據上述判別準則,在給定PDB-ID號或蛋白質空間結構信息的條件下,程序CAPTURE可以在線計算并返回蛋白質結構中有效的陽離子-π相互作用信息.

2 結果及分析

2.1 不同折疊中陽離子-π相互作用的特點

對任一蛋白樣本j,利用CAPTURE程序可以得到該樣本中陽離子-π相互作用的信息,對該信息進行處理可以得到:樣本j的陽離子-π相互作用的數量Nπ(j)、樣本j的氨基酸殘基總數N(j)、陽離子-π相互作用的分布位置等信息,部分數據列于表1.

陽離子-π相互作用的分布密度定義為Nπ(j)/ N(j),表示平均每個氨基酸殘基中包含的陽離子-π相互作用數目,該值越大代表密度越大.表2中分別列出了單繞和雙繞折疊結構中陽離子-π相互作用的數量均值Nπ(j)、氨基酸殘基總數均值N(j)和分布密度的數值.從表2可以看到;單繞中陽離子-π相互作用的分布密度為1.51%,雙繞中陽離子-π相互作用的分布密度為0.58%,單繞遠遠大于雙繞.

對表1中單繞和雙繞中氨基酸殘基的數量N(j)和陽離子-π的數量Nπ(j)的相關統計分析顯示:單繞中N(j)與Nπ(j)有較好的相關性,相關系數R為0.68;雙繞中N(j)與Nπ(j)沒有明顯的相關性,相關系數R為0.05.

表1 陽離子-π相互作用的分布Table 1 Distribution of cation-π interactions

表2 典型蛋白質折疊中陽離子-π相互作用的特異性Table 2 Specificity of cation-π interactions in typical protein folds

2.2 陽離子-π相互作用中5種氨基酸的參與率

根據1.2節中氨基酸組分comp(i)及氨基酸參與陽離子-π的參與率compπ(i)的定義,表3中分別列出了單繞和雙繞中參與陽離子-π的5種氨基酸的上述參數信息.

從組分上看,Lys、Arg、Phe、Tyr和Trp的組分在單繞和雙繞中均依次降低,三種芳香族氨基酸中Trp的組分明顯偏低.

在單繞和雙繞中,氨基酸Trp參與陽離子-π的的參與率都是最高的,分別達到24.25%和24.00%,大約每4個Trp中就有一個參與陽離子-π相互作用的形成.Trp在單繞和雙繞中參與率之比為1.01,接近1,說明Trp在單繞和雙繞中形成陽離子-π相互作用的能力相當,不存在結構上的特異性.Trp較高的陽離子-π參與率是因為:Trp上的吲哚基團是很強的陽離子結合位點,從而更容易和帶正電荷的氨基酸結合形成陽離子-π相互作用.

Lys、Arg和帶正電荷的氨基酸在單繞和雙繞中的組分之比分別為0.95、1.09、1.01,而Lys、Arg在單繞和雙繞中的參與率之比卻分別達到2.61和2.18,說明提供陽離子的Lys、Arg在單繞中比在雙繞中更容易參與陽離子-π相互作用.芳香族氨基酸Tyr也具有同樣的特異性.

2.3 不同組合陽離子-π相互作用的分布

兩種帶正電荷的氨基酸和三種芳香族氨基酸參與陽離子-π相互作用的組合方式有六種,即:Arg-Phe、Arg-Tyr、Arg-Trp、Lys-Phe、Lys-Tyr和 Lys-Trp,我們分別統計了這六種組合方式在單繞和雙繞中出現的百分比的情況,結果見表4.

從表4可以看到:在單繞和雙繞中Arg組合都比Lys組合更多地參與了陽離子-π的形成;Arg-Tyr組合在單繞中的百分比明顯大于在雙繞中的百分比;Arg-Phe組合在雙繞中的百分比明顯大于在單繞中的百分比;其它組合在單繞和雙繞中的分布相當.

2.4 陽離子-π相互作用在結構中的位置分布

利用RasTop軟件觀察每一個蛋白樣本的空間結構,辨識結構中陽離子-π相互作用在結構中的位置,對全部樣本進行陽離子-π相互作用位置分布統計分析,我們發現:66個單繞樣本中,陽離子-π相互作用分布在蛋白質首尾(即β1α1與β8α8)之間樣本有24個,占到了總數的36.36%,其中有10個樣本在首尾間存在2個或2個以上的陽離子-π相互作用,陽離子-π相互作用組合Lys-Tyr、Lys-Trp、Arg-Trp出現的頻次分別為8、6、9,占全部組合總數的2/3; 37個雙繞樣本中,陽離子-π相互作用分布在蛋白質結構轉折處即β1α1與β4α4之間的樣本1個,占總數的2.70%,具體結果見表5.

表3 5種氨基酸的組分及其陽離子-π的參與率Table 3 Composition of five kinds of amino acids and participation rate of cation-π interactions

表4 不同組合陽離子-π相互作用的分布(%)Table 4 Distribution(%)of different cation-π interactions

表5 典型蛋白質折疊中陽離子-π相互作用的位置分布特異性Table 5 Location specificity of cation-π interactions in typical protein folds

在某一蛋白樣本中,如果同一個氨基酸殘基與兩個氨基酸氨基分別形成陽離子-π相互作用,我們視該蛋白質樣本存在陽離子-π相互作用陣列.對66個單繞樣本及37個雙繞樣本,利用RasTop軟件觀察每一個樣本的空間結構,確定樣本是否存在陽離子-π相互作用陣列并進行統計,結果顯示:單繞樣本中存在構成陽離子-π相互作用陣列的樣本為22個,占到了總數的33.33%;雙繞中存在陽離子-π相互作用陣列的樣本2個,占樣本總數的5.41%,具體結果見表5.

在單繞樣本中,形成陽離子-π相互作用陣列或陽離子-π相互作用分布在結構首尾之間的樣本達到43個,占單繞樣本總數的65.15%.在雙繞樣本中,滿足上述條件的樣本僅為3,占雙繞樣本總數的8.10%,具體結果見表5.

3 結 論

單繞和雙繞同屬α/β類蛋白,同由βα基本二級結構單元組成,且βkαkβk+1間滿足右手螺旋關系,氨基酸的組分在兩種結構中除Trp外也基本相同.但陽離子-π相互作用的信息在兩種結構中卻存在諸多差異:單繞中陽離子-π相互作用的分布密度遠大于雙繞中陽離子-π相互作用的分布密度;Lys、Arg、Tyr在單繞中更容易參與陽離子-π相互作用; Arg-Phe組合在雙繞中出現幾率較大,Arg-Tyr組合在單繞中出現幾率較大;陽離子-π相互作用在65%的單繞樣本中形成陣列或分布在結構的首尾間等,說明陽離子-π相互作用存在不同折疊類型的特異性,陽離子-π相互作用在穩定單繞結構中的作用強于雙繞.

1 Ma,J.C.;Dougherty,D.A.Chem.Rev.,1997,97(5):1303

2 Mecozzi,S.;West,A.P.;Dougherty,D.A.J.Am.Chem.Soc, 1996,118(9):2307

3 Mecozzi,S.;West,A.P.;Dougherty,D.A.Proc.Natl.Acad.Sci. U.S.A.,1996,93(20):10566

4 Sunner,J.;Nishizawa,K.;Kebarle,P.J.Phys.Chem.,1981,85 (13):1814

5 Gallivan,J.P.;Dougherty,D.A.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A., 1999,96(17):9459

6 Cheng,J.G.;Luo,X.M.;Yan,X.H.;Li,Z.;Tang,Y.;Jiang,H.L.; Zhu,W.L.Sci.China Ser.B-Chem.,2008,51(8):709

7 Sussman,J.L.;Harel,M.;Frolow,F.;Oefner,C.;Goldman,A.; Toker,L.;Silman,I.Science,1991,253(5022):872

8 Xiu,X.;Puskar,N.L.;Shanata,J.A.P.;Lester,H.A.;Dougherty, D.A.Nature,2009,458(7237):534

9 Dougherty,D.A.Science,1996,271(5246):163

10 Prajapati,R.S.;Sirajuddin,M.;Durani,V.;Sreeramulu,S.; Varadarajan,R.Biochemistry,2006,45(50):15000

11 Gromiha,M.M.Biophysical Chemistry,2003,103(3):251

12 Crowley,P.B.;Golovin,A.Protein,2005,59(2):231

13 DeVos,A.M.;Ultsch,M.;Kossiakoff,A.A.Science,1992,255 (5042):306

14 Pflugrath,J.W.;Wigand,G.;Huber,R.;Vertesy,L.J.Mol.Biol., 1986,189(2):383

15 Gromiha,M.M.;Santhosh,C.;Ahmad,S.International Journal of Biological Macromolecules,2004,34(3):203

16 Gromiha,M.M.Polymer,2005,46(3):983

17 Anbarasu,A.;Anand,S.;Mathew,L.;Sethumadhavan,R. International Journal of Biological Macromolecules,2007,40(5): 479

18 Chakkaravarthi,S.;Gromiha,M.M.Polymer,2006,47(2):709

19 Shanthi,V.;Ramanathan,K.;Sethumadhavan,R.Journal of Computer Science&Systems Biology,2009,2(1):51

20 Prasad,V.R.;Sathpathy,S.Protoplasma,2009,238(1-4):11

21 Wintjens,R.;Liévin,J.;Rooman,M.;Buisine,E.J.Mol.Biol., 2000,302(2):395

22 http://astral.berkeley.edu/scopseq-1.65.html

23 http://capture.caltech.edu/

24 Jorgensen,W.L.;Tirado-Rives,J.J.Am.Chem.Soc.,1988,110 (6):1657

25 Jorgensen,W.L.;Maxwell,D.S.;Tirado-Rives,J.J.Am.Chem. Soc.,1996,118(45):11225

Specificity of Cation-π Interactions in Typical Protein Folds

QIAO Hui LI Xiao-Qin*XU Hai-Song KONG Ling-Qiang PENG Yu
(School of Life Science and Bioengineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,P.R.China)

In proteins,cation-π interactions are formed between positively charged amino acids(Lys,Arg)and aromatic amino acids(Phe,Tyr,Trp).We investigated the cation-π interactions in two typical folding structures of α/β proteins,namely,the singly wound structure and the doubly wound structure.The results reveal that:(1)The distribution density of cation-π interactions in singly wound structures is about 2.6 times as high as that in doubly wound structures;(2)In singly wound structures,a correlation is observed between the amount of residues and their cationπ interactions while no correlation is observed in doubly wound structures;(3)Lys,Arg and Tyr in singly wound structures participate more easily in cation-π interactions than those in doubly wound structures;(4)Arg-Phe pairs are preferred in doubly wound structures while Arg-Tyr pairs are preferred in singly wound structures;(5)In singly wound structures,65%of the cation-π interactions form arrays or distribute between the starting point and the end point in the structures.

Singly wound;Doubly wound;Cation-π interaction;Specificity

O641

Received:April 29,2010;Revised:June 28,2010;Published on Web:August 10,2010.

*Corresponding author.Email:lxq0811@bjut.edu.cn;Tel:+86-10-67391610;Fax:+86-10-67392001.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(30570427)and Natural Science Foundation of Beijing,China (4092008).

國家自然科學基金(30570427)和北京市自然科學基金(4092008)資助項目

?Editorial office of Acta Physico-Chimica Sinica