驅(qū)動蛋白與微管間鹽鍵作用的定量分析

張 亮

（河北工業(yè)大學 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、負電荷的側鏈基團互相接近，通過靜電吸引而形成的，如羧基和氨基、胍基、咪唑基等基團之間的作用力.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，其殘基側鏈在電離以后，帶上負電荷，然而對于成堿性氨基酸，其殘基側鏈在被電離之后，帶上正電荷，然后在它們之間，就可以形成鹽鍵了.鹽鍵會隨所加入的非極性溶劑而得到加強，反之會隨所加入極性溶劑而減弱.

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[1].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[2-4].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.

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[5].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，機械效率可以接近50%，其中的技術意義仍然沒有被充分認識.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[6].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)[7].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鹽鍵.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，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鹽鍵，利用靜電相互作用方式對這些鹽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）， 對于此部分的能量計算，采取靜電相互作用方式來計算能量，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，庫侖力常數(shù)，內(nèi)容參考Gromacs使用手冊第7頁和第43頁.

在生物體的細胞內(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鹽鍵相互作用的結合位點，如表1所示.經(jīng)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鹽鍵相互作用能量.

1）相互吸引能量.

在ATP強結合態(tài)和ADP弱結合態(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強結合態(tài)和ADP弱結合態(tài)的總能量分別是：291.250 087 5 kJ/mol和476.389 350 7 kJ/mol.

ATP強結合態(tài)和ADP弱結合態(tài)兩種狀態(tài)的能量差：-68.0158537kJ/mol.

3 討論

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)總體上能量相差： 68.015 853 7 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）[7]，這一點和實驗的結果是符合的.

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

續(xù)表1

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

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8nm，利用了來自ATP分子水解產(chǎn)生的約100 pN nm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鹽鍵.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鹽鍵.根據(jù)計算數(shù)據(jù)的分析，得到鹽鍵，相互吸引能量，在ATP強結合態(tài)和ADP弱結合態(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強結合態(tài)和ADP弱結合態(tài)的總能量分別是：291.250 087 5 kJ/mol和476.389 350 7 kJ/mol，ATP強結合態(tài)和ADP弱結合態(tài)2種狀態(tài)的能量差： 68.015 853 7 kJ/mol.通過對微管上的驅(qū)動蛋白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，鹽鍵的形成條件（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.

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