利用核磁共振技术研究蛋白质中氢键协同作用机制

Hydrogen bonds are critical in maintaining the structure of proteins and achieving the function. The presence and extent of hydrogen bonding cooperativity in proteins remains a fundamental question. However, the quantitative study of the cooperativity of H-bonding in proteins has always been a challenge. Our laboratory has developed a new method based on the traditional H-D exchange method in NMR technology to study the H-bonding cooperativity in proteins quantitatively. The method is based on the fact that substitution of NH by ND in a backbone amide group slightly weakens the N−H···O=C hydrogen bond, with other hydrogen bond strength responding accordingly. In this project, using GB3 and Trpzipper as the study systems, we will detect the isotope chemical shift matrixs of more nucleis in different secondary structures to study the cooperativity between the backbone hydrogen bonds and the cooperativity between the backbone hydrogen bond and the stacking of peptide plane-indole group of tryptophan. Then we will clarify the cooperativity mechanism between different interactions and identify the important structural factors(such as the backbone dihedral angles) with the help of quantum mechanical calculations. This project will promote the understanding of the cooperativity mechanism of proteins, and it will provide new methods to investigate the cooperativity of interactions in other biological macromolecules.

氢键网络对于维持蛋白质结构，实现蛋白质功能至关重要。但是氢键网络的耦合或者协同性是非常复杂的，相应的实验研究也非常的困难。最近，我们实验室发展了一套基于H-D交换NMR技术定量检测氢键协同性的方法：通过把蛋白质主链氢键酰胺由H交换成D削弱氢键强度同时观测其他氢键的变化，进而获得氢键协同性的信息。本项目将发展和完善该方法，通过检测蛋白质不同二级结构不同原子核的同位素化学位移矩阵，针对蛋白质内部主链-主链氢键之间、主链-主链氢键与主链-侧链堆积之间的协同性开展定量研究，并结合量化计算，阐明不同作用力之间的协同机制；确立协同性的强弱以及影响协同性的重要结构因素（如主链二面角）和作用模式（如静电极化和电子共轭效应）。本项目成功实施将促进对蛋白质协同机制的理解，为其它生物大分子体系相互作用的协同机制研究提供新的机遇。

主链氢键是维持蛋白质二级结构α-螺旋和β-折叠片的主要作用力，研究蛋白质中的氢键性质对于深入理解蛋白质结构功能关系具有重要的意义。.本项目首先利用前期实验室发展的一套H/D交换NMR技术定量检测了GB3β-折叠片中的氢键协同作用，结果表明两条β-链之间的一个主链氢键的减弱会引起周围4个氢键的变化，其中3个氢键减弱、1个氢键增强，即存在正协同或负协同效应；结合计算模拟发现扰动机制是氢键减弱所引起的结构调整，净效应是氢键在两个方向上是协同的即垂直或平行于β链。.其次在研究中发现保护类渗透剂这类小分子可以提高蛋白质的稳定性，但其如何影响蛋白质结构和功能的还需深入研究。本项目利用NMR技术检测了蛋白质主链氢键的J-耦合常数在多元醇和糖类渗透剂（甘油、山梨醇和葡萄糖）中的变化，结果表明此类渗透剂可稳定蛋白质的主链氢键，结合量化计算发现渗透剂可以削弱蛋白质与溶剂之间的氢键而增强其内部的氢键；虽然氢键变化很小，但对蛋白质功能的影响不容忽视，以形成6个分子间氢键而结合的PDZ3-多肽配体为研究对象，通过研究其结合能力和主链的H/D交换数据发现渗透剂可通过增强氢键而促进蛋白质与配体的结合。.本项目执行期间已发表1篇SCI论文，在投1篇，培养了相关方向的博士研究生1名和硕士研究生1名。