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圣Jose财富所在泛酸五级相互功效研究中收获进展

发布时间:2019-07-06 08:37编辑:www.599588.com浏览(61)

    复杂的非共价相互作用网络对于维持蛋白质结构,实现蛋白质的功能至关重要。作为最常见的非共价作用,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困难。中国科学院青岛生物能源与过程研究所仿真模拟团队发展了一种基于NMR H-D交换的方法成功检测了IgG结合蛋白质GB3 α-螺旋主链氢键的协同性。其主要原理是蛋白质主链氢键N-H...O=C由H交换成D后,其氢键强度会削弱,进而会引起其他氢键的响应,这种响应可以利用化学位移变化进行检测。并通过点突变、pH调节、温度调控来改变H-D的交换速度,将相应H-D的交换速度与氨基酸的化学位移变化进行拟合,进而可以定量描述不同氢键之间的协同关系。

    蛋白质的结构层次通常被分为一到四级。但是在细胞拥挤环境下,胞内其它大分子和目标蛋白质形成瞬态复合物,也被称为蛋白质“五级结构”,而导致五级结构形成的作用力被称为五级作用力(quinary interaction)。但是关于该作用力的研究难度大,相关报道很少。中国科学院青岛生物能源与过程研究所仿真模拟团队利用该团队发展的核磁共振-远程化学位移扰动方法(chemical shift perturbations,CSPs),研究了蛋白质在细胞裂解液环境下的五级作用力。

    在过去的几十年中,科学家们利用超分子聚合方法制备了具有多种刺激响应特性和功能的一维纳米材料。通过近十年对于超分子形成动力学的深入研究,研究人员已经可以成功制备链长和分子量分布可控的超分子聚合物。

    研究结果表明:对某个位点i的氢键扰动会影响到i-3到i 3位点的六个氢键,这些氢键和位点i的氢键存在一个正协同效应。进一步的量子化学计算表明,这一协同效应主要来源于静电极化。该极化作用改变了形成氢键肽平面的偶极矩进而影响其所成氢键的强度。该工作首次实现了在蛋白质α-螺旋上的氢键协同性检测。这一技术也可以用于β 折叠片或者其他生物分子如DNA和RNA氢键协同性质的研究。研究成果发表于《美国化学会志》。

    研究发现,目标蛋白质和细胞裂解液中的大分子之间的五级作用削弱了蛋白质带电残基产生的电场,但并不改变蛋白质的主链结构。进一步的研究表明,电场的削弱和侧链电荷的位置以及符号有一定的关联。该结果暗示,五级作用力的存在可能会改变蛋白质在细胞内的功能,即从试管里获得的蛋白质性质和生理条件下蛋白质性质可能有一定的差异。

    然而,目前的超分子聚合物在高阶拓扑结构的复杂性方面仍远远落后于生物大分子,例如蛋白质,其独特高阶拓扑结构是由肽链中相互作用的协同折叠而实现的。受到蛋白质多级拓扑结构启发,化学家们也成功实现了超分子的非生物二级结构,例如螺旋。然而向超分子骨架中嵌入额外的非共价相互作用位点,则可能导致原有主链结构的变化,如何模仿生物蛋白这种折叠过程以产生更高阶的拓扑结构仍极具挑战性。

    以上研究由青岛能源所仿真模拟团队研究员姚礼山主持完成,获得国家自然科学基金的支持。

    以上研究由青岛能源所仿真模拟团队研究员姚礼山主持完成,获得国家自然科学基金的支持。相关成果发表于《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc.)。

    近期,日本千叶大学应用化学与生物技术系的Shiki Yagai教授课题组报道了类似蛋白质高阶拓扑结构的超分子聚合物的自折叠行为。研究者利用早期发展的“超分子花结”,通过改变聚合的冷却速率对所得超分子的螺旋折叠程度进行动力学控制。他们发现当缓慢冷却时,可获得含有少量螺旋结构的“错误折叠”纤维,该螺旋结构域在数天之后可折叠成独特的拓扑结构,与蛋白质三级结构相媲美。

    论文信息:Jingwen Li, Yefei Wang, Jingfei Chen, Zhijun Liu, Ad Bax, and LishanYao. Observation of α-Helical Hydrogen-Bond Cooperativity in an Intact Protein. Journal of the American Chemical Society, 2016, 138, 1824-1827.

    论文信息:Zhang Ning†, An Liaoyuan†, Li Jingwen, Liu Zhijun, Yao Lishan﹡. Quinary Interactions Weaken the Electric Field Generated by Protein Side Chain Charges in the Cell-like Environment. J. Am. Chem. Soc.,2017.(DOI:10.1021/jacs.6b11058, †co-authors)

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    图:H-D交换引起的周围氢键的响应

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    图1. 核磁共振方法-远程化学位移扰动

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    图2. 细胞环境下五级作用力削弱带点残基产生的电场

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