氫鍵是自然界廣泛存在的一種分子間作用力，在化學(xué)、物理、生物過程中起至關(guān)重要的作用，近年來在超分子、彈性體、自修復(fù)等領(lǐng)域扮演著重要角色。氫鍵是生物大分子結(jié)構(gòu)及其相互作用的主要幾何決定因素，借助原位紅外等分析手段可以對氫鍵進行定性分析，目前已有大量相關(guān)文獻對氫鍵能量學(xué)進行了詳細(xì)的研究，其研究焦點主要集中在由單個供體和單個受體組成的H-bonds上，然而多重氫鍵在生物大分子結(jié)構(gòu)中非常常見，如膜蛋白，目前對于多重氫鍵的定量分析缺乏系統(tǒng)研究。
基于此，希伯來大學(xué)貝寧計算機科學(xué)與工程學(xué)院的Esther S. Brielle和Isaiah T. Arkin教授課題組通過測量在三個或三個以上基團之間形成的多重氫鍵能量，發(fā)現(xiàn)92%的跨膜螺旋結(jié)構(gòu)中至少有一個非規(guī)范氫鍵形成，其是由絲氨酸或蘇氨酸羥基側(cè)鏈氫鍵與序列中i?4、i?3或i位置處的羰基氧過配位形成的，進一步通過同位素編輯FTIR光譜技術(shù)和DFT計算，確定氫鍵的焓值，其值比單個規(guī)范氫鍵焓值高127%，得出這些強氫鍵有利于絲氨酸和蘇氨酸在疏水環(huán)境中保持穩(wěn)定，同時使其在不同構(gòu)型之間保持靈活性，賦予其多功能性。文章通過對多重氫鍵的定量分析，為今后控制氫鍵、利用氫鍵奠定一定基礎(chǔ)。相關(guān)工作以“Quantitative Analysis of Multiplex H?Bonds”發(fā)表在國際頂級期刊《Journal of the American Chemical Society》上。
在溶解的膜蛋白跨膜螺旋結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了絲氨酸和蘇氨酸殘基，其參與了多重氫鍵的形成，通過羥基O和羰基O之間小于3.5 ?的距離確定氫鍵。結(jié)果表明，大多數(shù)絲氨酸和蘇氨酸形成這種多重氫鍵，大多數(shù)鍵與序列中位于同一殘基（i）、三個殘基（i-3）或四個殘基（i-4）上的過配位主鏈羰基形成。為了確定哪些因素影響氫鍵的形成，作者測量了χ1旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體，發(fā)現(xiàn)χ1=-60°（圖中紅點）的殘基幾乎全部與i-4羰基基團反向鍵合（圖中粉色陰影）；相反，在χ1=+60°（圖中藍點）時，其與i-3羰基（圖中藍綠色陰影）或與i-3和i-4羰基同時鍵合（圖中格子底紋）。當(dāng)χ1旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體在±180°時（圖中灰點），側(cè)鏈氫鍵合自身羰基。同樣，分析蘇氨酸時可得到相似的結(jié)論。統(tǒng)計學(xué)分析表明，絲氨酸和蘇氨酸殘基通常參與不同的多重氫鍵，主要取決于其χ1角度大小。
FTIR光譜分析
為了測量不同多重氫鍵的強度，采用同位素編輯FTIR光譜分析羰基的振動頻率。C=O伸縮振動是酰胺I振動模式的主要組成部分，因此，當(dāng)與單個H鍵供體結(jié)合時，酰胺I帶向低頻移動；當(dāng)與兩個供體過配位時，移動程度更大。因此，移動程度與H鍵的強度有直接關(guān)系，通過13C=18O標(biāo)記可實現(xiàn)單個羰基的光譜觀察。對其它殘基分析，同樣采取標(biāo)定的方法。
DFT計算
采用DFT計算鍵焓變的頻率移動，可以得到系統(tǒng)中任何特定振動模式的頻率，然后將其與FTIR分析結(jié)果對比，以驗證結(jié)果的可靠性。首先通過絲氨酸與主鏈羰基的背面鍵合計算系統(tǒng)能量，然后當(dāng)兩個分子距離100??時再次計算系統(tǒng)的能量，對纈氨酸采取相同的操作，將絲氨酸系統(tǒng)減去纈氨酸系統(tǒng)的能量值，以確定該位置絲氨酸的能量偏好性。為確定羥基與主鏈羰基側(cè)鏈相互作用的特定貢獻，通過旋轉(zhuǎn)χ1二面體，使羥基側(cè)鏈繞Cα-Cβ鍵旋轉(zhuǎn)180°以消除非規(guī)范氫鍵。所有其它能量的影響，均可以通過旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)將兩個分子分開來解決。
總結(jié)：絲氨酸和蘇氨酸殘基是迄今為止跨膜螺旋中最常見的極性殘基，不同氫鍵配置允許絲氨酸和蘇氨酸殘基在蛋白質(zhì)功能所必需的方向上形成氫鍵，主鏈羰基與羥基側(cè)鏈過度配位的氫鍵具有靈活性，具有穩(wěn)定絲氨酸和蘇氨酸側(cè)鏈的特點，同時具有多功能性。作者提供了一個全面的針對絲氨酸和蘇氨酸側(cè)鏈氫鍵與主鏈羰基過配位形成多重氫鍵的定量分析方法，為跨膜螺旋結(jié)構(gòu)提供了非規(guī)范氫鍵的詳細(xì)能量圖。
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