将线性多肽链组装成具有功能的三维蛋白质结构需要一种称为氢键的独特力量。典型的氢键形成于供体和受体基团以接近线性的几何形状相互靠近，杂原子距离在2.8 Å和3.2 Å之间。有趣的是，蛋白质折叠通常允许氨基酸位于更近的位置，形成杂原子距离低于2.7 Å的氢键。我们统计分析了包含153000多个生物分子结构的蛋白质数据库，以确定这些短氢键(SHBs)的发生，并表征其结构和化学特征。在这里，我们将重点放在数据库中最高质量的前1%结构上，并确定O- h•••O、O- h•••N、N- h•••O和N- h•••N型SHBs及其网络在蛋白质和蛋白质配体复合物中普遍存在。它们将氨基酸结合在一起，连接活性位点氨基酸和配体(图1)，可能有助于基本的生物学功能。shb尤其富含酶，而酶是加速生物体化学反应的生物催化剂(图1)。例如，shb广泛存在于水解酶中，并可能帮助水分子裂解化学键。它们也常见于氧化还原酶中，并可能促进分子间电子的有效转移。

图1所示。分析蛋白质数据库中1663个高分辨率晶体结构的结果。(a) 11814 SHBs在酶中的分布。SHBs的结构示例(b)在氨基酸之间形成，(c)在蛋白质的活性位点氨基酸和配体之间形成。

虽然氢键通常被认为是经典的偶极子-偶极子相互作用，但SHBs表现出突出的共价特征。由于氢是最轻的元素，核量子效应也能显著改变它们的几何形状和性质。我们对3665个氨基酸侧链形成的shb进行了量子化学计算，得到了质子在供体和受体原子之间移动的势能面。所得到的表面可以是双井(图2a)、带肩的单井(图2b)或单井(图2c)。当氢键缩短时，它更有可能具有具有低能垒和共用质子的单阱势。在许多SHBs中，能量势垒与典型的O-H或N-H键的零点能量相当(~5千卡/摩尔)，质子在供体原子周围的限制更小。因此，核量子效应允许质子向供体和受体原子之间的中点移动，并进一步增强氢键的共价。

图2所示。在SHB中移动质子的势能面例子。在图中，当质子的位置分别为负或正时，它离氢键的施主或受主原子更近。水平线表示典型的O-H或N-H键的零点能量。

我们的发现扩展了生物大分子中氢键的知识。我们证明了SHBs广泛存在于蛋白质中，并具有独特的量子力学性质。因此，它们不遵循氢键作为经典静电相互作用的标准描述。我们的工作将有助于将这些密切接触结合到蛋白质结构的实验和计算改进中，并改进这些生物分子的结构、相互作用和功能的建模。

Shengmin周¹，鲁王^2
1YDS制药有限公司，奥尔巴尼，纽约州，美国
²罗格斯大学定量生物医学研究所化学与化学生物学系，美国皮斯卡塔韦

出版

揭示生物短氢键的结构和化学特征
周生民，王璐
化学科学2019年7月1日

离线阅读:

相关文章:

	在服用额外的氨基酸补充剂之前要三思饮食是重要的燃料生长和细胞机制，因此，在一个活的有机体的生存起着重要作用。我们饮食的一个重要组成部分…
	一种高灵敏度检测d -氨基酸的方法d -氨基酸具有不同于l-氨基酸的重要生物学功能，近年来在医学、临床和食品工业等各个研究领域受到广泛关注;官方manbetx手机版因此,有…
	木耳素的有趣结构特性及其…链霉菌是次生代谢产物的主要生产者，具有广泛的生物活性。这些产物中有大量属于聚酮类。这些结构多样的化合物是……
	土壤和水生物工程-可持续侵蚀…加速的土壤侵蚀和流失是一个严重的环境问题，特别是对地中海区域而言，这是由于其长期的人类压力、季节性的气候差异和崎岖的地形。人为…
	人类连接体的隐藏几何:高阶…大脑拥有复杂的神经回路，使整个人类活动、心理和行为得以实现。它的进化适应向着支持其功能特征的复杂结构进化。研究表明……
	竞争条件下…的延迟质子化易获得的α，β-不饱和化合物(Michael受体)是合成化学中最重要的组成部分之一，广泛应用于共轭加成反应。的特点是……