蛋白质中氨基酸有序水合的结构：晶体结构分析

苯丙氨酸基纳米结构因其功能特性而受到材料科学界的关注。这些特性强烈依赖于纳米结构的层次结构，而纳米结构又可以通过精确的化学修饰来微调。在此，我们研究了用酪氨酸部分或完全替换PEG-（Phe）（PEG-F6）中的Phe残基以生成PEG-Phe-Tyr）（PEG-（FY）3）或PEG-Tyr（PEG-Y6）如何影响由母体化合物形成的纳米材料的结构/功能特性。此外，通过对不含PEG部分（Tyr）（Y6）和（Phe-Tyr（FY）3）的肽的表征来评估PEG衍生化的效果。PEG-Y6和PEG-（FY）3都可以在水中以微摩尔浓度在富含β-薄片的纳米结构中自组装。然而，这些化合物的WAXS衍射模式存在显著差异。PEG-（FY）3显示了二维WAXS取向的光纤衍射剖面，其特征是伴随着4.7°经向反射和12.5°赤道反射，通常与交叉β结构有关。另一方面，PEG-Y6的图案的特征是存在在PEG结晶中通常观察到的圆圈。分子建模和动力学提供了这些化合物的肽链的原子结构模型，该模型与WAXS实验数据吻合良好。根据流变学研究中的储存模量（G'≈100 Pa）和损失模量（G''≈28 Pa），仅在浓度高于1.0 wt%的PEG-（FY）3中检测到凝胶化现象。这种软水凝胶在培养24小时后，CHO细胞的细胞存活率被证明为90%。

利用分子动力学模拟研究了孤对电子对9个亲水性侧链中氧和氮原子形成的氢键方向性的影响。模拟是使用两种类型的力场进行的；其中一个包含放置在非原子位置的单面电子，而另一个没有。根据模拟轨迹计算了氧原子和氮原子周围水合水分子的密度分布，并与经验水合分布函数进行了比较，经验水合分布函数是由蛋白质晶体结构中发现的大量水合水分子构建的。只有使用明确包含孤对电子的力场的模拟再现了氢键的方向性，这是在sp中脱质子氧和氮原子的经验分布函数中观察到的2-杂交。包括这些原子的氨基酸是功能上重要的谷氨酸、天冬氨酸和组氨酸。因此，在分子动力学模拟研究中考虑这些氨基酸形成氢键时，一组包含孤对电子作为非原子电荷位置的力场是有效的。

目前用于自动构建大分子X射线晶体结构模型的软件工具能够在很少或没有用户监督的情况下组装有序大分子和小分子散射组件的高质量模型。其中许多工具还包含强大的功能，用于模拟几乎所有大分子晶体结构中的有序水分子。然而，目前没有任何工具专注于将这些普遍存在的水分子与其他常见的多原子溶剂物种（如硫酸盐）区分开来，也没有自动化地构建此类物种的模型。PeakProbe是专门为满足这种工具的需要而开发的。PeakProbe根据对其局部电子密度和化学环境的分析（“探测”）预测结构中给定点（称为“峰”）的可能溶剂模型。PeakProbe将总共19个与电子密度相关的分辨率依赖特征和两个与局部化学环境相关的特征映射到与分辨率无关的二维分数空间。根据蛋白质数据库中溶剂模型的大规模采样确定的在该评分空间的给定区域内观察到四种不同类别溶剂（包括水）的相对频率，对峰值进行分类。PeakProbe旨在对差异密度最大值产生的峰进行分类，它还集成了识别与模型误差相关的峰或可能对应于多原子溶剂的峰簇的功能，以及使用溶剂极限电子密度图验证现有溶剂模型的功能。当负责将峰分类为四种不同溶剂类别中的一种时，PeakProbe对于直接从现有溶剂模型的原子坐标和基于差异密度最大值的原子坐标导出的两个峰实现了99%以上的准确度。虽然该程序仍在开发中，但一个功能齐全的版本是公开的。PeakProbe广泛使用cctbx库，需要PHENIX许可证和最新的PHENIX.python环境才能执行。