水和蛋白质：爱与恨的关系

向确定的哈密顿量中加水可以改善预测的蛋白质结构。

人们普遍认识到，水分子在控制生物分子的结构、稳定性、动力学和功能方面发挥着不可估量的作用。水合力负责蛋白质结构的堆积和稳定。特别是，水参与许多氢键网络和屏蔽静电相互作用。然而，水介导的过程的确切范围还远未被了解，只有在最近几年，水才被定量地视为生物分子系统的组成部分。在本期美国国家科学院院刊中，Papoian等。(1)报告了在蛋白质结构预测的哈密顿量基础上增加基于水的潜能，从而显著改进了蛋白质结构预测。当极性基团或带电基团之间的长程相互作用由水分子介导时，“润湿”哈密顿量改善了预测的结构，特别是对于大型蛋白质。

有多种实验和理论研究承认溶剂在蛋白质稳定性和动力学中的积极作用。实验上，x射线、中子衍射(2)，核磁共振(三,4)和飞秒荧光(5)测量揭示了水的结合位点、结构和动力学。理论上，分子动力学模拟提供了生物分子和溶剂的详细原子描述，以及它们动力学的时间依赖性(6–9). 然而，这些蛋白质的全原子显式溶剂模拟似乎无法提供足够的构象覆盖率来处理许多平衡和长时间尺度的动力学特性。因此，一种补充方法是采用简化模型，以换取水分子的高结构分辨率(10,11)（例如，水的广义born模型）或多肽和溶剂（例如，基于结构的模型），用于增强构象取样(12,13).

通过使用基于结构（Go）的Src同源性3（SH3）蛋白模型研究折叠过程中的去溶剂化，假设每个天然接触都是在排出介导任何两个残基之间相互作用的水分子后形成的(13). 完全溶解的未折叠链经历了一个初始结构坍塌到整体天然拓扑构象，然后是第二个转变，其中水分子被协同从疏水核心区域挤出，从而形成干燥且致密的蛋白质。在能量最小挫败模型中，通过溶剂进行的门控蛋白折叠提供了折叠事件的额外微观特征，这些特征已在实验中观察到(13,14). SH3和蛋白质A和G的原子模拟研究支持水在过渡态形成后作为疏水核填充润滑剂的作用(6–8). 此外，这些完全原子模拟并没有偏向于残基之间的直接接触，它们指出折叠状态并不是完全干燥的，但一些核心水分子与蛋白质骨架形成氢键。这些研究认为，水蒸发是由于疏水性诱导干燥所致（正如两个刚性疏水性物体的结合所建议的那样）(15,16)蛋白质折叠不太现实，因为由于链的灵活性和核心中极性基团的存在，水可以逐渐从蛋白质内部排出。

水是蛋白质折叠的基础，主要是因为它在定义疏水吸引力方面的作用(17,18)导致疏水残留物快速粘合的物质。蛋白质表面附近的水合水表现出明显偏离本体的动力学特性(19)，对稳定折叠蛋白质至关重要。水合水的波动会影响蛋白质的动力学，从而影响其功能(20,21)然而，蛋白质和溶剂复杂性之间的相互作用是一个有趣的开放问题。此外，水不仅与蛋白质表面相互作用，而且可以直接与蛋白质内部的蛋白质骨架和侧链相互作用，甚至可以在疏水性空腔中形成两个或多个水分子的簇(三). 埋藏的水分子在第一水合壳中的平均停留时间比水长得多，因此它们构成了蛋白质结构的一个组成部分(4,22,23). 然而，内部水分子可以逃逸到主体中，并被水合壳中的水所取代(23). 因此，突变可以影响核心内结构水分子的数量，并破坏由有序水接触介导的基本主链相互作用网络(24)，导致不稳定。

巴布亚人等。(1)通过允许蛋白质中的任何三级成对相互作用（包括非天然接触）成为直接接触或由水分子或蛋白质本身介导的长程接触，将水独特地纳入蛋白质结构预测哈密顿量，从而产生高度非加性势(25). 基于156个单体蛋白质的数据集，通过生物信息学方法获得了任何残基的直接接触电位以及蛋白质和水介导的接触电位(图1). 这种特定水介导接触的间接定义克服了高分辨率x射线结构可能低估的与水的相互作用数量。“湿”势表明，通过长程水介导的相互作用，预测α-螺旋蛋白的结构有了显著改善，特别是对于那些残基>115的蛋白。这些相互作用在早期阶段非常重要，可以通过形成远程接触来指导结构搜索。后期事件包括形成短程接触，将水从蛋白质内部排除，并通过桥接蛋白质表面的亲水基团来稳定折叠状态。水分子通过介导极性氨基酸和带电氨基酸之间的长程相互作用，可以引导折叠和促进超二级结构元素的堆积，指出水分子在大分子和多域蛋白质的折叠和稳定中的重要作用。

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图1。

Papoian在结构预测哈密顿量中引入的基于知识的势等。(1). 每对残基都可以通过水分子直接或冥想地相互作用（这两种类型的接触也分别称为第一和第二阱）。直接接触被定义为当残留物之间的C_β原子为4.5–6.5℃，类似地，水介导接触的距离设置为6.5–9.5℃。第二个井还包括蛋白质介导的接触电位（数据未显示），它与直接控制电位高度相关。正值表示更有利的相互作用。

因此，水环境在蛋白质动力学和稳定性方面比传统想象的更为积极，可能有许多应用。例如，在蛋白质设计中结合亲水残基之间的水介导接触可能会产生更稳定的蛋白质。此外，蛋白质界面的共同亲水性(26,27)和蛋白质–DNA(28)复合物和粗颗粒折叠势在结合问题上的有限成功(25)界面上丰富的水分子表明水对于生物分子识别和自组装是不可或缺的(29)（请参见图2). 对于某些配合物，可以得出结论，水可以有助于形成精细的特异性(30)而对其他人来说，水可以作为缓冲物，减弱不利的极性相互作用，从而允许杂乱的结合(31). 因此，水介导接触的焓增益大于固定界面水必须支付的熵成本。在动力学上，水分子可以引导完全溶剂化的蛋白质通过水层的逐渐排出来识别完全溶剂化的DNA，可能是通过飞铸机制(32)产生湿界面复合物。然而，我们必须提到，各种同型二聚体结合机制的总体特征(33)三聚体和四聚体仅根据其拓扑结构获得。用Go模型得到的几种蛋白质复合物的结合过渡态与它们的实验Φ值（未发表的数据）一致。这一发现表明，蛋白质拓扑结构是控制蛋白质折叠和结合的主要因素，但在研究去溶作用对结合的影响时必须考虑水。

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图2。

蛋白质-蛋白质和蛋白质-DNA界面处的水。牛乳头瘤病毒-1 E2与DNA的复合物（PDB ID代码2bop）包含241个水分子（以球体表示），其中40个水分子介导蛋白质-蛋白质相互作用（蓝色球体），另外42个水分子中介导蛋白质-DNA相互作用（浅蓝色球体）。

Papoian的研究等。(1)表明水不仅诱导蛋白质折叠和结合，而且通过水介导的长距离接触积极参与。疏水和亲水效应是生化过程的主要驱动力。加水可以提高蛋白质对接以及蛋白质和药物的设计策略和结果的特异性和亲和力。“湿”哈密顿量有望预测更精确的结构。继续研究湿漏斗状能源景观，可以深入了解蛋白质和水动力学之间的耦合作用以及水在生物功能中的作用。

致谢

笔记

参见第页的配套文章3352.

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