蛋白质组学/蛋白质 - 蛋白质相互作用/结合位点
页面编辑和更新者：Christopher Fucile
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本节
蛋白质的稳定性和灵活性取决于静电相互作用，如氢键和范德华力。相互作用的能量在界面上的两个蛋白质之间并不均匀分布。界面的刚性确保熵损失得到抵消，结合自由能通过界面中包含的氨基酸残基以有利的方式得到贡献。热点对蛋白质-蛋白质复合物在热点区域内稳定性的贡献是协同的，但是独立热点的贡献是累加的。
- 氢键/疏水堆积
- 脱水键
- 盐桥
- 范德华力
- 阳离子-π 相互作用
- 口袋
- 热点
- 蛋白质芯片
水化对于蛋白质的三维结构和活性非常重要。表面水分子被带正电荷的碱性氨基酸最牢固地保持。 氢键 增加构象灵活性，而水合水平决定了内部分子运动中灵活性程度。靠近肽氢键的水分子会导致键分离，并释放结构中的张力。水分子也阻止了快速构象波动发生。水与蛋白质表面相互作用；水分子与氨基酸之间氢键的断裂对系统具有不利的影响，影响蛋白质的总能量。水分子起着粘合剂的作用，密封了互补表面上的孔洞，这些孔洞通常缺乏形状。氢键极大地增强了蛋白质间界面中存在的其他键合。当靠近对接立面的氢原子跨越界面与另一个分子的原子相互作用时，就会发生这种类型的键合。氢键可以在侧链之间、主链基团之间以及两者之间发生。[1]
疏水 表面位于配体受体界面处具有更大的键合歧义。肽原子之间的氢键降低了主链的疏水性。巧合的是，疏水表面可以用有序的水分子壳密封，当水分子被排出时，会形成一个熵利状态。去除水增加了疏水斑块的热力学益处。这些斑块虽然不常见，但蛋白质中发现的斑块更多地是亲水的。蛋白质的二级结构是氢键的结果，因为残基以这样一种方式排列，使得主链的疏水性降低。 α-螺旋 和 β-折叠 构象是实现这一目标的方式。[2]
从最不疏水到最疏水
- 赖氨酸
- 谷氨酸，天冬氨酸
- 精氨酸，谷氨酰胺，丝氨酸，天冬酰胺
- 脯氨酸，甘氨酸，苏氨酸
- 组氨酸，丙氨酸
- 酪氨酸
- 胱氨酸，缬氨酸，色氨酸，蛋氨酸
- 亮氨酸，异亮氨酸，苯丙氨酸
蛋白质主链中的氢键通常以脱水键的形式存在，脱水键是在两个极性键不同的氢原子之间形成的。在这种情况下，质子供体是金属氢化物，供体是OH或NH。脱水键吸引疏水基团，它们的键合通过增加周围介电系数来增加氢键的静电性。因此，脱水键在主链周围形成疏水壳，从而增加静电相互作用；这种脱溶环境有利于盐桥形成，从而增加结构稳定性。[3]
盐桥，也称为离子键，是在带相反电荷的氨基酸之间发生的一种化学键合形式。它们对蛋白质的稳定性贡献很大，通常存在于蛋白质结构的内部。这种稳定性取决于侧链的位置以及静电贡献。疏水环境有利于盐桥形成。相互之间距离小于四埃的带电残基能够形成盐桥。[4]
范德华力 发生在偶极之间。共价键合的原子在电负性方面有所不同，这会导致微小的偶极。由于电子的分布不对称，范德华吸引力会产生偶极效应。这些偶极振荡，产生一个偶极场。这个场允许两个具有相同振荡频率的原子同步，一个为负，另一个为正。因此，两者之间的电荷相互抵消，净电荷为零。范德华键是最弱的分子间力之一。但范德华键很重要，因为正是靠这些力，惰性气体才能实现与电中性物质之间相互作用的主要形式的键饱和。诱导偶极相互作用会导致范德华键合发生，而大的紧密表面接触使范德华键合能够做出重大贡献。[5] 下面的公式用于确定范德华键合
A/(r6) - B/(r12) where r is the distance between A and B.
蛋白质口袋是一个凹陷的表面区域，包含蛋白质的活性位点。这些区域是溶剂可及的，并且被表征为未填充或互补的，不考虑伴侣构象。互补口袋与其他表面口袋之间的组成差异可能有助于从未结合状态预测互补口袋。互补口袋的底部通常充满了可电离和/或极性的残基。在疏水环境中，这些残基为形成盐桥和氢键提供分子，这些键对于结合稳定性至关重要。口袋对于结合位点灵活性至关重要，因为大界面会降低结合稳定性，并允许配体移动。
阳离子-π 对通常存在于蛋白质的界面中，这可能是由于它们的低能构象。它们在特异性方面发挥着重要作用，导致需要构象变化以提供正确的结合方向。阳离子-π 相互作用最常出现在同二聚体中。这种键合形式的丰富性与特定氨基酸的出现有关。在同二聚体中，精氨酸与苯丙氨酸结合形成最常见的阳离子-π 键，而在其他蛋白质复合物中，精氨酸-酪氨酸和精氨酸-色氨酸阳离子-π 键更可能发生。
热点是指围绕氨基酸残基的高能量和结合区域。 热点被疏水口袋包围，成簇出现，而不是分散在整个界面上。这种聚集有助于消除水分子，并通过增加电荷-电荷关系来提高键强度和可用的键能。热点通常不包括氢键和静电相互作用，尽管对非极性残基略有偏好。 热点周围的堆积明显比界面中发现的其他残基紧密。由于热点对结合有很大贡献，因此在考虑结合亲和力和对接时，必须考虑相邻残基大小、电荷和相互作用的关联。已确定热点数量与界面大小之间存在线性关系；界面越大，存在的热点数量就越多。
与DNA芯片和基因芯片类似，蛋白质芯片彻底改变了科学家发现基因表达水平差异的方法和速度，蛋白质芯片是蛋白质组学中相对较新的补充，它为发现蛋白质-蛋白质相互作用带来了高通量效率。早期的蛋白质芯片通过对蛋白质进行标记来模拟现有的蛋白质组学技术，这种要求导致仅揭示某些蛋白质或蛋白质类别。 近期的发展已经提出了无标记技术，将最初的蛋白质芯片理念与 MALDI-TOF 质谱和其他形式的质谱结合起来，从而产生了一种不需要对蛋白质进行标记的蛋白质芯片技术，因此拓宽了每种芯片检测到的蛋白质-蛋白质相互作用范围。[6][7] 虽然蛋白质芯片技术没有直接有助于结合位点表征，但它是一种有效的方法，可以深入了解蛋白质及其类别通过与许多其他蛋白质的相互作用如何发挥作用。有关更多信息，请参阅关于蛋白质芯片的章节。
1.^ "氢键" 维基百科，自由的百科全书。 维基媒体基金会。 2008年3月30日。 <http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_bonding>。
2.^ "脱水键" 维基百科，自由的百科全书。 维基媒体基金会。 2008年3月30日。 <http://en.wikipedia.org/wiki/Dehydron>。
3.^ "范德华力" 维基百科，自由的百科全书。 维基媒体基金会。 2008年3月30日。 <http://en.wikipedia.org/wiki/Van_der_Waals_force>。
4.^ "蛋白质组学/蛋白质鉴定 - 质谱" 维基教科书。 2008年3月30日。 <https://wikibooks.cn/wiki/Proteomics/Protein_Identification_-_Mass_Spectrometry>。