水分子与蛋白质分子的相互作用

水分子与蛋白质分子的相互作用

姚瑶1赵林1,2*

(天津大学1化工学院2环境学院天津 300072)

摘要水是一种不同寻常的液体，它的特殊性使它作为生命的基质起着独一无二的作用。目前，对于蛋白质内部和周围的水分子的研究，表明水在蛋白质结构和功能中扮演的至关重要的角色。尽管目前

还没有得到明确的水分子的生物学作用，但通过三种现代结构研究的关键技术——结晶学、核磁共振光谱

学和计算机分析模拟方法的结合，已经取得了一些结果。本文从实验研究和理论模拟两方面，总结了水分

子与蛋白质分子间的相互作用的研究进展，阐述了水分子对蛋白质结构、稳定性的影响，并展望了从水分

子角度出发来研究蛋白质性质的前景。

关键词水分子蛋白质分子结构稳定性

Interaction of Water with Protein

Yao Yao1, Zhao Lin1,2*

(1College of Chemical Engineering, 2College of Environment, Tianjin University, Tianjin 300072)

Abstract Water is a profoundly unusual liquid, and its peculiarities may make it uniquely suited to act as life’s matrix. Recent studies of water in and around proteins have made us acutely aware of the critical role that water plays in protein structure and function. Although we do not yet have definitive biological effect of water, a consensus is emerging, which brings together the three key techniques of modern structural research: crystallography, NMR spectroscopy, and computer methods of analysis and simulation. This paper summarized the progresses of the interaction of water molecule and protein molecule researched in both experiment and theoretical simulation. The influence of water molecule on the protein molecular structure and stability were expatiated. Prospects of the research about protein considered the influence of water were predicted.

Key words Water, Protein, Structure, Stability

水是地球上存在数量最多的分子化合物，生物体的组成成分中，水的含量最高。水分子具有极性，能通过静电吸引与周围的水分子形成四个氢键，构成四面体结构。水分子既是质子供体又是质子受体，能够通过氢键与蛋白质的极性部位或非极性部位结合，影响蛋白质的结构以及生物学功能。事实表明[1~6]，水在生命大分子的结构及活性方面起着非常特殊的作用，因此，水分子的生物学作用[7]引起了人们的广泛关注。但是由于实验仪器和研究方法的局限，水分子与生物大分子的相互作用难于观察,水分子的生物学功能尚不十分明确。众所周知，蛋白质动力学和水分子的动力学密切相关[8]。因此，有必要深入了解水分子与蛋白质分子之间的相互作用。本文从实验和模拟两方面总结了近年来国内外水分子与蛋白质分子的相互作用的研究情况，讨论了水分子对蛋白质构象、稳定性的影响，并展望了从水分子角度出发研究蛋白质性质的前景。

1 实验研究

自然界中没有真空环境，水分子会尽力填补蛋白质所不能到达的空缺。但是与蛋白质相比较，

姚瑶女，24岁，硕士生，现从事水分子蔟结构对生物大分子的影响研究。*联系人，E-mail: zhaolin@

国家重大基础研究前期研究专项(2003CCA04300)和国家自然科学基金资助项目(20376054)

2005-11-29收稿，2005-12-19接受

水分子非常小，试验观察仍存在一定难度。研究蛋白质与水分子相互作用的实验方法主要有NMR 法、X射线衍射法、中子散射法以及红外光谱法。

1.1 晶体结构中的水分子

蛋白质分子与水分子通过氢键相结合，并非使蛋白质的结构更加紧密，刚性变大，而是增加了蛋白质的弹性，使其结构更加稳定。X射线衍射法是最先给出晶体状态蛋白质的具体原子结构信息的方法。Nakasako认为，在溶液中有着四面体氢键几何结构的水分子在蛋白质表面仍保持该结构并使其三维链伸入到含有水合水分子和极性原子的蛋白质内部，形成氢键网络。氢键网络富有弹性，可适应蛋白质构象的变化，例如局部运动[9]。Takano[10]研究了Ala(丙氨酸)/Gly(甘氨酸)突变的人溶解酶去水合过程，发现水分子与空穴体积大的蛋白质结合的稳定性较大，认为蛋白质内部空穴中水分子的存在对蛋白质的稳定性有利。

中子散射实验也同样得到了关于水分子与不同生物分子间相互作用的信息。Michalarias将水分子动力学模拟的优势与表面结合水中子散射实验相结合,区分了蛋白质表面结合水分子与容积水，得到了DNA、光合体系Ⅱ、胰凝乳蛋白酶周围水分子的性质[11]。实验结果表明，与DNA紧密结合的水分子的动力学与相同温度下高密度无定型态冰相似。如图1所示，高水合值下在28、38和67meV 处有尖峰，表1中显示28.4和37.9为氢键的振动峰，然而，在低水合时这一性质却完全消失。图2所示，降低干DNA或干蛋白质的含量后，在低水合条件下，水的谱线与冰Ⅰh的极为相似。

图1干燥和水合蛋白质的TOSCA校正谱图Fig.1Dry and hydrated DNA measured on the updated

TOSCA spectrometer

顶端曲线为冰Ⅰh谱图

图2减少干燥膜或DNA含量后得到水合膜和水合DNA

界面水的估算谱图

Fig.2Estimation of the interfacial water in hydrated

membranes and hydrated DNA

表1 TOSCA谱图中峰值分布

Tab.1Assignment of the peaks in the TOSCA spectra

能量/meV TOSCA公认的振动

7.1 声子相关区域

10 声子相关区域

28.4 弱氢键

37.9 强氢键

22~40 CH3扭转

67 氢键振动带左边缘

50~65 结合蛋白质骨架和两平面转换

121 氢键振动带右边缘

90~140 CH3-r, CH2-r, NH-ip, NH-op, NH2-b, NH2-r

145~190 CH-b, CH2-b, CH2-w, CH2-tw, CH3-sb, CH3-ab, 氨基化物II and III (NH-ib连接于C-N键) Pertsemlidis等[12]结合中子散射实验和分子动力学模拟分析了水分子如何与NALA分子内部相