【3.4.5】盐桥(salt bridges)

在化学中,盐桥是两种非共价相互作用的组合:氢键和静电相互作用(hydrogen bonding and electrostatic interactions)(图1)。 最通常观察到这有助于蛋白质的熵不利折叠构象的稳定性。 尽管已知非共价相互作用是相对弱的相互作用,但小的稳定相互作用可以加在一起,对构象异构体的整体稳定性起重要作用。[1] 不仅在蛋白质中发现了盐桥,而且还可以在超分子化学( supramolecular chemistry )中发现它们。 通过实验程序探索每种热力学,以评估盐桥对状态总自由能的自由能贡献。

盐桥最常来自天冬氨酸或谷氨酸的阴离子羧酸盐(RCOO-)和精氨酸的赖氨酸或胍盐(RNHC(NH2)2+)的阳离子铵(RNH3 +)(图2)。[1 ] 尽管这些是最常见的,但取决于干扰其pKa的外部因素,其他具有可电离侧链的残基(例如组氨酸,酪氨酸和丝氨酸)也可以参与。 参与盐桥的残基之间的距离也被认为是重要的。 所需距离小于4Å(400 pm)。 大于此距离的氨基酸不构成盐桥。[3] 由于在整个蛋白质中发现了许多可离子化的氨基酸侧链,因此放置蛋白质的pH值对其稳定性至关重要。

蛋白质中的盐桥是带相反电荷的残基之间的键,这些残基彼此之间非常接近,可以经受静电吸引。它们有助于蛋白质结构以及蛋白质与其他生物分子相互作用的特异性,但这样做并不一定需要增加蛋白质的自由折叠能。

盐桥的净静电自由能可分为三个部分:

  • 电荷-电荷相互作用(charge-charge interactions)
  • 电荷与永久偶极子的相互作用(interactions of charges with permanent dipoles)
  • 电荷的去溶剂化(desolvation of charges)

能量上有利的库仑电荷-电荷相互作用通常与相互作用电荷的不利去溶剂作用相反。结果,盐桥可能使折叠的蛋白质的结构不稳定。

有两种方法可以通过实验估算盐桥的自由能贡献:pK(a)方法和突变方法。

  • 在pK(a)方法中,电荷由蛋白质折叠时静电相互作用的变化引起的可电离基团的pK(a)的变化获得,从而使电荷对蛋白质的解离自由能有所贡献。 pK(a)方法提供了可电离基团带电时获得或损失的相对自由能。
  • 在突变方法中,相互作用电荷之间的耦合自由能是从双重突变循环中获得的。耦合自由能是电荷-电荷相互作用自由能的间接和近似度量。
  • pK(a)方法和突变方法都不能提供盐桥的净自由能。当前,这只能通过计算方法来获得,但是由于简化的假设以及计算所基于的结构信息不足,因此往往容易产生较大的不确定性。这种情况使盐桥能量的精确热力学定量变得非常困难

参考资料

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