[论文解读] Effect of hydrogen bonds on protein stability

Valentino Bianco, Svilen Iskrov+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2010

Material Dynamics and Properties参考文献 65被引用 3

一句话总结

本研究提出了一种水单层的粗粒化模型，能够捕捉氢键（HB）协同效应，并将其应用于模拟不同温度和压力下蛋白质的稳定性。通过蒙特卡洛模拟，该模型再现了P-T平面上的椭圆稳定性区域，展示了低温、高温及压力导致的变性，以及熔融球状状态，其中氢键网络的破坏是蛋白质展开的关键驱动力。

ABSTRACT

The mechanism of cold- and pressure-denaturation are matter of debate. Some models propose that when denaturation occurs more hydrogen bonds between the molecules of hydration water are formed. Other models identify the cause in the density fluctuations of surface water, or the destabilization of hydrophobic contacts because of the displacement of water molecules inside the protein, as proposed for high pressures. However, it is clear that water plays a fundamental role in the process. Here, we review some models that have been proposed to give insight into this problem. Next we describe a coarse-grained model of a water monolayer that successfully reproduces the complex thermodynamics of water and compares well with experiments on proteins at low hydration level. We introduce its extension for a homopolymer in contact with the water monolayer and study it by Monte Carlo simulations. Our goal is to perform a step in the direction of understanding how the interplay of cooperativity of water and interfacial hydrogen bonds affects the protein stability and the unfolding.

研究动机与目标

• 理解界面氢键与水的协同效应如何影响蛋白质的稳定性和展开过程。
• 开发一种能够再现受限水中复杂热力学行为的水单层粗粒化模型。
• 模拟疏水同聚物在不同温度（T）和压力（P）条件下与水单层接触时的折叠-展开行为。
• 在统一框架下研究低温、压力及热变性的机制。
• 将模型与实验相行为进行验证，并明确氢键网络在蛋白质稳定性中的作用。

提出的方法

• 开发一种显式考虑氢键（HB）协同效应的水单层粗粒化模型。
• 使用平均场计算和蒙特卡洛模拟研究水单层的热力学性质。
• 将模型扩展以包含一个排斥自避的疏水同聚物，作为与水层接触的简化蛋白质。
• 在一系列温度（T）和压力（P）条件下模拟系统，以绘制稳定性区域。
• 分析折叠和展开转变过程中水化壳中氢键（HBs）的数量和取向。
• 将模拟的相图和结构状态（折叠态、熔融球状态、展开态）与实验观测和理论预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 受限水中的氢键协同效应如何影响蛋白质在不同温度和压力下的稳定性？
• RQ2 粗粒化水单层模型能否再现蛋白质相图中观察到的椭圆稳定性区域？
• RQ3 水的氢键网络在驱动低温变性和压力诱导展开中起什么作用？
• RQ4 水化壳中氢键结构的涨落如何与蛋白质展开转变相关联？
• RQ5 该模型在不同热力学条件下在多大程度上能够捕捉到如熔融球状态等中间状态？

主要发现

• 该模型成功再现了P-T平面上的椭圆稳定性区域，与实验蛋白质相图一致。
• 低温变性发生在水化壳中氢键数量显著减少时，即使在低温下也发生。
• 压力变性与氢键数量减少及氢键网络破坏相关，尤其在高压下更为显著。
• 在中间条件下，系统表现出熔融球状态，其特征为部分塌陷且氢键数量部分减少但非零。
• 椭圆稳定性区域的轴发生倾斜，与理论预期和实验观测一致。
• 该模型成功再现了冷却、压力升高及温度升高导致蛋白质展开的现象，证实了三种变性途径。