生物化学与生物物理进展
生物化學與生物物理進展
생물화학여생물물리진전
PROGRESS IN BIOCHEMISTRY AND BIOPHYSICS
2006年
3期
231-240
,共10页
何小林%管荣津%张英%王大成
何小林%管榮津%張英%王大成
하소림%관영진%장영%왕대성
非脯氨酸顺式肽键%晶体结构%神经毒素%蝎Buthus martensii Karsch
非脯氨痠順式肽鍵%晶體結構%神經毒素%蝎Buthus martensii Karsch
비포안산순식태건%정체결구%신경독소%갈Buthus martensii Karsch
Non-proline cis peptide bond%crystal structure%α-like toxin%scorpion Buthus martensii Karsch
报道了以二聚体存在的dimo-BmKM1的1.4 (A)分辨率晶体结构.蛋白质中的肽键是局部双键,不可旋转,因此具有顺式(cis)和反式(trans)两种构型,它们不能通过旋转操作相互转换.非脯氨酸顺式肽键是指形成该肽键的氨基是由脯氨酸以外的氨基酸提供的(Xaa-nonPro),这类肽键的顺式构型的自由能远比反式高,因此极少出现在天然蛋白质结构中.事实上,在长时间中,多肽链的"反式肽键连接"被视为蛋白质结构的一条基本规则,把顺式肽键视为不可能.随着高分辨率精确蛋白质结构数量的增加,近年来有详细的统计分析揭示,非脯氨酸顺式肽键(Xaa-nPro)在蛋白质结构中出现的几率为0.03%～0.05%,而且大多存在于功能敏感的结构区域,可能具有重要意义.但由于所用的基本结构数据都来自晶体结构,对这种反常肽键是否由结晶环境影响而形成,存在疑问.此前曾在以单体形式存在的蝎神经毒素mono-BmKM1的高分辨率结构中发现其中肽键Pro9-His10是非脯氨酸顺式肽键,并详细分析了其结构-功能意义.以二聚体存在的dimo-BmK M1的1.4 (A)分辨率晶体结构表明,它与mono-BmK M1有不同的空间群、不同的分子堆积方式,不同的晶体环境.结构模型被高度精化,Rcryst达到0.109.dimo-BmK M1结构显示,在不对称单位中的两个M1分子在同一位置(残基9-10之间)都清晰地存在顺式肽键.立体化学分析显示,这一肽键的几何参数和局部结构与mono-BmK M1中的(9-10)顺式肽键基本相同.这一结果表明,非脯氨酸顺式肽键9-10的存在与结晶环境无关,是BmK M1分子的固有结构特征.在此基础上,综合分析了与顺式、反式肽键相关的结构元素,发现与残基(8-19)序列模体-KPXNC-(X为任意氨基酸)所决定的特征回折结构可能是分子内在的主要结构因素,其中第8位残基是Lys或Asp对决定肽键是顺式还是反式有关键作用.近来的突变实验及其晶体结构测定已证实,Lys8/Asp8是(9-10)肽键顺式/反式异构的结构开关,它们对该类分子与不同种属钠通道作用的专一选择性具有重要作用.通过BLAST搜索,发现在其他18个蛋白质中也存在相同的序列模体-KPXNC-,推测在这些蛋白质的相应肽键位置也可能存在反常的脯氨酸顺式肽键.
報道瞭以二聚體存在的dimo-BmKM1的1.4 (A)分辨率晶體結構.蛋白質中的肽鍵是跼部雙鍵,不可鏇轉,因此具有順式(cis)和反式(trans)兩種構型,它們不能通過鏇轉操作相互轉換.非脯氨痠順式肽鍵是指形成該肽鍵的氨基是由脯氨痠以外的氨基痠提供的(Xaa-nonPro),這類肽鍵的順式構型的自由能遠比反式高,因此極少齣現在天然蛋白質結構中.事實上,在長時間中,多肽鏈的"反式肽鍵連接"被視為蛋白質結構的一條基本規則,把順式肽鍵視為不可能.隨著高分辨率精確蛋白質結構數量的增加,近年來有詳細的統計分析揭示,非脯氨痠順式肽鍵(Xaa-nPro)在蛋白質結構中齣現的幾率為0.03%～0.05%,而且大多存在于功能敏感的結構區域,可能具有重要意義.但由于所用的基本結構數據都來自晶體結構,對這種反常肽鍵是否由結晶環境影響而形成,存在疑問.此前曾在以單體形式存在的蝎神經毒素mono-BmKM1的高分辨率結構中髮現其中肽鍵Pro9-His10是非脯氨痠順式肽鍵,併詳細分析瞭其結構-功能意義.以二聚體存在的dimo-BmK M1的1.4 (A)分辨率晶體結構錶明,它與mono-BmK M1有不同的空間群、不同的分子堆積方式,不同的晶體環境.結構模型被高度精化,Rcryst達到0.109.dimo-BmK M1結構顯示,在不對稱單位中的兩箇M1分子在同一位置(殘基9-10之間)都清晰地存在順式肽鍵.立體化學分析顯示,這一肽鍵的幾何參數和跼部結構與mono-BmK M1中的(9-10)順式肽鍵基本相同.這一結果錶明,非脯氨痠順式肽鍵9-10的存在與結晶環境無關,是BmK M1分子的固有結構特徵.在此基礎上,綜閤分析瞭與順式、反式肽鍵相關的結構元素,髮現與殘基(8-19)序列模體-KPXNC-(X為任意氨基痠)所決定的特徵迴摺結構可能是分子內在的主要結構因素,其中第8位殘基是Lys或Asp對決定肽鍵是順式還是反式有關鍵作用.近來的突變實驗及其晶體結構測定已證實,Lys8/Asp8是(9-10)肽鍵順式/反式異構的結構開關,它們對該類分子與不同種屬鈉通道作用的專一選擇性具有重要作用.通過BLAST搜索,髮現在其他18箇蛋白質中也存在相同的序列模體-KPXNC-,推測在這些蛋白質的相應肽鍵位置也可能存在反常的脯氨痠順式肽鍵.
보도료이이취체존재적dimo-BmKM1적1.4 (A)분변솔정체결구.단백질중적태건시국부쌍건,불가선전,인차구유순식(cis)화반식(trans)량충구형,타문불능통과선전조작상호전환.비포안산순식태건시지형성해태건적안기시유포안산이외적안기산제공적(Xaa-nonPro),저류태건적순식구형적자유능원비반식고,인차겁소출현재천연단백질결구중.사실상,재장시간중,다태련적"반식태건련접"피시위단백질결구적일조기본규칙,파순식태건시위불가능.수착고분변솔정학단백질결구수량적증가,근년래유상세적통계분석게시,비포안산순식태건(Xaa-nPro)재단백질결구중출현적궤솔위0.03%～0.05%,이차대다존재우공능민감적결구구역,가능구유중요의의.단유우소용적기본결구수거도래자정체결구,대저충반상태건시부유결정배경영향이형성,존재의문.차전증재이단체형식존재적갈신경독소mono-BmKM1적고분변솔결구중발현기중태건Pro9-His10시비포안산순식태건,병상세분석료기결구-공능의의.이이취체존재적dimo-BmK M1적1.4 (A)분변솔정체결구표명,타여mono-BmK M1유불동적공간군、불동적분자퇴적방식,불동적정체배경.결구모형피고도정화,Rcryst체도0.109.dimo-BmK M1결구현시,재불대칭단위중적량개M1분자재동일위치(잔기9-10지간)도청석지존재순식태건.입체화학분석현시,저일태건적궤하삼수화국부결구여mono-BmK M1중적(9-10)순식태건기본상동.저일결과표명,비포안산순식태건9-10적존재여결정배경무관,시BmK M1분자적고유결구특정.재차기출상,종합분석료여순식、반식태건상관적결구원소,발현여잔기(8-19)서렬모체-KPXNC-(X위임의안기산)소결정적특정회절결구가능시분자내재적주요결구인소,기중제8위잔기시Lys혹Asp대결정태건시순식환시반식유관건작용.근래적돌변실험급기정체결구측정이증실,Lys8/Asp8시(9-10)태건순식/반식이구적결구개관,타문대해류분자여불동충속납통도작용적전일선택성구유중요작용.통과BLAST수색,발현재기타18개단백질중야존재상동적서렬모체-KPXNC-,추측재저사단백질적상응태건위치야가능존재반상적포안산순식태건.
Non-proline cis peptide bond is rarely found in proteins. The recent surveys revealed that this unusual peptide configuration is by no means a curiosity, but overwhelmingly occurs at functionally important sites. However one still doubts whether it is related to crystal packing interactions, since all non-proline cis peptide bonds identified so far are from crystal structures. A toxin BmK M1 from the scorpion Buthus martensii Karsch have been crystallized as a dimer in space group P212121 with unit-cell dimensions a = 76.39 (A),b=52.77 (A), c=27.12 (A). This dimeric structure was solved by molecular replacement and refined to R=0.109 for all reflections at a resolution of 1.4 (A). The extensively refined structure definitely shows that the cis peptide bond Pro9-His10 equally occurs in both molecule A and molecule B in the dimer. The observation manifested that this striking non-proline cis peptide is not related to crystal packing, but caused by certain intrinsic factors. The detailed analyses and comparison with the structure of BmK M8, which is homologous to M1 but has trans peptide bond 9-10, showed that the five-residue reverse (8 ～12) with a consensus sequence (-KPXNC-) may be the intrinsic structural element for the cis form of this peptide bond. A pair of well organized main-chain hydrogen bond between residues 10 in cis unit and 64 at C-terminus forms main tertiary interactions to stabilize this energetically unfavorable peptide bond.
