《阳离子-π相互作用及其在膜蛋白中的作用》文献翻译
题目：Cation-π Interactions and their Functional Roles in Membrane Proteins摘要：阳离子-π相互作用（Cation-π interactions）是由于带正电荷的实体（positively charged entities)与芳香族的π-电子云(π-electron cloud of aromatic groups)之间有很强的吸引力而产生的。阳离子-π相互作用的物理化学特性特别适合于膜蛋白的疏水/亲水双重环境。随着膜蛋白的高分辨率结构数据使分子特征越来越清晰，阳离子-π相互作用作为膜蛋白化学、功能和药理学的重要贡献因素，得到越来越多关注。在这里，我们回顾了阳离子-π相互作用的物理化学性质，并提出了几个突出的例子，证明了这一生化现象的重要作用。1. 介绍：1.1 物理化学性质阳离子-π相互作用是阳离子和附近π系统之间的短程（short-range）非共价（noncovalent ）相互作用（图1）。在膜生物学（membrane biology）的研究中，这些能量上很显眼的（energetically significant）相互作用具有许多优势特征，这些特征在使用气体和有机相“还原系统”（“reduced systems”）结合从头计算（ ab initio computations）的研究中得到了强调。例如，虽然在酸性羧酸基团(Glu, Asp)和碱性基团(Arg, Lys)之间形成的盐桥的强度主要取决于两个带电中心之间的距离(r)，但是阳离子-π相互作用有一个额外的几何“面”（“en face”的先决条件，即要求阳离子直接与芳香族分子的面接触。这种配位几何结构允许阳离子直接与芳香环的四极矩（quadrupole moment）相互作用。在阳离子-π相互作用中，极化驱动（polarization-driven）的吸引力来自两个不同的项。第一项来自于阳离子产生的电场，它使芳香侧链的π-电子云发生极化。第二项与芳香环的感生偶极矩（induced dipole moment）有关，它通过静电势（electrostatic potential）与极化正电荷（polarizing positive charge）相互作用。综上所述，造成阳离子-π相互作用中感应效应（induction effects）的近程势吸引部分（attractive part of the short-range potential）可以通过  项作形式上的定量描述（formally described analytically），该项是被添加到非极化力场（non-polarizable force fields）中，以近似经典模拟中的阳离子-π相互作用。对于有兴趣的读者，关于通过显式积分（explicit integration）在形式上涵盖入感应现象（induction phenomena）的计算研究的细节，和”成对相加近似“（pairwise additive approximation）框架内的其他模型的发展，在其他地方有更广泛的描述。在生物学中，阳离子可以在蛋白质的基本侧链中找到，也可以在许多不同的配体、毒素、其他小分子，甚至可能与蛋白质密切相互作用的离子中找到（图1）。同样，阳离子-π相互作用中的π电子（π-electron partner）可以由芳香侧链(Phe、Tyr或Trp)提供，也可以由配体的芳香基团（aromatic moiety）提供。注意，组氨酸的侧链可以在形式上（formally）作为阳离子或芳香基团，因此需要特别考虑。对于精氨酸的胍基部分（本身就是一个分散的π-体系），它可以通过平行（堆叠）或垂直（T型）几何形状与芳香分子相互作用(图u202f1(B))。膜蛋白暴露在混合的脂质和水环境中，其中，阳离子-π相互作用扮演着重要角色，并经常在蛋白表面被发现。这表明与盐桥（salt bridges，通常在蛋白的内部或两个蛋白之间的界面上发现）相比，阳离子-π相互作用对溶剂屏蔽效应（screening effects）有更好的抵抗性（resilience）。虽然Asp/Glu和Arg/Lys残基之间的盐桥可以在低介电介质（low-dielectric medium）中达到接近共价键的强度(约60u202fkcal/mol)，但这种相互作用强度随着溶剂化而迅速消散。相反，在低介电环境(~ 20u202fkcal/mol)中比盐桥弱的阳离子-π相互作用，受溶剂化的影响较小。据此估计，在水中，阳离子-π相互作用比类似盐桥强2.5- 10倍。正如Gallivan和Dougherty所提出的，水环境中，相对于盐桥来说阳离子-π相互作用的抵抗性，至少可以部分用这样一个事实来解释：盐桥要在水中形成，相互作用的双方都必须付出脱溶的能量”惩罚“（energetic desolvation penalty），而在阳离子-π相互作用中只有阳离子受到这种”惩罚“。环境抵抗性（environmental resilience）和阳离子-π相互作用的几何依赖性（geometric dependence）所蕴含的机理（mechanistic implications），对膜嵌入蛋白（membrane-embedded proteins）在其功能过程中所经历的各种生物环境可能有着深远意义。1.2 生物学中一种量化阳离子-π相互作用的方法待表征的阳离子-π相互作用的生物学作用在实验上不容易量化。通过传统的诱变（mutagenesis ）去除苯(Phe)、苯酚(Tyr)或吲哚(Trp)部分的侧链，将完全去除芳香族的π-电子贡献（π-electron contribution）以及大部分的空间位阻（steric）和疏水性质。如果一个特定的表型（phenotype ）在被非芳香族氨基酸（但仍然是疏水的，如Leu）取代后仍然存在，那么可以排除阳离子-π相互作用的功能要求（functional requirement）。然而，目前没有这样的“自然”取代（“natural” substitution）能实现阳离子-π相互作用的能量估计（energetic estimation）或验证（validation ）。为此，芳香侧链的连续氟化（serial fluorination）已成为实验研究阳离子-π相互作用及其在维持功能中的重要性的首选方法。对氢原子来说吸电子（electron-withdrawing）的氟取代几乎是空间等同的（isosteric ），并且不改变芳香的平面性（planarity ）(图u202f2(A))。重要的是，连续的氟取代以线性方式从芳香面撤去电子密度。因此，随着阳离子-π相互作用中静电成分（electrostatic component）的耗散，每个氟原子的加入都会导致阳离子-π结合能的近似相等的下降（approximately equal drop）。注意，如上所述，阳离子-π相互作用无疑涉及静电作用（electrostatics）之外的其他类型的分子间作用力（intermolecular forces）。也就是说，静电作用可以有效预测（highly predictive）阳离子-π相互作用的总体强度。实验上，阳离子- π相互作用能量的损失可以反映在结合亲和力（binding affinity）或有效性（在配体的情况下）或生理性质的变化（shifts in biophysical properties）如离子通道的门控能学（gating energetics）。对于一个真正的（bona fide）阳离子-π相互作用对，将每个氟-芳香条件下的实验结合能与一个理想体系（例如Na离子结合苯）的计算结合能进行绘图，将揭示一个线性关系。尽管该方法在分析阳离子-π相互作用的重要性方面具有强大的力量，但氟-芳香氨基酸的位点特异性编码（encoding）是一项需要遗传密码扩展方法的烦杂的工作。对于耐受原核表达的蛋白质，已经开发了一些自养变体（autotrophic variants ），用于编码一些氟芳香化合物，以响应自然密码子（natural codons）。然而，需要更复杂的化学-生物学方法来进行氟芳烃的位点特异性编码，特别是在真核膜蛋白（eukaryotic membrane proteins）内。《蛋白质-配体结合中的阳离子-π相互作用：理论和数据挖掘揭示了赖氨酸和精氨酸的不同作用》【Cation–π interactions in protein–ligand binding: theory and data-mining reveal different roles for lysine and arginine，2018，Chemical Science】节选翻译2. 膜蛋白中的阳离子-π相互作用例子阳离子-π相互作用的生物实例可被认为是属于两大类的。第一类是那些在蛋白质内部或之间发现的，涉及碱性和芳香族氨基酸，而第二类包括可溶性配体和受体。前者可能对稳定整体结构或特定的构象状态很重要，并且在PDB结构数据库以可溶性蛋白质为主时，观察到已知结构的蛋白质中存在大量的阳离子-π相互作用。这是由于历史上独特的膜蛋白结构的匮乏，随着蛋白质工程方法的发展以及单颗粒低温电镜的发展，这种情况已经开始改变。为了估计膜蛋白内阳离子-π相互作用的丰度和性质，我们对已知结构的离子通道和G蛋白偶联受体（GPCRs）的芳香族（Phe/Tyr/Trp）和碱性（Arg/Lys）残基之间的接近性进行了调查（分别为203和99个）。这些结构来自不同分辨率和质量的数据；因此，在分配可能的阳离子-π相互作用时应谨慎行事。对于有能量意义的阳离子-π相互作用，已经提出了一系列的距离阈值，从小于3.7埃到6埃，取决于所涉及的分子。相对于芳香环法线的接近角θ也是一个重要的因素，因为超过45°，相互作用就变得不利了。图3显示了8埃内所有相互作用的距离和相关的接近角。对于赖氨酸来说，最可能成为真正阳离子-π相互作用的氨基酸对由位于三维图左近的高条代表，其特点是最小的分离和与理想接近角的偏差（图3（A）和（C））。在精氨酸与芳香族氨基酸相互作用的情况下，最受欢迎的堆积相互作用集中在接近角（θ1、θ2）接近0°的地方（图3（B）和（D））。在这个区域，胍基与π电子云的理想排列明显占优势，这与近距离（大约3.5Å距离）有关。如前所述，Arg也可以通过另一种T形组织形成阳离子-π相互作用。在这幅图中，T型组织将涉及θ1和θ2的角度分别接近0°和90°。就简单的距离而言，这些数据的统计给人的总体印象是，与赖氨酸（分别在4、5、6埃内发生58、386和949次）相比，涉及精氨酸的阳离子-π相互作用的可能性更大（分别在4、5、6埃内发生118、714和1781次）；因此反映了以前在可溶性蛋白质中发现的比例。【备注：似乎对于阳离子-π相互作用的表征，尚集中于对已有现象的统计，而其背后的驱动力探究还很少，是静电吗，是色散吗，还是其他什么作用？所以有可能在分子模拟中本身就是难以模拟出来的？】《Molecular modelling of cation–π interactions》中：cation–π作用的对象是：一个亲水的阳离子基团，与一个疏水的芳香基团。在传统的分子模拟中，一个假设是疏水分子应该出现在非极性环境中。《Interfacial tryptophan residues: A role for the cation–π effect?》一文研究了跨膜蛋白gramicidin A的Trp残基与POPE和POPC脂质双分子层的带电头基（POPE为铵，POPC为三甲基铵）之间的阳离子-π相互作用。除了埋藏较深的Trp4，所有表面Trp残基（Trp9、Trp11和Trp13）都被观察到在POPE膜上形成阳离子-π相互作用。