Многообразие ролей гистидина во взаимодействиях белков

Введение: Среди 20 природных аминокислот гистидин наиболее активен и многофункционален: он участвует в разнообразных взаимодействиях белков и часто выступает ключевым остатком в каталитических реакциях ферментов. Комплексное теоретическое исследование структурных особенностей и свойств взаимодействий гистидина представляет значительный интерес.

Результаты: Количественно рассчитаны четыре типа взаимодействий гистидина: 1) катион–π-взаимодействия, в которых нейтральный гистидин (His) выступает в роли ароматического π-фрагмента, а протонированный (His+) — в роли катиона; 2) π–π-стэкинг между гистидином и другими ароматическими аминокислотами; 3) водородно-π-взаимодействия между гистидином и другими ароматическими аминокислотами; 4) координационные взаимодействия гистидина с металлическими катионами. Энергии π–π-стэкинга и водородно-π-взаимодействий рассчитаны методом CCSD/6-31+G(d,p). Энергии катион–π- и координационных взаимодействий рассчитаны методом B3LYP/6-31+G(d,p) с эмпирической поправкой на дисперсионную энергию.

Выводы: Координационные взаимодействия гистидина с металлическими катионами наиболее сильны и проявляются в широком диапазоне; далее следуют катион–π-, водородно-π- и π–π-стэкинговые взаимодействия. Нейтральный гистидин притягивается в катион–π-взаимодействиях, тогда как протонированный (His+) отталкивается. Притяжение и отталкивание в катион–π-взаимодействиях обратимо переключают две формы протонирования гистидина и соответствующие значения pKa. В белках энергия π–π-стэкинга нейтрального гистидина с ароматическими аминокислотами (Phe, Tyr, Trp) составляет от −3,0 до −4,0 ккал/моль, что значительно превышает энергию ван-дер-ваальсовых взаимодействий.