ヘモグロビン協同性の変異原性解剖：酸素およびデオキシ四量体のサブユニットアセンブリに対するアミノ酸変化の影響

酸素結合サブユニットアセンブリと協調的相互作用の自由エネルギーは、特定の部位での突然変異または化学修飾の結果としてアミノ酸変化によって異なる34分子種のヒトヘモグロビンについて決定されています。これらの研究では、以前の方法論への拡張の開発が必要でした。以前の結果と組み合わせて、同じ条件下で特徴付けられる60のヘモグロビン種のデータベースを含んでいます。データベースは、次の5つの問題に関して分析されました。（1）サイトの変更に対する範囲と感度。デオキシテトラマーは、酸素種よりも構造的修飾に対する平均的なエ​​ネルギー応答が大きいことを示しましたが、範囲は2つのライゲーション形式で類似しています。（2）協同的自由エネルギーの構造局在。二量体テトラマーアセンブリ（酸素マイナスデオキシ）の差エネルギーは、各ヘモグロビン、つまり、4つの結合ステップすべてにわたって酸素親和性の変調に使用される自由エネルギーにデルタGCを生成しました。これらの結果から構築された構造エネルギーマップは、アルファ1ベータ2インターフェイスが、協同性とエネルギー的に結合された非共有結合相互作用のユニークな構造位置であることを示しています。（3）協同性と固有の結合の関係。変異体の解離した二量体の酸素結合エネルギーは、協同性と内因性結合が四量体から二量体解離まで完全に分離されていることを強く示しています。（4）添加剤、サイトサイトの結合、および潜在的な摂動。これらはすべて、この研究の個別の修正によって展示されています。大きな非適性は、グローバルな（第四紀）構造の変化と相関する可能性があります。（5）残留位置と化学的性質。機能的応答は、サイトのサブセットの構造的位置によってのみ決定されますが、他のサイトではサイドチェーンタイプによって異なります。現在のデータベースは、タンパク質とアロステリックメカニズムの構造化学における基本的な問題のさらなる分析とモデリングのためのユニークなフレームワークを提供します。

Free energies of oxygen-linked subunit assembly and cooperative interaction have been determined for 34 molecular species of human hemoglobin, which differ by amino acid alterations as a result of mutation or chemical modification at specific sites. These studies required the development of extensions to our earlier methodology. In combination with previous results they comprise a data base of 60 hemoglobin species, characterized under the same conditions. The data base was analyzed in terms of the five following issues. (1) Range and sensitivity to site modifications. Deoxy tetramers showed greater average energetic response to structural modifications than the oxy species, but the ranges are similar for the two ligation forms. (2) Structural localization of cooperative free energy. Difference free energies of dimer-tetramer assembly (oxy minus deoxy) yielded delta Gc for each hemoglobin, i.e., the free energy used for modulation of oxygen affinity over all four binding steps. A structure-energy map constructed from these results shows that the alpha 1 beta 2 interface is a unique structural location of the noncovalent bonding interactions that are energetically coupled to cooperativity. (3) Relationship of cooperativity to intrinsic binding. Oxygen binding energetics for dissociated dimers of mutants strongly indicates that cooperativity and intrinsic binding are completely decoupled by tetramer to dimer dissociation. (4) Additivity, site-site coupling and adventitious perturbations. All these are exhibited by individual-site modifications of this study. Large nonadditivity may be correlated with global (quaternary) structure change. (5) Residue position vs. chemical nature. Functional response is solely dictated by structural location for a subset of the sites, but varies with side-chain type at other sites. The current data base provides a unique framework for further analyses and modeling of fundamental issues in the structural chemistry of proteins and allosteric mechanisms.