2つの水素結合はいつ1つより優れていますか？正確な第一原理モデルは、タンパク質に含まれる水素結合ドナーとアクセプターのバランスを説明しています

水素結合（HBS）は酵素の構造と触媒作用に重要な役割を果たしますが、タンパク質におけるHBSの完全な理解は、最新の構造（すなわち、X線回折）技術の解決に挑戦し、相関から要求の厳しい電子構造方法を計算することを義務付けます。予測精度の波動関数理論。多数のアミノ酸サイドチェーンには、HBアクセプターまたはドナー（HBA/HBD）として作用し、同時に無効なHB相互作用を形成することができる機能群（たとえば、Ser/ThrまたはTyrまたはTyrおよびAsn/Glnのアミドのヒドロキシル）が含まれています。各相互作用の相対的なエネルギーの利点を理解するために、正確な結合クラスター理論計算で、代表的なモデルシステムのポテンシャルエネルギー表面を特徴付けます。これらのエネルギー論のタンパク質のこれらの相互作用のバランスとの関係を明らかにするために、高解像度タンパク質構造における500以上の4000 HBSをキュレートします。モデルシステムが好まれるHB構造特性を正確に予測することを示します。Tyrは、ser/thrの2つの同等の強度とは対照的に、Tyrがn-h o hbsよりもかなり強いため、芳香族Tyrと脂肪族Ser/Thr HydroxylsのHbA/HBDの好みに違いが明らかです。この残留物特異的な区別にもかかわらず、残基ペアのすべてのモデルは、両性機能性HBにおける同時HBAとHBD相互作用のエネルギー的な利点を示しています。安定化は、幾何学的制約と多体の電子効果の両方による添加剤の最大値よりも少ないが、幅広い両性機能性HBジオメトリは、単一のHB相互作用よりも有利だ。

Hydrogen bonds (HBs) play an essential role in the structure and catalytic action of enzymes, but a complete understanding of HBs in proteins challenges the resolution of modern structural (i.e., X-ray diffraction) techniques and mandates computationally demanding electronic structure methods from correlated wavefunction theory for predictive accuracy. Numerous amino acid sidechains contain functional groups (e.g., hydroxyls in Ser/Thr or Tyr and amides in Asn/Gln) that can act as either HB acceptors or donors (HBA/HBD) and even form simultaneous, ambifunctional HB interactions. To understand the relative energetic benefit of each interaction, we characterize the potential energy surfaces of representative model systems with accurate coupled cluster theory calculations. To reveal the relationship of these energetics to the balance of these interactions in proteins, we curate a set of 4000 HBs, of which >500 are ambifunctional HBs, in high-resolution protein structures. We show that our model systems accurately predict the favored HB structural properties. Differences are apparent in HBA/HBD preference for aromatic Tyr versus aliphatic Ser/Thr hydroxyls because Tyr forms significantly stronger O-H⋯O HBs than N-H⋯O HBs in contrast to comparable strengths of the two for Ser/Thr. Despite this residue-specific distinction, all models of residue pairs indicate an energetic benefit for simultaneous HBA and HBD interactions in an ambifunctional HB. Although the stabilization is less than the additive maximum due both to geometric constraints and many-body electronic effects, a wide range of ambifunctional HB geometries are more favorable than any single HB interaction.