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Interplay of Hydrogen Bonds and n→π* Interactions in Proteins

化学 氢键 分子 有机化学
作者
Gail J. Bartlett,Robert W. Newberry,Brett VanVeller,Ronald T. Raines,Derek N. Woolfson
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:135 (49): 18682-18688 被引量:137
标识
DOI:10.1021/ja4106122
摘要

Protein structures are stabilized by multiple weak interactions, including the hydrophobic effect, hydrogen bonds, electrostatic effects, and van der Waals interactions. Among these interactions, the hydrogen bond is distinct in having its origins in electron delocalization. Recently, another type of electron delocalization, the n→π* interaction between carbonyl groups, has been shown to play a role in stabilizing protein structure. Here we examine the interplay between hydrogen bonding and n→π* interactions. To address this issue, we used data available from high-resolution protein crystal structures to interrogate asparagine side-chain oxygen atoms that are both acceptors of a hydrogen bond and donors of an n→π* interaction. Then we employed natural bond orbital analysis to determine the relative energetic contributions of the hydrogen bonds and n→π* interactions in these systems. We found that an n→π* interaction is worth ∼5–25% of a hydrogen bond and that stronger hydrogen bonds tend to attenuate or obscure n→π* interactions. Conversely, weaker hydrogen bonds correlate with stronger n→π* interactions and demixing of the orbitals occupied by the oxygen lone pairs. Thus, these two interactions conspire to stabilize local backbone–side-chain contacts, which argues for the inclusion of n→π* interactions in the inventory of non-covalent forces that contribute to protein stability and thus in force fields for biomolecular modeling.

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