Aβ1-40中组氨酸互变异构的质子转移动力学研究：对阿尔茨海默病分子机制的量子力学洞察

《Communications Chemistry》：Insights into proton transfer dynamics in histidine tautomers of amyloid-β (1-40)

本研究针对阿尔茨海默病（AD）中淀粉样蛋白-β（Aβ）聚集机制的关键问题，聚焦于组氨酸（His）残基质子转移动力学的理论探索。研究人员采用量子力学分子动力学（QM-MD）结合元动力学（MTD）模拟，首次在Aβ1-40全蛋白水平揭示了水分子介导的His13/His14互变异构过程，测得质子转移能垒约为3.51 kcal mol-1，发现双质子化（p,p）构型为最稳定状态。这项发表于《Communications Chemistry》的研究为理解Aβ聚集的分子基础提供了重要理论依据，对AD病理机制研究和治疗策略开发具有重要意义。

　　

在日益老龄化的全球社会中，阿尔茨海默病（Alzheimer's Disease, AD）已成为威胁老年人健康的重大挑战。据世界卫生组织预测，到2050年全球痴呆症患者将超过1亿，其中AD是最主要的致病因素。这种神经退行性疾病的病理特征之一，是大脑中淀粉样蛋白-β（Amyloid-β, Aβ）肽段的异常聚集和沉积，形成具有神经毒性的淀粉样斑块。在众多试图解释AD发病机制的理论中，"组氨酸互变异构假说"近年来受到越来越多关注。该假说认为，Aβ肽段中组氨酸残基的互变异构状态变化，可能是触发蛋白质错误折叠和聚集的关键分子事件。

组氨酸是蛋白质中唯一具有咪唑环侧链的氨基酸，其独特的化学结构使其存在多种互变异构形式：δ型（N_δ-H）、ε型（N_ε-H）、双质子化型（p）和去质子化型（dp）。在Aβ_1-40（由40个氨基酸组成的Aβ亚型）中，第13位和14位恰好是两个相邻的组氨酸残基（His13和His14），这为研究它们之间的质子转移和互变异构提供了理想模型。然而，由于蛋白质体系的复杂性、溶剂效应的影响以及大规模量子化学计算的挑战，组氨酸互变异构的质子转移动力学在完整蛋白质环境中一直缺乏深入探索。

为了解决这一难题，由韩国成均馆大学和日本早稻田大学联合组成的研究团队在《Communications Chemistry》上发表了他们的最新研究成果。他们采用先进的量子力学模拟方法，首次在接近生理环境的条件下，揭示了Aβ_1-40中组氨酸残基质子转移的分子机制和能量景观。

研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：首先通过经典分子动力学（MD）模拟筛选出具有β-片层结构特征的δδ异构体作为研究对象；随后运用分治密度泛函紧束缚（Divide-and-Conquer Density-Functional Tight-Binding, DC-DFTB）方法进行量子力学分子动力学（QM-MD）模拟，该系统包含约3000个原子；最后结合二维良 tempered元动力学（2D Well-Tempered Metadynamics, 2D WTMTD）增强采样技术，以组氨酸残基的氢配位数作为集体变量（Collective Variables, CVs），精确构建了质子转移过程的自由能面（Free Energy Surface, FES）。

结构演化从MD模拟

通过200 ns的经典MD模拟比较四种组氨酸互变异构体（δδ、δε、εδ和εε）的构象行为，研究发现δδ异构体表现出10%的β-片层结构特征，特别是在Arg5-His6和Gly38-Val39区域。这种β-片层丰富的构象已知在淀粉样蛋白中具有高度毒性，因此选择δδ异构体作为后续QM研究的起点。蛋白质骨架的均方根偏差（RMSD）分析证实系统达到良好平衡。

DC-DFTB分子动力学

径向分布函数（RDF）分析显示，水分子在His13和His14残基周围呈现特定分布模式。对于His13，水分子氧原子与N_δ-H的RDF在1.90 ?处出现明显峰，而水分子氢原子与N_ε原子的RDF峰值在2.30 ?。特别值得注意的是，在100 ps的DC-DFTB-MD平衡过程中，观察到了His14残基与水分子的质子转移现象：在4.80 ps时，水分子W1的O-H键从0.95 ?延长至1.61 ?，同时氢原子接近N_ε原子至1.08 ?距离，最终完成质子转移，形成1.01 ?的N-H键，水分子转变为氢氧根离子。Mulliken电荷分析显示，His14的N_ε原子电荷从-0.9 e变为-0.6 e，表明其转变为质子化状态，而His13保持δ状态，证明Aβ_1-40从初始的（δ,δ）形式转变为（δ,p）状态。

质子转移动力学从元动力学（MTD）模拟

二维自由能面分析揭示了组氨酸互变异构的详细能量景观。最低能量点（0.00 kcal mol^-1）出现在（CV1,CV2）≈（1.9,2.0）处，对应最稳定的双质子化（p,p）互变异构体。另一个局部极小值出现在（1.9,1.4）处，能量为2.30±0.20 kcal mol^-1，可能对应His14处于δ或ε形式。关键的是，在（1.9,1.6）处的鞍点能量为5.81±0.50 kcal mol^-1，表明质子转移的能垒为3.51 kcal mol^-1。重复性实验进一步验证了这一结果的可靠性，测得能垒约为3.67 kcal mol^-1。

通过分析2D WTMTD模拟过程中的轨迹和Mulliken电荷变化，研究人员详细重构了质子转移路径。在模拟过程中，观察到水分子网络介导的复杂质子交换：HIS13主要保持质子化状态，仅有小部分时间处于δ状态；而HIS14在p和ε状态之间波动。这表明Aβ_1-40最稳定的构型是（p,p）互变异构体，其次是（p,ε）形式，而非初始的（δ,δ）形式。这种偏好源于N_ε原子从周围水分子接受质子的能力强于N_δ-H键的断裂倾向，且N_δ-H键的强度大于N_ε-H键。

本研究通过结合MD和DC-DFTB/MTD模拟，成功揭示了水分子介导的Aβ_1-40互变异构体质子转移机制。研究不仅量化了质子转移过程的能垒（约3.51 kcal mol^-1），还通过径向分布函数、自由能面、氢配位数和Mulliken电荷变化等多维度数据，提供了对Aβ_1-40互变异构动态过程的深入理解。

这项研究的发现具有多重重要意义：首先，它首次在完整蛋白质水平上量化了组氨酸互变异构的质子转移能垒，为"组氨酸互变异构假说"提供了坚实的理论依据；其次，研究证实双质子化（p,p）状态是Aβ_1-40中最稳定的组氨酸构型，这与前人研究中观察到的质子化Aβ单体和高聚体具有更高β-片层含量的结果一致，解释了Aβ聚集的结构基础；最后，研究方法学上的创新——将DC-DFTB方法应用于大规模生物分子体系的量子动力学模拟，为未来研究类似复杂生物系统中的质子转移过程建立了可行框架。

这项研究不仅增进了我们对阿尔茨海默病分子机制的理解，也为开发针对组氨酸互变异构过程的干预策略提供了新思路。通过揭示水分子网络中质子转移的精细机制，本研究为理解Aβ蛋白聚集的早期事件提供了重要见解，有望为阿尔茨海默病的预防和治疗策略带来新的启示。