Response of a Protein Structure to Cavity-Creating Mutations and Its Relation to the Hydrophobic Effect

化学 结晶学 丙氨酸 溶菌酶 突变体 体积热力学 鼹鼠 水溶液 分子 溶剂 立体化学 氨基酸 物理化学 有机化学 热力学 生物化学 物理 基因
作者
A.E. Sauer-Eriksson,Walter A. Baase,X.‐J. Zhang,Dirk W. Heinz,Michael Blaber,Enoch P. Baldwin,Brian W. Matthews
出处
期刊:Science [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:255 (5041): 178-183 被引量:920
标识
DOI:10.1126/science.1553543
摘要

Six "cavity-creating" mutants, Leu46----Ala (L46A), L99A, L118A, L121A, L133A, and Phe153----Ala (F153A), were constructed within the hydrophobic core of phage T4 lysozyme. The substitutions decreased the stability of the protein at pH 3.0 by different amounts, ranging from 2.7 kilocalories per mole (kcal mol-1) for L46A and L121A to 5.0 kcal mol-1 for L99A. The double mutant L99A/F153A was also constructed and decreased in stability by 8.3 kcal mol-1. The x-ray structures of all of the variants were determined at high resolution. In every case, removal of the wild-type side chain allowed some of the surrounding atoms to move toward the vacated space but a cavity always remained, which ranged in volume from 24 cubic angstroms (A3) for L46A to 150 A3 for L99A. No solvent molecules were observed in any of these cavities. The destabilization of the mutant Leu----Ala proteins relative to wild type can be approximated by a constant term (approximately 2.0 kcal mol-1) plus a term that increases in proportion to the size of the cavity. The constant term is approximately equal to the transfer free energy of leucine relative to alanine as determined from partitioning between aqueous and organic solvents. The energy term that increases with the size of the cavity can be expressed either in terms of the cavity volume (24 to 33 cal mol-1 A-3) or in terms of the cavity surface area (20 cal mol-1 A-2). The results suggest how to reconcile a number of conflicting reports concerning the strength of the hydrophobic effect in proteins.
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