Salt bridge, one of the representative structural factors established by non-covalent interactions, plays a crucial role in stabilizing the structure and regulating the protein function, but its role in dynamic processes has been elusive. Here, to scrutinize the structural and functional roles of the salt bridge in the process of performing the protein function, we investigated the effects of salt bridges on the allosteric structural transition of homodimeric hemoglobin (HbI) by applying time-resolved X-ray solution scattering (TRXSS) to the K30D mutant, in which the interfacial salt bridges of wild type (WT) are abolished. The TRXSS data of K30D is consistent with the kinetic model that requires one monomer intermediate in addition to three structurally distinct dimer intermediates observed in WT and other mutants. The kinetic and structural analyses show that K30D has an accelerated biphasic transition compared to WT and lacks significant structural changes in the transition from R-like intermediate to T-like intermediate observed in WT, unveiling that the loss of the salt bridges interrupts R-T allosteric transition of HbI. Besides, the correlation between the bimolecular CO recombination rates in K30D, WT, and other mutants, reveals that the bimolecular CO recombination is abnormally decelerated in K30D, indicating that the salt bridges also affect the cooperative ligand binding in HbI. These comparisons of the structural dynamics and kinetics of K30D and WT render that the interfacial salt bridges not only assist the physical connection of two subunits but also play a critical role in the global structural signal transduction of one subunit to the other subunit via a series of well-organized structural transitions.
비공유 상호작용에 의해 확립된 대표적 구조적 요인 중 하나인 염다리는 단백질의 구조를 안정화하고 기능을 조절하는 데 중요한 역할을 하지만 단백질의 동적 과정에서의 역할은 파악하기 어려웠다. 본 논문에서는 시간분해 엑스선 용액상 산란법을 적용하여 단백질이 기능을 수행하는 과정에서 염다리가 단백질의 기능에 어떠한 구조적 및 기능적 역할을 하는지 밝혀내었다. 인간 헤모글로빈의 모델 시스템인 동종이량체 헤모글로빈의 야생형과 돌연변이체(K30D)를 대상 단백질로 선정하여 동역학 및 구조 분석을 진행하였다. 해당 돌연변이체는 야생형의 단백질 계면에 위치한 염다리를 폐지시켜 만들었으며 야생형과의 대조를 통하여 염다리의 역할을 밝히는 데에 핵심적인 역할을 하였다. 분석 결과 염다리가 손실되면 야생형에 비교하여 이량체 중간체 외에 단량체 중간체가 추가로 생성되며, 리간드 결합과정에서 일어나는 구조 변화인 알-티 알로스테릭 전환이 제한된다는 것이 밝혀졌다. 또한 야생형과 여러 돌연변이체들의 일산화탄소 재조합 속도 사이의 상관관계로부터 염다리가 동종이량체 헤모글로빈의 협력 리간드 결합에도 영향을 미친다는 것을 알아냈다. 즉, 단백질 계면의 염다리가 두 개의 하위 단위의 물리적 연결을 도울 뿐만 아니라 일련의 고도로 조직된 구조적 전이를 통해 한 하위 단위에서 다른 하위 단위로의 광범위한 구조적 신호 변환의 역할을 한다는 것이다.
