Indukce dipólů peptidových vazeb vede ke kooperativní tvorbě šroubovice v peptidu (AAQAA)3 | CDhistory

Výsledky a diskuse

Obsah šroubovic ze simulací HREMD v závislosti na teplotě je znázorněn na obr. 1 pro silová pole Drude-2013 a C36 spolu s experimentálními NMR daty (27) a dříve uvedenými výsledky pro C36 získanými ze simulací výměny teplotních replik (11). Hodnoty NMR vycházejí z měření chemického posunu karbonylu při sedmi teplotách od 269 do 363 K, které provedli Shalongo a Stellwagen, a jsou vypočteny pomocí tabulky 1 a rovnice 2 v odkazu (27). Frakční šroubovice pro jednotlivé systémy v závislosti na čase je uvedena na obr. S1. Při teplotě 300 K Drudeho simulace předpovídá obsah šroubovice 25 %, což je o něco více než odhady 19 % a 22 % z měření NMR a kruhového dichroismu (26). Při 280 K je obsah šroubovic (34 %) menší než obsah získaný z NMR experimentů (40 %), zatímco při vyšší teplotě (340 K) je odchylka malá (4 % oproti 3 %). Kvalitativně Drudeho polarizovatelné silové pole předpovídá určité množství šroubovice při 300 K a téměř žádnou šroubovici při vyšší teplotě 340 K, zatímco většina aditivních silových polí vede buď k tvorbě šroubovice při obou teplotách, nebo k žádné šroubovici při obou teplotách (9-11). Poznamenáváme, že dosažení úplné konvergence vzorkování peptidů, jak je vyžadováno pro výpočet obsahu šroubovice, je náročné, a uznáváme, že naše výsledky nejsou plně konvergentní; nicméně shoda mezi současnými výsledky výměny C36 a dříve publikovanými výsledky výměny teplotních replik pro obsah šroubovice naznačuje, že přístup HREMD přinesl výsledky, které byly reprezentativní pro experimentální režim.

Soulad s experimentálními daty je přítomen také na základě jednotlivých reziduí, jak ukazuje obr. 2. Například Drudeho simulace ukazující, že C-koncový alaninový zbytek je vždy ve svinutém stavu, je v souladu s experimentálními měřeními chemického posunu NMR (27). Sklon ke šroubovici na N-konci je vyšší než na C-konci kvůli přítomnosti acetylové skupiny, která může vytvářet vodíkovou vazbu i na i + 4, která stabilizuje šroubovici, jak je patrné ze simulačních i NMR dat. Toto správné ošetření sekvenční závislosti dále ukazuje na kvalitu Drudeho modelu při ošetření rovnováhy spirály a šroubovice. U C36 není přídavná šroubovicová tendence na N-konci přítomna, ačkoli byla pozorována v předchozí studii (32).

Další analýza zahrnovala rozložení délek šroubovic během simulací. Na obr. 3 jsou uvedeny pravděpodobnosti pozorování n po sobě jdoucích zbytků v oblasti α. Při teplotě 340 K, přestože Drudeho model předpovídá pouze 4,2% zlomek šroubovice, jsou přítomny dlouhé šroubovicové segmenty, přičemž pravděpodobnost pozorování šroubovic o délce devíti zbytků (1,1 %) je vyšší než u šroubovice o sedmi zbytcích. Takové rozdělení pravděpodobnosti je výraznější při teplotě 300 K, s maximem při 12 zbytcích, což odpovídá průměrné délce šroubovice v proteinech (45). Při 280 K je maximum u šroubovic o něco kratší než při 300 K, i když kooperativní povaha skládání je stále zřejmá vzhledem k převaze šroubovic o 8 až 10 zbytcích nad kratšími šroubovicemi. V aditivních simulacích nejsou při žádné teplotě pozorovány distribuce s vyšším vzorkováním pro delší šroubovice, přičemž nejpočetnější jsou krátké šroubovice. Určitý důkaz kooperativity je však přítomen při teplotách 280 a 300 K, jak naznačuje přítomnost malých vrcholů v distribucích při n = 10. Tyto výsledky naznačují, že Drudeho model má výrazně větší míru kooperativity při skládání než aditivní model C36.

Je třeba také zdůraznit, že celková průměrná frakce šroubovice se rovná součtu pravděpodobností (jak je uvedeno na obr. 3) vynásobených příslušnými délkami šroubovic, takže delší šroubovice mají mnohem větší podíl na uváděném obsahu šroubovic v polarizovatelném modelu. Například pro Drudeho model při teplotě 300 K představují šroubovicové segmenty o délce 10 a více zbytků 78 % pozorovaných šroubovic, zatímco u silového pole C36 přispívají tyto dlouhé šroubovice pouze 25 %. Tyto výsledky dále podporují situaci s polarizovatelným silovým polem, kdy jakmile je šroubovice jednou založena, má větší tendenci se prodlužovat, což přináší výraznější nárůst výběru dlouhých šroubovic, který je znázorněn na obr. 3.

Přestože má Drudeho model větší sklon k tvorbě šroubovicových stavů ve srovnání s aditivním modelem, upřednostňuje také prodlouženější nesložené stavy. To naznačuje průměrný poloměr gyrace (AAQAA)3 pro svinuté stavy (tj. ty, které neobsahují žádný α-helix), který je 10,9 Å a 10,0 Å pro Drudeho a C36 simulace při teplotě 300 K, v tomto pořadí. To souvisí s tím, že Drudeho model poskytuje výraznější bimodální rozložení poloměru gyrace ve srovnání s modelem C36, jak ukazuje obr. S4. Tyto výsledky dále naznačují kooperativitu tvorby šroubovice v polarizovatelném silovém poli Drude.

Abychom pochopili silnou kooperativitu skládání s polarizovatelným silovým polem Drude na mikroskopické úrovni, analyzovali jsme distribuce páteřních ϕ, ψ pro šroubovicové zbytky, protože toto vzorkování bylo použito k vysvětlení zvýšené teplotní závislosti, kterou přináší potenciál CMAP modelu C36 ve srovnání s jinými aditivními silovými poli (11,32). Průměrné populace zbytků v široké oblasti αR, α+ (viz obr. S2), v přísnější oblasti α a ve šroubovicových segmentech (%α-helix), jak jsou definovány třemi po sobě jdoucími šroubovicovými zbytky, jsou uvedeny v tabulce 1 pro simulace při teplotě 300 K. Ačkoli polarizovatelné silové pole poskytuje nejvyšší frakci šroubovice na základě %α i %α-helixu, má nejnižší populaci zbytků v široké oblasti α+. V souladu s tím jsou poměry populací α/α+ a α-helix/α vyšší v Drudeově simulaci než v simulaci C36, což naznačuje, že jakmile se reziduum nachází v oblasti α+, má větší pravděpodobnost, že bude odebírat vzorky z přísnější, helix tvořící oblasti α. Navíc jakmile se zbytek nachází v oblasti α, má větší pravděpodobnost, že se bude podílet na úseku tří nebo více po sobě jdoucích zbytků v oblasti α, tj. že bude tvořit šroubovicovou strukturu. To naznačuje strmou nálevkovitou energetickou krajinu. Podobné trendy jsou pozorovány při nižší i vyšší teplotě, jak ukazuje tabulka S1.

Míra kooperativity s aditivním silovým polem C36 byla připsána efektům mnoha těles spojených s potenciálem CMAP, který umožňuje explicitně parametrizovat kooperativitu dihedrálů ϕ a ψ do modelu. U zbytků ve šroubovicových segmentech vedou simulace s C36 k mnohem užšímu povodí volné energie v jejich distribucích ϕ, ψ (obr. 4). Toto úzké šroubovicové minimum souvisí s empirickou úpravou členu CMAP přímo zaměřenou na distribuci PDB (29) s následnou optimalizací CMAP s výnosem C36 na základě posunu celkových oblastí CMAP pro zlepšení celkové frakce šroubovice (AAQAA)3 (11). Vnucování takové specifické optimalizace při vzorkování fázového prostoru ϕ, ψ může být nutností pro aditivní silová pole, zatímco v Drudeho silovém poli to není nutné, jak dokládá širší distribuce ϕ, ψ (obr. 4), protože dodatečné, elektronické stupně volnosti zahrnuté v polarizovatelném modelu dávají pozorovanou kooperativitu.

Ověření příspěvku elektrostatické polarizovatelnosti ke kooperativitě zahrnovalo analýzu dipólových momentů páteře peptidu, vypočtených jako průměr souboru ze simulací pro různé konformační rozsahy. Výsledky v tabulce 2 v řádcích označených „Celkem“ ukazují, že polarizovatelný Drudeho model vede k mnohem větším dipólovým momentům než aditivní model C36, jak bylo dříve pozorováno v MD simulacích proteinů a jiných peptidových systémů, přičemž prodloužené konformace mají větší dipóly než šroubovicové konformace v polarizovatelném modelu (33). Pro ilustraci vlivu prostředí na dipóly byly získány vlastní dipóly pro tripeptid alanin v plynné fázi, jak je podrobně popsáno v doprovodných informacích. Tyto hodnoty jsou uvedeny v tabulce 2 jako „vnitřní“, přičemž rozdíl mezi celkovými a vnitřními dipóly dává „zesílení“ dipólů peptidu kvůli plnému prostředí tvořenému zbytkem peptidu a okolním rozpouštědlem. Jak je patrné, dipólové momenty peptidových skupin jsou u Drude-2013 výrazně zesíleny, zatímco u aditivního silového pole není podle očekávání mezi kondenzovanou a plynnou fází žádný významný rozdíl. Mírné zesílení dipólů peptidů pozorované při simulacích C36 (∼ 0,03 D) souvisí s prodloužením peptidových vazeb C = O v důsledku interakcí vodíkové vazby. V Drudeho simulacích je zvýšený dipól větší u zbytků v konformaci α (∼ 1,0 D) než mimo tuto oblast (∼ 0,6 D). Abychom oddělili indukční účinky rozpouštědla od intrapeptidových interakcí, vypočítali jsme průměrné dipólové momenty po odstranění všech molekul vody z MD trajektorií a následné relaxaci Drudeho částic, čímž jsme získali hodnoty „intramolekulárního zesílení“. Porovnání těchto hodnot s celkovými hodnotami zesílení ukazuje významný rozdíl v intrapeptidovém zesílení, když zbytek zaujímá stočené stavy (∼ 0,25 D) oproti stavům „α (ne v α-helixu)“ (0,52 D) oproti α-helikálním stavům (0,76 D). Pokud předpokládáme, že indukce ze sousedních zbytků (i – 1 a i + 1) přispívá k posílení o 0,39 D na základě hodnoty „α+ (ne v α)“, pak u šroubovicových zbytků lze zbývajících 0,37 D připsat vodíkové vazbě mezi zbytky i a i+4, která je jedinečnou vlastností šroubovicové struktury. Je zajímavé, že kvantově chemické výpočty modelových systémů ukazují, že redistribuce elektronové hustoty odpovídá za polovinu kooperativity tvorby šroubovice (46) a kooperativní stabilizační účinek uvnitř šroubovice v důsledku intrahelikálních vodíkových vazeb je silnější než mezi šroubovicí a vodou spojený s vodíkovými vazbami mezi karbonylovými skupinami a vodou (47), což je v souladu s tímto pozorováním.

Výsledky simulace výměny replik lze diskutovat v kontextu teorie šroubovice pomocí Lifsonova-Roigova modelu. Podle protokolu popsaného Bestem a Hummerem (9) byly vypočteny parametry Lifson-Roig w, v pro simulace Drude i C36. Výsledné hodnoty jsou uvedeny v tabulce 3 spolu s experimentálními hodnotami stanovenými podle Rohla a Baldwina (25,26). Teplotně nezávislý parametr v popisuje sklon k nukleaci šroubovice a výsledkem simulací jsou hodnoty 0,11 a 0,17 pro silová pole Drude a C36 v tomto pořadí, ve srovnání s experimentálním odhadem 0,04. Rozdíly naznačují, že v MD simulacích zbytky příliš snadno přecházejí z konformace spirály do konformace α, ačkoli výsledky s Drudeho modelem jsou lepší než u aditivního modelu. Nadhodnocení parametru v v simulacích je kompenzováno jejich podhodnocením parametru w, který popisuje prodloužení šroubovice, aby bylo dosaženo podobné frakce šroubovice pozorované v experimentech. Parametr w u Drudeho modelu je větší než u modelu C36 při 280 a 300 K a je v lepší shodě s experimentálními údaji. Při teplotě 340 K jsou však hodnoty menší než u modelu C36 a jsou v horší shodě s experimentem. Drudeho model je tedy v lepší shodě pro většinu analyzovaných Lifson-Roigových členů, což odpovídá lepší kooperativitě v modelu.

.