Induktion von Peptidbindungsdipolen treibt die kooperative Helixbildung im (AAQAA)3-Peptid an | CDhistory

Ergebnisse und Diskussion

Der Helixgehalt aus den HREMD-Simulationen als Funktion der Temperatur ist in Abb. 1 sowohl für die Drude-2013- als auch für die C36-Kraftfelder dargestellt, zusammen mit den experimentellen NMR-Daten (27) und den zuvor berichteten Ergebnissen für C36, die aus Temperatur-Replika-Austausch-Simulationen (11) gewonnen wurden. Die NMR-Werte basieren auf den Messungen der chemischen Verschiebung von Carbonylgruppen bei sieben Temperaturen von 269 bis 363 K durch Shalongo und Stellwagen und werden unter Verwendung von Tabelle 1 und Gleichung 2 in Referenz (27) berechnet. Die Fraktionshelix für die einzelnen Systeme als Funktion der Zeit ist in Abb. S1 dargestellt. Bei 300 K sagt die Drude-Simulation einen Helixanteil von 25 % voraus, was etwas höher ist als die Schätzungen von 19 % bzw. 22 % aus NMR- und Zirkulardichroismusmessungen (26). Bei 280 K ist der Helixgehalt (34 %) geringer als der aus NMR-Experimenten ermittelte Wert (40 %), während bei der höheren Temperatur (340 K) die Abweichung gering ist (4 % gegenüber 3 %). Qualitativ gesehen sagt das polarisierbare Drude-Kraftfeld eine gewisse Menge an Helix bei 300 K und fast keine Helix bei der höheren Temperatur von 340 K voraus, während die meisten additiven Kraftfelder entweder zur Helixbildung bei beiden Temperaturen oder zu keiner Helix bei beiden Temperaturen führen (9-11). Wir weisen darauf hin, dass es schwierig ist, eine vollständige Konvergenz der Peptidproben zu erreichen, wie sie für die Berechnung des Helix-Gehalts erforderlich ist, und räumen ein, dass unsere Ergebnisse nicht vollständig konvergiert sind; die Übereinstimmung zwischen den vorliegenden C36-Ergebnissen und den zuvor veröffentlichten Ergebnissen des Temperatur-Replika-Austauschs für den Helix-Gehalt deutet jedoch darauf hin, dass der HREMD-Ansatz zu Ergebnissen geführt hat, die für das experimentelle Schema repräsentativ waren.

Die Übereinstimmung mit den experimentellen Daten ist auch auf einer Pro-Residue-Basis vorhanden, wie in Abb. 2 gezeigt. Die Drude-Simulationen, die zeigen, dass sich der C-terminale Alaninrest immer im gewickelten Zustand befindet, stimmen beispielsweise mit den experimentellen NMR-Messungen der chemischen Verschiebung überein (27). Die Helixneigung des N-Terminus ist höher als die des C-Terminus, da die Acetylgruppe vorhanden ist, die eine i-zu-i+4-Wasserstoffbindung bilden kann, die die Helix stabilisiert, wie sowohl in der Simulation als auch in den NMR-Daten zu sehen ist. Diese angemessene Behandlung der Sequenzabhängigkeit ist ein weiterer Hinweis auf die Qualität des Drude-Modells bei der Behandlung des Gleichgewichts zwischen Spule und Helix. Bei C36 ist die zusätzliche helikale Neigung am N-Terminus nicht vorhanden, obwohl sie in der früheren Studie beobachtet wurde (32).

Die anschließende Analyse betraf die Verteilung der Längen der Helices während der Simulationen. Abb. 3 zeigt die Wahrscheinlichkeiten für die Beobachtung von n aufeinanderfolgenden Resten in der α-Region. Obwohl das Drude-Modell bei 340 K nur einen Helixanteil von 4,2 % vorhersagt, sind lange Helixsegmente vorhanden, wobei die Wahrscheinlichkeit, Helices mit einer Länge von neun Resten zu beobachten (1,1 %), höher ist als bei einer Helix mit sieben Resten. Eine solche Wahrscheinlichkeitsverteilung ist bei 300 K stärker ausgeprägt, mit einem Maximum bei 12 Resten, was der durchschnittlichen Helixlänge in Proteinen entspricht (45). Bei 280 K ist das Maximum der Helices etwas kürzer als bei 300 K, obwohl die kooperative Natur der Faltung immer noch offensichtlich ist, da die Helices mit 8 bis 10 Resten gegenüber den kürzeren Helices überwiegen. In den additiven Simulationen werden bei keiner Temperatur Verteilungen mit höherem Sampling für längere Helices beobachtet, wobei die kurzen Helices am stärksten besiedelt sind. Allerdings gibt es bei 280 und 300 K einige Anzeichen für Kooperativität, wie das Vorhandensein von kleinen Spitzen in den Verteilungen bei n = 10 zeigt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Drude-Modell eine deutlich größere Faltungs-Kooperativität aufweist als das additive C36-Modell.

Es sollte auch betont werden, dass der gesamte durchschnittliche Helixanteil der Summe der Wahrscheinlichkeiten (wie in Abb. 3 dargestellt) multipliziert mit den jeweiligen Helixlängen entspricht, so dass längere Helices einen viel größeren Beitrag zum berichteten Helixanteil im polarisierbaren Modell leisten. So machen beispielsweise beim Drude-Modell bei 300 K Helixsegmente mit einer Länge von 10 Resten oder mehr 78 % der beobachteten Helix aus, während diese langen Helices beim C36-Kraftfeld nur 25 % beitragen. Diese Ergebnisse unterstützen eine Situation mit dem polarisierbaren Kraftfeld, in der eine Helix, sobald sie einmal entstanden ist, eine größere Tendenz zur Verlängerung hat, was zu einer ausgeprägteren Zunahme der in Abb. 3 gezeigten langen Helices führt.

Obwohl das Drude-Modell im Vergleich zum additiven Modell eine größere Neigung zur Bildung helikaler Zustände hat, begünstigt es auch ausgedehntere ungefaltete Zustände. Dies zeigt sich daran, dass der durchschnittliche Gyrationsradius von (AAQAA)3 für gewickelte Zustände (d. h. solche, die keine α-Helix enthalten) bei den Drude- und C36-Simulationen bei 300 K 10,9 Å bzw. 10,0 Å beträgt. Dies hängt damit zusammen, dass das Drude-Modell im Vergleich zum C36-Modell eine ausgeprägtere bimodale Verteilung des Trägheitsradius ergibt, wie in Abb. S4 gezeigt wird. Diese Ergebnisse sind ein weiterer Hinweis auf die Kooperativität der Helixbildung im polarisierbaren Drude-Kraftfeld.

Um die starke Faltungs-Kooperativität mit dem polarisierbaren Drude-Kraftfeld auf mikroskopischer Ebene zu verstehen, haben wir die ϕ-, ψ-Verteilungen des Rückgrats für die helikalen Reste analysiert, da diese Stichprobe verwendet wurde, um die verstärkte Temperaturabhängigkeit zu erklären, die das CMAP-Potenzial von C36 im Vergleich zu anderen additiven Kraftfeldern mit sich bringt (11, 32). Die durchschnittliche Population von Resten in der breiten αR-Region, α+ (siehe Abb. S2), in der strengeren α-Region und in helikalen Segmenten (%α-Helix), wie sie durch drei aufeinanderfolgende helikale Reste definiert sind, sind in Tabelle 1 für die 300-K-Simulationen aufgeführt. Obwohl das polarisierbare Kraftfeld den höchsten Anteil an Helixen sowohl im %α- als auch im %α-Helix-Bereich liefert, weist es die geringste Population von Resten im breiten α+-Bereich auf. Dementsprechend sind die Verhältnisse der α/α+- und α-Helix/α-Populationen in der Drude-Simulation höher als in der C36-Simulation, was darauf hindeutet, dass ein Rest, sobald er sich in der α+-Region befindet, eine größere Wahrscheinlichkeit hat, die strengere, helixbildende α-Region zu beproben. Außerdem hat ein Rest, sobald er sich in der α-Region befindet, eine größere Wahrscheinlichkeit, an einer Strecke von drei oder mehr aufeinanderfolgenden Resten in der α-Region teilzunehmen, d. h. eine helikale Struktur zu bilden. Dies deutet auf eine steile, trichterförmige Energielandschaft hin. Ähnliche Trends werden sowohl bei niedrigeren als auch bei höheren Temperaturen beobachtet, wie in Tabelle S1 gezeigt.

Das Ausmaß der Kooperativität mit dem additiven C36-Kraftfeld wurde auf Vielkörpereffekte im Zusammenhang mit dem CMAP-Potenzial zurückgeführt, das es ermöglicht, die Kooperativität der ϕ- und ψ-Dieder explizit in das Modell zu parametrisieren. Für die Reste in den helikalen Segmenten führen Simulationen mit C36 zu einem viel engeren Becken für die freie Energie in ihren ϕ- und ψ-Verteilungen (Abb. 4). Dieses enge helikale Minimum hängt mit der empirischen Anpassung des CMAP-Terms zusammen, der direkt auf eine PDB-Verteilung abzielt (29), wobei die anschließende Optimierung von CMAP, die zu C36 führt, auf der Verschiebung von Gesamtbereichen von CMAP beruht, um den Gesamtanteil der Helix von (AAQAA)3 zu verbessern (11). Eine solche spezifische Optimierung bei der Abtastung des ϕ, ψ-Phasenraums kann bei additiven Kraftfeldern notwendig sein, während dies beim Drude-Kraftfeld nicht erforderlich ist, wie die breitere ϕ, ψ-Verteilung (Abb. 4) zeigt, da die zusätzlichen elektronischen Freiheitsgrade des polarisierbaren Modells die beobachtete Kooperativität ergeben.

Die Überprüfung des Beitrags der elektrostatischen Polarisierbarkeit zur Kooperativität umfasste die Analyse der Peptidrückgrat-Dipolmomente, die als Ensemble-Durchschnitt aus den Simulationen für die verschiedenen Konformationsbereiche berechnet wurden. Die Ergebnisse in Tabelle 2, in den Zeilen mit der Bezeichnung „Total“, zeigen, dass das polarisierbare Drude-Modell zu viel größeren Dipolmomenten führt als das additive C36-Modell, wie zuvor in MD-Simulationen von Proteinen und anderen Peptidsystemen beobachtet, wobei die verlängerten Konformationen größere Dipole aufweisen als die helikalen Konformationen im polarisierbaren Modell (33). Um zu veranschaulichen, wie sich die Umgebung auf die Dipole auswirkt, wurden die intrinsischen Dipole für das Alanin-Tripeptid in der Gasphase ermittelt (siehe ergänzende Informationen). Diese Werte sind in Tabelle 2 als „intrinsisch“ angegeben, wobei die Differenz zwischen den Gesamtdipolen und den intrinsischen Dipolen die „Verstärkung“ der Peptiddipole aufgrund der vollständigen Umgebung ergibt, die aus dem Rest des Peptids und dem umgebenden Lösungsmittel besteht. Es ist offensichtlich, dass die Dipolmomente der Peptidgruppen durch Drude-2013 erheblich verstärkt werden, während für das additive Kraftfeld erwartungsgemäß kein signifikanter Unterschied zwischen kondensierter und Gasphase besteht. Die leichte Verstärkung der Peptiddipole, die in den C36-Simulationen beobachtet wurde (∼ 0,03 D), steht im Zusammenhang mit der Verlängerung der Peptid-C=O-Bindungen aufgrund von Wasserstoffbrückenbindungen. In den Drude-Simulationen ist der verstärkte Dipol für die Reste in der α-Konformation (∼ 1,0 D) größer als außerhalb dieser Region (∼ 0,6 D). Um die Induktionseffekte des Lösungsmittels von den Intrapeptid-Wechselwirkungen zu trennen, berechneten wir die durchschnittlichen Dipolmomente, nachdem wir alle Wassermoleküle aus den MD-Trajektorien entfernt und dann die Drude-Partikel entspannt hatten, was die Werte für die „intramolekulare Verstärkung“ ergab. Der Vergleich dieser Werte mit den Gesamtwerten der Verstärkung zeigt einen signifikanten Unterschied in der intrapeptidischen Verstärkung, wenn ein Rest einen gewundenen Zustand (∼ 0,25 D) gegenüber dem „α (nicht in α-Helix)“-Zustand (0,52 D) gegenüber dem α-helikalen Zustand (0,76 D) einnimmt. Wenn wir davon ausgehen, dass die Induktion durch benachbarte Reste (i – 1 und i + 1) zu einer Erhöhung von 0,39 D beiträgt, basierend auf dem „α+ (nicht in α)“-Wert, dann können bei helikalen Resten die verbleibenden 0,37 D der Wasserstoffbrückenbindung zwischen den i- und i+4-Resten zugeschrieben werden, die das einzigartige Merkmal der helikalen Struktur ist. Interessanterweise deuten quantenchemische Berechnungen von Modellsystemen darauf hin, dass die Hälfte der Kooperativität bei der Helixbildung auf die Umverteilung der Elektronendichte zurückzuführen ist (46) und dass der kooperative Stabilisierungseffekt innerhalb einer Helix aufgrund der intrahelicalen Wasserstoffbrückenbindungen stärker ist als der zwischen der Helix und Wasser, der mit den Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Carbonylgruppen und Wasser verbunden ist (47), was mit der vorliegenden Beobachtung übereinstimmt.

Die Ergebnisse der Replika-Austausch-Simulation können im Zusammenhang mit der Helix-Spulen-Theorie unter Verwendung des Lifson-Roig-Modells diskutiert werden. Nach dem von Best und Hummer (9) beschriebenen Protokoll wurden die Lifson-Roig-Parameter w, v sowohl für die Drude- als auch für die C36-Simulationen berechnet. Die sich daraus ergebenden Werte sind in Tabelle 3 zusammen mit den experimentellen Werten aufgeführt, die von Rohl und Baldwin (25,26) ermittelt wurden. Der temperaturunabhängige Parameter v beschreibt die Neigung zur Helix-Kernbildung, und die Simulationen ergeben Werte von 0,11 bzw. 0,17 für die Drude- und C36-Kraftfelder, verglichen mit dem experimentellen Schätzwert von 0,04. Die Unterschiede deuten darauf hin, dass in den MD-Simulationen Rückstände zu leicht von einer Coil-Konformation in eine α-Konformation umgewandelt werden, obwohl die Ergebnisse mit dem Drude-Modell besser sind als mit dem additiven Modell. Die Überschätzung des v-Parameters in den Simulationen wird durch die Unterschätzung des w-Parameters kompensiert, der die Helixausdehnung beschreibt, um einen ähnlichen Helixanteil wie in den Experimenten zu erreichen. Die w-Parameter für das Drude-Modell sind bei 280 und 300 K größer als die des C36-Modells und stimmen besser mit den experimentellen Daten überein. Die Werte bei 340 K sind jedoch kleiner als bei C36 und stimmen schlechter mit den Experimenten überein. Somit stimmt das Drude-Modell für die meisten der analysierten Lifson-Roig-Terme besser überein, was mit der verbesserten Kooperativität des Modells übereinstimmt.