La inducción de los dipolos de enlace del péptido impulsa la formación cooperativa de hélices en el péptido (AAQAA)3 | CDhistory

Resultados y discusión

El contenido helicoidal de las simulaciones HREMD en función de la temperatura se representa en la Fig. 1 para los campos de fuerza Drude-2013 y C36, junto con los datos experimentales de RMN (27) y los resultados previamente comunicados para C36 obtenidos a partir de simulaciones de intercambio de réplicas de temperatura (11). Los valores de RMN se basan en las mediciones del desplazamiento químico del carbonilo a siete temperaturas de 269 a 363 K realizadas por Shalongo y Stellwagen, y se calculan utilizando la Tabla 1 y la Ecuación 2 de la referencia (27). La fracción de hélice para los sistemas individuales como función del tiempo se muestra en la Fig. S1. A 300 K, la simulación de Drude predice un contenido helicoidal del 25%, que es ligeramente superior a las estimaciones del 19% y el 22% de las mediciones de RMN y dicroísmo circular (26), respectivamente. A 280 K, el contenido helicoidal (34%) es menor que el obtenido a partir de los experimentos de RMN (40%), mientras que a la temperatura más alta (340 K) la desviación es pequeña (4% frente a 3%). Cualitativamente, el campo de fuerza polarizable de Drude predice cierta cantidad de hélice a 300 K y casi ninguna hélice a la temperatura más alta de 340 K, mientras que la mayoría de los campos de fuerza aditivos conducen a la formación de hélice a ambas temperaturas o a ninguna hélice a ambas temperaturas (9-11). Observamos que la obtención de la convergencia completa del muestreo de péptidos como se requiere para calcular el contenido helicoidal es un reto y reconocemos que nuestros resultados no son totalmente convergentes; sin embargo, el acuerdo entre el presente C36 y los resultados de intercambio de réplicas de temperatura publicados anteriormente para el contenido helicoidal indican que el enfoque HREMD ha dado resultados que han sido representativos del régimen experimental.

La consistencia con los datos experimentales también está presente en una base por residuo, como se muestra en la Fig. 2. Por ejemplo, las simulaciones de Drude que muestran que el residuo de alanina C-terminal siempre está en estado enrollado es consistente con las mediciones experimentales de desplazamiento químico de RMN (27). La propensión a la hélice del N-terminal es mayor que la del C-terminal debido a la presencia del grupo acetilo, que puede formar un enlace de hidrógeno i a i + 4 que estabiliza la hélice, como se ve tanto en la simulación como en los datos de RMN. Este tratamiento adecuado de la dependencia de la secuencia indica además la calidad del modelo de Drude en el tratamiento del equilibrio hélice-bobina. Con C36 la propensión helicoidal adicional en el N-terminal no está presente, aunque se observó en el estudio anterior (32).

El análisis posterior incluyó la distribución de las longitudes de las hélices durante las simulaciones. La Fig. 3 presenta las probabilidades de observar n residuos consecutivos en la región α. A 340 K, aunque el modelo de Drude predice sólo un 4,2% de fracción de hélice, los segmentos helicoidales largos están presentes, siendo la probabilidad de observar hélices con una longitud de nueve residuos (1,1%) mayor que la de una hélice de siete residuos. Esta distribución de probabilidad es más prominente a 300 K, con un máximo a 12 residuos, que corresponde a la longitud media de la hélice en las proteínas (45). A 280 K, el máximo de las hélices es ligeramente más corto que a 300 K, aunque la naturaleza cooperativa del plegado sigue siendo evidente dada la prominencia de las hélices de 8 a 10 residuos sobre las hélices más cortas. En las simulaciones aditivas no se observan distribuciones con mayor muestreo para las hélices más largas a ninguna temperatura, siendo las hélices cortas las más pobladas. Sin embargo, hay alguna evidencia de cooperatividad a 280 y 300 K, como indica la presencia de pequeños picos en las distribuciones a n = 10. Estos resultados indican que el modelo Drude tiene una cantidad significativamente mayor de cooperatividad de plegado que el modelo aditivo C36.

También debe enfatizarse que la fracción media total de hélice es igual a la suma de las probabilidades (como se presenta en la Fig. 3) multiplicada por las respectivas longitudes de hélice, de tal manera que las hélices más largas hacen una contribución mucho mayor al contenido helicoidal reportado en el modelo polarizable. Por ejemplo, para el modelo Drude a 300 K los segmentos helicoidales con una longitud de 10 residuos o más suponen el 78% de la hélice observada, mientras que estas largas hélices sólo contribuyen en un 25% con el campo de fuerza C36. Estos resultados apoyan además una situación con el campo de fuerza polarizable en la que una vez que se nuclea una hélice tiene mayor tendencia a alargarse, produciendo el aumento más pronunciado en el muestreo de hélices largas que se muestra en la Fig. 3.

Aunque el modelo Drude tiene una mayor propensión a formar estados helicoidales en comparación con el modelo aditivo, también favorece estados desplegados más extendidos. Esto lo indica el radio de giro medio de (AAQAA)3 para los estados enrollados (es decir, los que no contienen ninguna α-hélice) que es de 10,9 Å y 10,0 Å para las simulaciones de Drude y C36 a 300 K, respectivamente. Esto se asocia con que el modelo Drude produce una distribución bimodal más pronunciada del radio de giro en comparación con el modelo C36, como se muestra en la Fig. S4. Estos resultados indican además la cooperatividad de la formación de hélices en el campo de fuerza polarizable de Drude.

Para entender la fuerte cooperatividad de plegado con el campo de fuerza polarizable de Drude a nivel microscópico, analizamos las distribuciones de ϕ, ψ de la columna vertebral para los residuos helicoidales, ya que este muestreo se utilizó para explicar la mayor dependencia de la temperatura aportada por el potencial CMAP de C36 en comparación con otros campos de fuerza aditivos (11,32). La población media de residuos en la amplia región αR, α+ (ver Fig. S2), en la más estricta región α, y en segmentos helicoidales (%α-hélice), definidos por tres residuos helicoidales consecutivos, se enumeran en la Tabla 1 para las simulaciones a 300 K. Aunque el campo de fuerza polarizable produce la mayor fracción de hélice basada tanto en el %α como en el %α-hélice, tiene la menor población de residuos en la amplia región α+. En consecuencia, los ratios de las poblaciones α/α+ y α-hélice/α son mayores en la simulación de Drude que en la de C36, lo que indica que una vez que un residuo está en la región α+ tiene una mayor probabilidad de muestrear la región α, más estricta y formadora de hélices. Además, una vez que un residuo está en la región α, tiene una mayor probabilidad de participar en un tramo de tres o más residuos consecutivos en la región α, es decir, de formar una estructura helicoidal. Esto indica un paisaje energético empinado en forma de embudo. Se observan tendencias similares tanto a la temperatura más baja como a la más alta, como se muestra en la Tabla S1.

El grado de cooperatividad con el campo de fuerza aditivo C36 se atribuyó a los efectos de muchos cuerpos asociados al potencial CMAP que permite parametrizar explícitamente la cooperatividad de los diedros ϕ y ψ en el modelo. Para los residuos de los segmentos helicoidales, las simulaciones con C36 dan como resultado una cuenca de energía libre mucho más estrecha en sus distribuciones ϕ, ψ (Fig. 4). Este estrecho mínimo helicoidal está relacionado con el ajuste empírico del término CMAP que apunta directamente a una distribución PDB (29) con la subsiguiente optimización de CMAP que produce C36 basada en el desplazamiento de las regiones globales de CMAP para mejorar la fracción helicoidal global de (AAQAA)3 (11). La imposición de dicha optimización específica en el muestreo del espacio de fase ϕ, ψ puede ser una necesidad para los campos de fuerza aditivos, mientras que esto no es necesario en el campo de fuerza de Drude, como lo demuestra la distribución más amplia de ϕ, ψ (Fig. 4) porque los grados de libertad electrónicos adicionales incorporados en el modelo polarizable producen la cooperatividad observada.

La verificación de la contribución de la polarizabilidad electrostática a la cooperatividad implicó el análisis de los momentos dipolares de la columna vertebral del péptido, calculados como la media del conjunto de las simulaciones para los diferentes rangos conformacionales. Los resultados de la Tabla 2, en las filas etiquetadas como «Total», muestran que el modelo polarizable de Drude conduce a momentos dipolares mucho mayores que el modelo aditivo C36, como se ha observado previamente en simulaciones MD de proteínas y otros sistemas peptídicos, teniendo las conformaciones extendidas mayores dipolos que las conformaciones helicoidales en el modelo polarizable (33). Para ilustrar cómo el entorno afecta a los dipolos, se obtuvieron dipolos intrínsecos para el tripéptido de alanina en fase gaseosa, como se detalla en la información complementaria. Estos valores se reportan en la Tabla 2 como «Intrínsecos», con la diferencia entre los dipolos totales e intrínsecos produciendo el «Aumento» de los dipolos del péptido debido al ambiente completo compuesto por el resto del péptido y el solvente circundante. Como es evidente, los momentos dipolares de los grupos peptídicos se potencian significativamente con Drude-2013 mientras que para el campo de fuerza aditivo, como era de esperar, no hay diferencias significativas entre las fases condensada y gaseosa. El ligero aumento de los dipolos de los péptidos observado en las simulaciones de C36 (∼ 0,03 D) se asocia a la elongación de los enlaces C = O de los péptidos debido a las interacciones de enlace de hidrógeno. En las simulaciones Drude, el dipolo mejorado es mayor para aquellos residuos en la conformación α (∼ 1,0 D) que fuera de esa región (∼ 0,6 D). Para separar los efectos de inducción del disolvente de las interacciones intrapéptidas, calculamos los momentos dipolares medios después de eliminar todas las moléculas de agua de las trayectorias de MD y, a continuación, relajar las partículas de Drude para obtener los valores de «mejora intramolecular». Si se comparan con los valores de mejora general, se observa una diferencia significativa en la mejora intrapéptida cuando un residuo ocupa estados enrollados (∼ 0,25 D) frente a los estados «α (no en α-hélice)» (0,52 D) frente a los estados α-helicoidales (0,76 D). Si asumimos que la inducción de los residuos adyacentes (i – 1 e i + 1) contribuye a un aumento de 0,39 D, basado en el valor «α+ (no en α)», entonces para los residuos helicoidales los 0,37 D restantes pueden atribuirse al enlace de hidrógeno entre los residuos i e i+4, que es la característica única de la estructura helicoidal. Curiosamente, los cálculos de química cuántica de los sistemas modelo indican que la redistribución de la densidad de electrones explica la mitad de la cooperatividad de la formación de la hélice (46) y el efecto estabilizador cooperativo dentro de una hélice debido a los enlaces de hidrógeno intrahelico es más fuerte que el existente entre la hélice y el agua asociado a los enlaces de hidrógeno entre los grupos carbonilo y el agua (47), lo que coincide con la presente observación.

Los resultados de la simulación de intercambio de réplicas pueden discutirse en el contexto de la teoría de hélices y bobinas utilizando el modelo Lifson-Roig. Siguiendo el protocolo descrito por Best y Hummer (9), se calcularon los parámetros w, v de Lifson-Roig para las simulaciones de Drude y C36. Los valores resultantes se enumeran en la Tabla 3 junto con los valores experimentales determinados por Rohl y Baldwin (25,26). El parámetro v, independiente de la temperatura, describe la propensión a la nucleación de hélices, y las simulaciones dan como resultado valores de 0,11 y 0,17 para los campos de fuerza Drude y C36, respectivamente, en comparación con la estimación experimental de 0,04. Las diferencias indican que en las simulaciones MD los residuos se convierten con demasiada facilidad de una conformación de espiral a una conformación α, aunque los resultados con el modelo Drude mejoran respecto al modelo aditivo. La sobreestimación del parámetro v en las simulaciones se compensa con su subestimación del parámetro w, que describe la extensión de la hélice, para conseguir una fracción de hélice similar a la observada en los experimentos. Los parámetros w para el modelo Drude son mayores que los del modelo C36 a 280 y 300 K, estando en mejor acuerdo con los datos experimentales. Sin embargo, los valores a 340 K son menores que con C36, y están en peor acuerdo con el experimento. Así, el modelo Drude está en mejor acuerdo para la mayoría de los términos Lifson-Roig analizados, consistente con la cooperatividad mejorada en el modelo.

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