A peptidkötés-dipólusok indukciója kooperatív hélixképződést eredményez az (AAQAA)3 peptidben | CDhistory

Eredmények és vita

A HREMD-szimulációkból származó hélixtartalom a hőmérséklet függvényében az 1. ábrán látható mind a Drude-2013, mind a C36 erőterekre, a kísérleti NMR-adatokkal (27) és a C36-ra a hőmérséklet-replikacsere-szimulációkból kapott, korábban közölt eredményekkel együtt (11). Az NMR-értékek a Shalongo és Stellwagen által 269 és 363 K közötti hét hőmérsékleten végzett karbonil-kémiai eltolódás méréseken alapulnak, és az 1. táblázat és a hivatkozás (27) 2. egyenlete alapján lettek kiszámítva. Az egyes rendszerek frakciós helixét az idő függvényében az S1. ábra mutatja. 300 K hőmérsékleten a Drude-szimuláció 25%-os hélix-tartalmat jósol, ami valamivel magasabb, mint az NMR- és cirkuláris dichroizmus-mérésekből (26) származó 19%-os és 22%-os becslések. 280 K hőmérsékleten a helikális tartalom (34%) kisebb, mint az NMR-kísérletekből kapott érték (40%), míg a magasabb hőmérsékleten (340 K) az eltérés kicsi (4% versus 3%). Minőségileg a Drude-féle polarizálható erőtér 300 K hőmérsékleten bizonyos mennyiségű hélixet, a magasabb, 340 K hőmérsékleten pedig szinte semmilyen hélixet nem jósol, míg a legtöbb additív erőtér vagy mindkét hőmérsékleten hélixképződéshez vezet, vagy mindkét hőmérsékleten nincs hélix (9-11). Megjegyezzük, hogy a peptidmintavétel teljes konvergenciájának elérése, ami a hélix-tartalom kiszámításához szükséges, kihívást jelent, és elismerjük, hogy eredményeink nem teljesen konvergensek; azonban a jelenlegi C36 és a korábban publikált hőmérsékleti replikacsere eredmények közötti egyezés a hélix-tartalomra vonatkozóan azt jelzi, hogy a HREMD megközelítés olyan eredményeket hozott, amelyek reprezentatívak voltak a kísérleti rendszerre nézve.

A kísérleti adatokkal való egyezés a 2. ábrán látható maradékonkénti alapon is fennáll. Például a Drude-szimulációk, amelyek szerint a C-terminális alanin-maradék mindig tekeredett állapotban van, összhangban vannak a kísérleti NMR kémiai eltolódás mérésekkel (27). Az N-terminális spirálhajlam nagyobb, mint a C-terminálisé, mivel az acetilcsoport jelenléte miatt az acetilcsoport i-ről i + 4-re hidrogénkötést tud kialakítani, amely stabilizálja a spirált, amint az mind a szimulációban, mind az NMR-adatokban látható. A szekvenciafüggőségnek ez a megfelelő kezelése tovább jelzi a Drude-modell minőségét a spirál-hélix egyensúly kezelésében. A C36 esetében az N-terminálison a további helikális hajlam nincs jelen, bár a korábbi tanulmányban megfigyelték (32).

A következő elemzés a hélixek hosszának eloszlását vizsgálta a szimulációk során. A 3. ábra az α régióban lévő n egymást követő maradék megfigyelésének valószínűségeit mutatja be. 340 K hőmérsékleten, bár a Drude-modell csak 4,2%-os frakciós hélixet jósol, hosszú hélixszakaszok vannak jelen, a kilenc maradék hosszúságú hélixek megfigyelésének valószínűsége (1,1%) nagyobb, mint a hét maradék hosszúságú hélixeké. Az ilyen valószínűségi eloszlás 300 K hőmérsékleten szembetűnőbb, a maximum 12 maradéknál van, ami megfelel a fehérjék átlagos hélixhosszának (45). 280 K-nál a hélixek maximuma valamivel rövidebb, mint 300 K-nál, bár a hajtogatás kooperatív jellege még mindig nyilvánvaló, tekintve a 8-10 maradékos hélixek kiemelkedő szerepét a rövidebb hélixekkel szemben. Az additív szimulációkban a hosszabb hélixek nagyobb mintavételezésű eloszlásai egyik hőmérsékleten sem figyelhetők meg, a rövid hélixek a legnépesebbek. A kooperativitásnak azonban van némi jele 280 és 300 K hőmérsékleten, amit az n = 10-es eloszlásokban megjelenő kis csúcsok jeleznek. Ezek az eredmények azt jelzik, hogy a Drude-modellben lényegesen nagyobb a hajtogatási kooperativitás, mint az additív C36 modellben.

Kiemelendő az is, hogy a teljes átlagos hélixrészarány egyenlő a valószínűségek összegének (a 3. ábrán bemutatottak szerint) és a megfelelő hélixhosszúságnak a szorzatával, így a hosszabb hélixek sokkal nagyobb mértékben járulnak hozzá a polarizálható modellben jelentett hélistartalomhoz. Például a Drude-modell esetében 300 K hőmérsékleten a 10 vagy több maradék hosszúságú helikális szegmensek a megfigyelt hélixek 78%-át teszik ki, míg ezek a hosszú hélixek a C36 erőtérrel csak 25%-kal járulnak hozzá. Ezek az eredmények tovább támasztják alá a polarizálható erőtérrel azt a helyzetet, hogy ha egy hélix egyszer már nukleálódott, akkor nagyobb hajlamot mutat a megnyúlásra, ami a 3. ábrán látható hosszú hélixek mintavételének erőteljesebb növekedését eredményezi.

A Drude-modell az additív modellhez képest nagyobb hajlamot mutat a hélixes állapotok kialakítására, ugyanakkor a hosszabb, kibontott állapotokat is előnyben részesíti. Ezt jelzi, hogy a (AAQAA)3 átlagos girációs sugara a tekercselt (azaz α-hélixet nem tartalmazó) állapotok esetében 10,9 Å és 10,0 Å a Drude és a C36 szimulációk esetében 300 K hőmérsékleten. Ez azzal függ össze, hogy a Drude-modell a C36 modellhez képest a gyűrűssugár kifejezettebb bimodális eloszlását eredményezi, amint azt az S4. ábra mutatja. Ezek az eredmények tovább jelzik a hélixképződés kooperativitását a polarizálható Drude erőtérben.

A Drude polarizálható erőtérrel való erős hajtogatási kooperativitás mikroszkopikus szintű megértéséhez elemeztük a hélixmaradványok gerinc ϕ, ψ eloszlásait, mivel ezzel a mintavétellel magyaráztuk a C36 CMAP-potenciálja által más additív erőtérrel összehasonlítva hozott fokozott hőmérsékletfüggést (11,32). A széles αR régióban, α+ (lásd S2. ábra), a szigorúbb α régióban és a három egymást követő helikális maradék által meghatározott helikális szegmensekben (%α-helix) lévő maradékok átlagos populációját az 1. táblázat tartalmazza a 300 K hőmérsékletű szimulációkhoz. Bár mind a %α, mind a %α-hélix alapján a polarizálható erőtér adja a legnagyobb hányadú hélixet, a széles α+ régióban a legalacsonyabb a maradékok populációja. Ennek megfelelően az α/α+ és α-hélix/α populációk aránya magasabb a Drude, mint a C36 szimulációban, ami azt jelzi, hogy ha egy maradék egyszer már az α+ régióban van, akkor nagyobb valószínűséggel vesz mintát a szigorúbb, helixet képző α régióból. Továbbá, ha egy maradék egyszer már az α régióban van, nagyobb valószínűséggel vesz részt az α régióban lévő három vagy több egymást követő maradékból álló szakaszon, azaz helikális szerkezetet alkotva. Ez egy meredek tölcsérszerű energiatájképre utal. Hasonló tendenciák figyelhetők meg mind az alacsonyabb, mind a magasabb hőmérsékleten, amint azt az S1. táblázat mutatja.

A kooperativitás mértékét az additív C36 erőtérrel a CMAP potenciálhoz kapcsolódó soktestes hatásoknak tulajdonították, amelyek lehetővé teszik a ϕ és ψ diéderek kooperativitásának explicit paraméterezését a modellben. A helikális szegmensekben lévő maradékok esetében a C36-tal végzett szimulációk sokkal szűkebb szabadenergia-medencét eredményeznek a ϕ, ψ eloszlásukban (4. ábra). Ez a szűk helikális minimum a CMAP termin empirikus beállításával függ össze, amely közvetlenül egy PDB-eloszlást céloz meg (29), a C36-ot eredményező CMAP későbbi optimalizálásával, amely a CMAP általános régióinak eltolásán alapul, hogy javítsa a (AAQAA)3 (11) helix teljes frakcióját. Az ilyen specifikus optimalizálás kikényszerítése a ϕ, ψ fázistér mintavételezésében szükségszerű lehet az additív erőtér esetében, míg a Drude-erőtérben erre nincs szükség, amint azt a szélesebb ϕ, ψ eloszlás is mutatja (4. ábra), mivel a polarizálható modellbe beépített további, elektronikus szabadságfokok eredményezik a megfigyelt kooperativitást.

Az elektrosztatikus polarizálhatóság kooperativitáshoz való hozzájárulásának igazolása a peptidgerinc dipólusmomentumainak elemzésével járt, amelyeket a szimulációkból a különböző konformációs tartományokra számított együttes átlagként számítottunk. A 2. táblázatban az “Összesen” feliratú sorok eredményei azt mutatják, hogy a polarizálható Drude-modell sokkal nagyobb dipólusmomentumokat eredményez, mint az additív C36 modell, ahogyan azt korábban már megfigyelték fehérjék és más peptidrendszerek MD-szimulációiban, ahol a nyújtott konformációk nagyobb dipólusokkal rendelkeznek, mint a helikális konformációk a polarizálható modellben (33). Annak illusztrálására, hogy a környezet hogyan befolyásolja a dipólusokat, a gázfázisú alanin-tripeptidre intrinsic dipólusokat kaptunk, amint azt az alátámasztó információkban részletezzük. Ezek az értékek a 2. táblázatban “Intrinsic”-ként szerepelnek, a teljes és az intrinsic dipólusok közötti különbség adja a peptid dipólusok “Enhancement”-jét a peptid maradék részéből és a környező oldószerből álló teljes környezet miatt. Mint látható, a peptidcsoportok dipólusmomentumai Drude-2013 esetén jelentősen erősödnek, míg az additív erőtér esetében, ahogyan az várható volt, nincs szignifikáns különbség a kondenzált és a gázfázisok között. A C36 szimulációkban megfigyelt enyhe fokozódás a peptid dipólusokban (∼ 0,03 D) a peptid C = O kötések megnyúlásával függ össze a hidrogénkötéses kölcsönhatások miatt. A Drude-szimulációkban a megnövekedett dipólus nagyobb az α-konformációban lévő maradékok esetében (∼ 1,0 D), mint ezen a területen kívül (∼ 0,6 D). Az oldószer és a peptiden belüli kölcsönhatások indukciós hatásának szétválasztásához kiszámítottuk az átlagos dipólusmomentumokat, miután eltávolítottuk az összes vízmolekulát az MD-trajektóriákból, majd relaxáltuk a Drude-részecskéket, így kaptuk az “intramolekuláris erősítés” értékeit. Ezek összevetése az általános erősítési értékekkel azt mutatja, hogy jelentős különbség van a peptiden belüli erősítésben, amikor egy maradék a tekercses állapotokat (∼ 0,25 D) és az “α (nem α-hélixben)” állapotokat (0,52 D) és az α-hélixes állapotokat (0,76 D) foglalja el. Ha feltételezzük, hogy a szomszédos maradékok (i – 1 és i + 1) indukciója 0,39 D fokozással járul hozzá az “α+ (nem α-ban)” érték alapján, akkor a helikális maradékok esetében a fennmaradó 0,37 D az i és i+4 maradékok közötti hidrogénkötésnek tulajdonítható, ami a helikális szerkezet egyedi jellemzője. Érdekes módon modellrendszerek kvantumkémiai számításai azt mutatják, hogy az elektronsűrűség újraelosztása a hélixképződés kooperativitásának felét teszi ki (46), és a hélixen belüli kooperatív stabilizáló hatás az intrahéliális hidrogénkötések miatt erősebb, mint a hélix és a víz között, ami a karbonilcsoportok és a víz közötti hidrogénkötésekhez kapcsolódik (47), ami összhangban van a jelen megfigyeléssel.

A replikacsere-szimuláció eredményei a Lifson-Roig-modell segítségével a hélix-tekercs elmélet kontextusában tárgyalhatók. A Best és Hummer (9) által felvázolt protokollt követve kiszámítottuk a Lifson-Roig w, v paramétereket mind a Drude, mind a C36 szimulációkhoz. Az így kapott értékeket a 3. táblázat tartalmazza a Rohl és Baldwin (25,26) által meghatározott kísérleti értékekkel együtt. A v hőmérsékletfüggetlen paraméter a spirálmagképződés hajlamát írja le, és a szimulációk 0,11, illetve 0,17 értéket adtak a Drude és a C36 erőterek esetében, szemben a 0,04-es kísérleti becsléssel. A különbségek arra utalnak, hogy az MD-szimulációkban a maradékok túl könnyen alakulnak át tekercskonformációból α-konformációba, bár a Drude-modell eredményei jobbak az additív modellhez képest. A v paraméter túlbecslését a szimulációkban kompenzálja a w paraméter alulbecslése, amely a hélix kiterjedését írja le, a kísérletekben megfigyelt hasonló hélix-frakció elérése érdekében. A Drude-modell w paramétere 280 és 300 K-en nagyobb, mint a C36 modellé, ami jobb összhangban van a kísérleti adatokkal. A 340 K hőmérsékleten mért értékek azonban kisebbek, mint a C36 modellnél, és rosszabb összhangban vannak a kísérletekkel. Így a Drude-modell az elemzett Lifson-Roig-terminusok többségénél jobb egyezést mutat, ami összhangban van a modell jobb kooperativitásával.