L'induzione dei dipoli del legame peptidico guida la formazione cooperativa dell'elica nel peptide (AAQAA)3 | CDhistory

Risultati e discussione

Il contenuto elicoidale dalle simulazioni HREMD in funzione della temperatura è raffigurato in Fig. 1 per entrambi i campi di forza Drude-2013 e C36, insieme ai dati sperimentali NMR (27) e ai risultati precedentemente riportati per C36 ottenuti da simulazioni di scambio replica temperatura (11). I valori NMR sono basati sulle misure di spostamento chimico dei carbonili a sette temperature da 269 a 363 K da Shalongo e Stellwagen, e sono calcolati usando la tabella 1 e l’Eq. 2 di riferimento (27). La frazione di elica per i singoli sistemi in funzione del tempo è mostrata in Fig. S1. A 300 K, la simulazione Drude prevede un contenuto elicoidale del 25%, che è leggermente superiore alle stime del 19% e il 22% da NMR e misure dicroismo circolare (26), rispettivamente. A 280 K, il contenuto elicoidale (34%) è inferiore a quello ottenuto dagli esperimenti NMR (40%), mentre alla temperatura più alta (340 K) la deviazione è piccola (4% contro 3%). Qualitativamente, il campo di forza polarizzabile di Drude predice una certa quantità di elica a 300 K e quasi nessuna elica alla temperatura più alta di 340 K, mentre la maggior parte dei campi di forza additivi portano alla formazione di eliche ad entrambe le temperature o nessuna elica ad entrambe le temperature (9-11). Notiamo che ottenere la piena convergenza del campionamento del peptide come richiesto per calcolare il contenuto elicoidale è impegnativo e riconoscere che i nostri risultati non sono completamente convergenti; tuttavia, l’accordo tra il presente C36 e precedentemente pubblicato temperatura replica scambio risultati per il contenuto elicoidale indicano che l’approccio HREMD ha dato risultati che sono stati rappresentativi del regime sperimentale.

La coerenza con i dati sperimentali è presente anche su una base per residuo, come mostrato in Fig. 2. Per esempio, le simulazioni di Drude che mostrano che il residuo di alanina C-terminale è sempre nello stato arrotolato è coerente con le misure sperimentali di spostamento chimico NMR (27). La propensione elica del N-terminale è superiore a quella del C-terminale a causa della presenza del gruppo acetilico, che può formare un legame a idrogeno i a i + 4 che stabilizza l’elica come si è visto sia nella simulazione e dati NMR. Questo corretto trattamento della dipendenza dalla sequenza indica ulteriormente la qualità del modello di Drude nel trattare l’equilibrio dell’elica a spirale. Con C36 la propensione elicoidale addizionale al N-terminale non è presente, sebbene sia stata osservata nello studio precedente (32).

L’analisi successiva ha coinvolto la distribuzione delle lunghezze delle eliche durante le simulazioni. La Fig. 3 presenta le probabilità di osservare n residui consecutivi nella regione α. A 340 K, anche se il modello di Drude predice solo il 4,2% di frazione elica, sono presenti lunghi segmenti elicoidali, con la probabilità di osservare eliche con una lunghezza di nove residui (1,1%) superiore a quella di un’elica a sette residui. Tale distribuzione di probabilità è più prominente a 300 K, con un massimo a 12 residui, che corrisponde alla lunghezza media dell’elica nelle proteine (45). A 280 K, il massimo delle eliche è leggermente più corto di quello a 300 K, anche se la natura cooperativa del ripiegamento è ancora evidente data la prominenza delle eliche da 8 a 10 residui su quelle più corte. Nelle simulazioni additive non si osservano distribuzioni con un campionamento maggiore per le eliche più lunghe a nessuna temperatura, con le eliche corte che sono le più popolate. Tuttavia, alcune prove di cooperatività sono presenti a 280 e 300 K come indicato dalla presenza di piccoli picchi nelle distribuzioni a n = 10. Questi risultati indicano che il modello Drude ha una quantità significativamente maggiore di cooperatività di ripiegamento rispetto al modello additivo C36.

Si dovrebbe anche sottolineare che la frazione media totale di elica è uguale alla somma delle probabilità (come presentato in Fig. 3) moltiplicata per le rispettive lunghezze delle eliche, in modo che le eliche più lunghe danno un contributo molto più grande al contenuto elicoidale riportato nel modello polarizzabile. Per esempio, per il modello Drude a 300 K i segmenti elicoidali con una lunghezza di 10 residui o più rappresentano il 78% dell’elica osservata, mentre queste lunghe eliche contribuiscono solo al 25% con il campo di forza C36. Questi risultati supportano ulteriormente una situazione con il campo di forza polarizzabile in cui una volta che un’elica è nucleata ha una maggiore tendenza ad allungarsi, producendo l’aumento più pronunciato nel campionamento di lunghe eliche mostrato in Fig. 3.

Anche se il modello Drude ha una maggiore propensione a formare stati elicali rispetto al modello additivo, favorisce anche stati dispiegati più estesi. Questo è indicato dal raggio di rotazione medio di (AAQAA)3 per gli stati arrotolati (cioè quelli che non contengono alcuna α-elica) che è di 10,9 Å e 10,0 Å per le simulazioni Drude e C36 a 300 K, rispettivamente. Questo è associato con il modello Drude dando una distribuzione più pronunciata bimodale del raggio di rotazione rispetto al modello C36, come mostrato in Fig. S4. Questi risultati indicano ulteriormente la cooperatività della formazione dell’elica nel campo di forza polarizzabile Drude.

Per capire la forte cooperatività di piegatura con il campo di forza polarizzabile Drude a livello microscopico, abbiamo analizzato le distribuzioni ϕ, ψ della spina dorsale per i residui elicoidali, come questo campionamento è stato utilizzato per spiegare la dipendenza dalla temperatura avanzata portata dal potenziale CMAP di C36 rispetto ad altri campi di forza additivi (11,32). La popolazione media dei residui nella vasta regione αR, α+ (vedi Fig. S2), nella regione più stretta α, e nei segmenti elicoidali (%α-elica), come definito da tre residui elicoidali consecutivi, sono elencati nella tabella 1 per le simulazioni 300 K. Anche se il campo di forza polarizzabile produce la più alta frazione di elica basata sia sulla %α che sulla %α-helix, ha la più bassa popolazione di residui nella vasta regione α+. Di conseguenza, i rapporti delle popolazioni α/α+ e α-elica/α sono più alti nella Drude che nella simulazione C36, indicando che una volta che un residuo è nella regione α+ ha una maggiore probabilità di campionare la regione α, più rigida, che forma l’elica. Inoltre, una volta che un residuo è nella regione α ha una maggiore probabilità di partecipare a un tratto di tre o più residui consecutivi nella regione α, cioè di formare una struttura elicoidale. Questo indica un paesaggio energetico a imbuto ripido. Tendenze simili sono osservate sia alla temperatura inferiore che a quella superiore, come mostrato nella tabella S1.

Il grado di cooperatività con il campo di forza additivo C36 è stato attribuito agli effetti di molti corpi associati al potenziale CMAP che permette alla cooperatività dei diedri ϕ e ψ di essere esplicitamente parametrizzata nel modello. Per i residui nei segmenti elicoidali, le simulazioni con i risultati C36 in un bacino di energia libera molto più stretto nelle loro distribuzioni ϕ, ψ (Fig. 4). Questo stretto minimo elicoidale è legato alla regolazione empirica del termine CMAP direttamente rivolto ad una distribuzione PDB (29) con la successiva ottimizzazione del CMAP che produce C36 basata sullo spostamento delle regioni complessive del CMAP per migliorare la frazione elica complessiva di (AAQAA)3 (11). Imporre tale ottimizzazione specifica nel campionamento di ϕ, ψ spazio di fase può essere una necessità per i campi di forza additivi, mentre questo non è richiesto nel campo di forza Drude, come evidenziato dal più ampio ϕ, ψ distribuzione (Fig. 4) perché gli ulteriori, gradi di libertà elettronici incorporati nel modello polarizzabile produrre la cooperatività osservata.

La verifica del contributo della polarizzabilità elettrostatica alla cooperatività ha coinvolto l’analisi dei momenti di dipolo della spina dorsale del peptide, calcolati come media dell’insieme dalle simulazioni per i diversi intervalli conformazionali. I risultati nella tabella 2, nelle righe etichettate “Totale”, mostrano che il modello polarizzabile Drude porta a momenti di dipolo molto più grandi del modello additivo C36, come precedentemente osservato nelle simulazioni MD di proteine e altri sistemi peptidici, con le conformazioni estese che hanno dipoli più grandi delle conformazioni elicoidali nel modello polarizzabile (33). Per illustrare come l’ambiente influenza i dipoli, dipoli intrinseci sono stati ottenuti per il tripeptide alanina in fase gassosa come dettagliato nelle informazioni di supporto. Questi valori sono riportati nella tabella 2 come “intrinseco”, con la differenza tra i dipoli totali e intrinseci rendendo il “Enhancement” dei dipoli peptide a causa dell’ambiente completo composto dal resto del peptide e il solvente circostante. Come è evidente, i momenti di dipolo dei gruppi peptidici sono aumentati significativamente con Drude-2013 mentre per il campo di forza additivo, come previsto, non c’è alcuna differenza significativa tra le fasi condensate e quelle gassose. Il leggero aumento dei dipoli peptidici osservato nelle simulazioni C36 (∼ 0,03 D) è associato all’allungamento dei legami C = O del peptide a causa delle interazioni di legame a idrogeno. Nelle simulazioni Drude il dipolo potenziato è più grande per quei residui nella conformazione α (∼ 1.0 D) che fuori da quella regione (∼ 0.6 D). Per separare gli effetti di induzione del solvente dalle interazioni intrapeptidiche, abbiamo calcolato i momenti di dipolo medi dopo aver rimosso tutte le molecole d’acqua dalle traiettorie MD e poi rilassando le particelle di Drude, ottenendo i valori di “miglioramento intramolecolare”. Confrontandoli con i valori di potenziamento generale, si nota una differenza significativa nel potenziamento intrapeptidico quando un residuo occupa stati a spirale (∼ 0,25 D) rispetto agli stati “α (non in α-elica)” (0,52 D) rispetto agli stati α-elici (0,76 D). Se assumiamo che l’induzione dai residui adiacenti (i – 1 e i + 1) contribuisca a un aumento di 0,39 D, basato sul valore “α+ (non in α)”, allora per i residui elicoidali il restante 0,37 D può essere attribuito al legame idrogeno tra i residui i e i+4, che è la caratteristica unica della struttura elicoidale. È interessante notare che i calcoli di chimica quantistica dei sistemi modello indicano che la ridistribuzione della densità degli elettroni rappresenta la metà della cooperatività della formazione dell’elica (46) e l’effetto cooperativo di stabilizzazione all’interno di un’elica a causa dei legami a idrogeno intraelico è più forte di quello tra l’elica e l’acqua associato ai legami a idrogeno tra i gruppi carbonilici e l’acqua (47), coerente con la presente osservazione.

I risultati della simulazione dello scambio di replica possono essere discussi nel contesto della teoria dell’elica-coil usando il modello Lifson-Roig. Seguendo il protocollo delineato da Best e Hummer (9), i parametri Lifson-Roig w, v sono stati calcolati per entrambe le simulazioni Drude e C36. I valori risultanti sono elencati nella tabella 3 insieme ai valori sperimentali determinati da Rohl e Baldwin (25,26). Il parametro v indipendente dalla temperatura descrive la propensione alla nucleazione dell’elica, e le simulazioni portano a valori di 0,11 e 0,17 per i campi di forza Drude e C36, rispettivamente, rispetto alla stima sperimentale di 0,04. Le differenze indicano che nelle simulazioni MD i residui si convertono troppo facilmente da una conformazione a spirale a una conformazione α, anche se i risultati con il modello Drude sono migliorati rispetto al modello additivo. La sovrastima del parametro v nelle simulazioni è compensata dalla sottostima del parametro w, che descrive l’estensione dell’elica, per ottenere una simile frazione di elica osservata negli esperimenti. Il parametro w per il modello Drude è più grande del modello C36 a 280 e 300 K, essendo in miglior accordo con i dati sperimentali. Tuttavia, i valori a 340 K sono più piccoli che con C36, e in più scarso accordo con l’esperimento. Così, il modello Drude è in miglior accordo per la maggior parte dei termini Lifson-Roig analizzati, coerentemente con il miglioramento della cooperatività nel modello.