Inductie van Peptide Bond Dipoles Drives Cooperative Helix Formation in the (AAQAA)3 Peptide | CDhistory

Fractie helix als functie van temperatuur bepaald uit NMR-experimenten en replica uitwisselingssimulaties met de Drude polariseerbare en de CHARMM36 additieve krachtvelden. De C36 T-REMD resultaten zijn eerder gerapporteerd (11). Om deze figuur in kleur te zien, ga online.

Ook moet worden benadrukt dat de totale gemiddelde fractie helix gelijk is aan de som van de waarschijnlijkheden (zoals gepresenteerd in Fig. 3) vermenigvuldigd met de respectievelijke helixlengtes, zodat langere helixen een veel grotere bijdrage leveren aan de gerapporteerde helixinhoud in het polariseerbare model. Bijvoorbeeld, voor de Drude model op 300 K schroeflijn segmenten met een lengte van 10 residuen of meer goed voor 78% van de helix waargenomen, terwijl deze lange schroeflijnen slechts 25% bij te dragen met de C36 krachtveld. Deze resultaten ondersteunen verder een situatie met de polariseerbare krachtveld waarin zodra een helix is nucleated het heeft een hogere neiging te verlengen, wat resulteert in de meer uitgesproken toename van de bemonstering van lange schroeflijnen getoond in Fig. 3.

Hoewel het Drude model heeft een hogere neiging tot het vormen van spiraalvormige toestanden in vergelijking met het additieve model, het is ook voorstander van meer uitgebreide ongevouwen toestanden. Dit wordt aangegeven door de gemiddelde gyratiestraal van (AAQAA)3 voor opgerolde toestanden (d.w.z. toestanden die geen α-helix bevatten) die respectievelijk 10,9 Å en 10,0 Å bedraagt voor de Drude- en C36-simulaties bij 300 K. Dit wordt geassocieerd met het Drude model dat een meer uitgesproken bimodale verdeling van de gyratiestraal oplevert vergeleken met het C36 model, zoals te zien is in Fig. S4. Deze resultaten geven verder de coöperativiteit van helixvorming in de polariseerbare Drude kracht field.

Om de sterke vouwen coöperativiteit met de Drude polariseerbare krachtveld op een microscopisch niveau te begrijpen, analyseerden we de ruggengraat ϕ, ψ distributies voor de spiraalvormige residuen, zoals deze bemonstering werd gebruikt om de versterkte temperatuurafhankelijkheid gebracht door C36’s CMAP potentieel in vergelijking met andere additieve krachtvelden (11,32) te verklaren. De gemiddelde populatie van residuen in de brede αR regio, α + (zie Fig. S2), in de meer strikte α regio, en in spiraalvormige segmenten (%α-helix), zoals gedefinieerd door drie opeenvolgende spiraalvormige residuen, zijn opgenomen in tabel 1 voor de 300 K simulaties. Hoewel de polariseerbare krachtveld levert de hoogste fractie helix op basis van zowel %α en %α-helix, het heeft laagste bevolking van residuen in de brede α + regio. Dienovereenkomstig zijn de verhoudingen van de α/α+ en α-helix/α populaties hoger in de Drude dan in de C36 simulatie, wat aangeeft dat wanneer een residu zich eenmaal in het α+ gebied bevindt, het een grotere kans heeft om het meer strikte, helix-vormende α gebied te bemonsteren. Bovendien heeft een residu dat zich eenmaal in het α-gebied bevindt, een grotere kans om deel te nemen aan een rek van drie of meer opeenvolgende residuen in het α-gebied, d.w.z. een spiraalstructuur te vormen. Dit wijst op een steil trechtervormig energielandschap. Vergelijkbare trends worden waargenomen bij zowel de lagere en hogere temperatuur, zoals weergegeven in tabel S1.

De mate van coöperativiteit met het additieve C36 krachtveld werd toegeschreven aan veel-lichaamseffecten die samenhangen met de CMAP potentiaal die coöperativiteit van de ϕ en ψ dihedralen toestaat om expliciet in het model te worden geparametriseerd. Voor de residuen in de schroeflijnsegmenten resulteren simulaties met C36 in een veel smaller vrije-energiegebied in hun ϕ, ψ distributies (Fig. 4). Deze strakke spiraal minimum is gerelateerd aan de empirische aanpassing van de CMAP term direct gericht op een PDB verdeling (29) met daaropvolgende optimalisatie van CMAP opleveren C36 gebaseerd op het verschuiven van de totale regio’s van CMAP om de totale fractie helix van (AAQAA)3 (11) te verbeteren. Het opleggen van een dergelijke specifieke optimalisatie in de bemonstering van ϕ, ψ faseruimte kan een noodzaak zijn voor additieve krachtvelden, terwijl dit niet nodig is in het Drude krachtveld, zoals blijkt uit de bredere ϕ, ψ verdeling (Fig. 4) omdat de extra, elektronische vrijheidsgraden opgenomen in het polariseerbare model de waargenomen coöperativiteit opleveren.

>

Distributies van backbone ϕ, ψ dihedraalhoeken van residuen in α-helicale segmenten van drie of meer residuen uit de 300 K simulaties met de Drude en CHARMM36 krachtvelden. De resultaten worden weergegeven als -kTlnP waarbij P de kansdichtheid is, uitgezet in contourlijnen ten opzichte van de laagste waarde in het getoonde interessegebied. De contourlijnen lopen van 0 tot 2 kcal/mol met een interval van 0,2 kcal/mol.

Verificatie van de bijdrage van de elektrostatische polariseerbaarheid aan de coöperativiteit betrof analyse van de peptide ruggengraat dipoolmomenten, berekend als het ensemblegemiddelde van de simulaties voor de verschillende conformatiebereiken. De resultaten in tabel 2, in de rijen met het label “Totaal,” blijkt dat de polariseerbare Drude model leidt tot veel grotere dipool momenten dan de additieve C36 model, zoals eerder waargenomen in MD-simulaties van eiwitten en andere peptide systemen, met de uitgebreide conformatie met grotere dipolen dan de spiraalvormige conformatie in de polariseerbare model (33). Om te illustreren hoe de omgeving de dipolen beïnvloedt, werden intrinsieke dipolen verkregen voor de gas-fase alanine tripeptide zoals beschreven in de ondersteunende informatie. Deze waarden worden gerapporteerd in tabel 2 als “Intrinsieke”, met het verschil tussen de totale en intrinsieke dipolen levert de “Enhancement” van de peptide dipolen als gevolg van de volledige omgeving bestaat uit de rest van de peptide en het omringende oplosmiddel. Zoals duidelijk is, worden de dipoolmomenten van peptidegroepen aanzienlijk versterkt met Drude-2013, terwijl er voor het additieve krachtveld, zoals verwacht, geen significant verschil is tussen gecondenseerde en gasfasen. De lichte versterking van peptide dipolen waargenomen in de C36 simulaties (∼ 0.03 D) is geassocieerd met de verlenging van peptide C = O bindingen als gevolg van waterstofbrug interacties. In de Drude simulaties is de verhoogde dipool groter voor de residuen in de α conformatie (∼ 1.0 D) dan buiten dat gebied (∼ 0.6 D). Om de inductie effecten van oplosmiddel te scheiden van intrapeptide interacties, berekenden we de gemiddelde dipoolmomenten na het verwijderen van alle watermoleculen uit de MD trajecten en vervolgens ontspannen van de Drude deeltjes die de “intramoleculaire versterking” waarden opleveren. Vergelijking van deze waarden met de algemene versterkingswaarden laat een significant verschil zien in de intrapeptide versterking wanneer een residu opgerolde toestanden inneemt (∼ 0.25 D) versus de “α (niet in α-helix)”-toestanden (0.52 D) versus de α-helicale toestanden (0.76 D). Als we aannemen dat de inductie van aangrenzende residuen (i – 1 en i + 1) 0,39 D bijdraagt, gebaseerd op de “α+ (niet in α)”-waarde, dan kan voor spiraalvormige residuen de resterende 0,37 D worden toegeschreven aan de waterstofbruggen tussen de i- en i+4-residuen, wat het unieke kenmerk is van spiraalvormige structuren. Interessant is dat kwantumchemische berekeningen van modelsystemen aangeven dat de herverdeling van elektronendichtheid goed is voor de helft van de coöperativiteit bij helixvorming (46) en dat het coöperatieve stabiliserende effect binnen een helix vanwege de intrahelicale waterstofbruggen sterker is dan dat tussen de helix en water geassocieerd met waterstofbruggen tussen de carbonylgroepen en water (47), consistent met de huidige waarneming.

De replica uitwisseling simulatieresultaten kunnen worden besproken in de context van helix-coil theorie met behulp van de Lifson-Roig model. Volgens het protocol beschreven door Best en Hummer (9), werden de Lifson-Roig w, v parameters berekend voor zowel de Drude en C36 simulaties. De resulterende waarden zijn vermeld in tabel 3 samen met de experimentele waarden bepaald door Rohl en Baldwin (25,26). De temperatuursonafhankelijke parameter v beschrijft de neiging tot helixkernvorming, en de simulaties resulteren in waarden van 0,11 en 0,17 voor respectievelijk de Drude en C36 krachtvelden, vergeleken met de experimentele schatting van 0,04. De verschillen wijzen erop dat in de MD simulaties residuen te gemakkelijk van een spoelconformatie naar een α-conformatie converteren, hoewel de resultaten met het Drude model beter zijn dan met het additieve model. De overschatting van de v-parameter in de simulaties wordt gecompenseerd door hun onderschatting van de w-parameter, die helixverlenging beschrijft, om een vergelijkbare fractie helix te bereiken die in experimenten is waargenomen. De w-parameter voor het Drude-model zijn groter dan het C36-model bij 280 en 300 K, en komen beter overeen met de experimentele gegevens. De waarden bij 340 K zijn echter kleiner dan bij C36, en in slechtere overeenkomst met experiment. Het Drude model heeft dus een betere overeenkomst voor de meerderheid van de geanalyseerde Lifson-Roig termen, consistent met de verbeterde coöperativiteit in het model.