Indukcja Dipoli wiązań peptydowych napędza kooperatywną formację helisy w peptydzie (AAQAA)3 | CDhistory

Wyniki i dyskusja

Zawartość helisy z symulacji HREMD w funkcji temperatury jest przedstawiona na Rys. 1 zarówno dla pól siłowych Drude-2013 jak i C36, wraz z eksperymentalnymi danymi NMR (27) i wcześniej podanymi wynikami dla C36 uzyskanymi z symulacji wymiany repliki temperaturowej (11). Wartości NMR są oparte na pomiarach przesunięcia chemicznego karbonylu w siedmiu temperaturach od 269 do 363 K przez Shalongo i Stellwagena, i są obliczone przy użyciu Tabeli 1 i Równania 2 w odnośniku (27). Frakcja helisy dla poszczególnych układów w funkcji czasu jest pokazana na Rys. S1. W temperaturze 300 K, symulacja Drude’a przewiduje zawartość helisy na poziomie 25%, co jest nieco wyższe niż szacunki 19% i 22% odpowiednio z pomiarów NMR i dichroizmu kołowego (26). W temperaturze 280 K, zawartość helikali (34%) jest mniejsza niż uzyskana z eksperymentów NMR (40%), podczas gdy w wyższej temperaturze (340 K) odchylenie jest niewielkie (4% versus 3%). Jakościowo, polaryzowalne pole siłowe Drude’a przewiduje pewną ilość helisy w temperaturze 300 K i prawie brak helisy w wyższej temperaturze 340 K, podczas gdy większość addytywnych pól siłowych prowadzi albo do tworzenia helisy w obu temperaturach, albo do braku helisy w obu temperaturach (9-11). Zauważamy, że uzyskanie pełnej zbieżności próbkowania peptydów, wymaganej do obliczenia zawartości helisy, jest wyzwaniem i przyznajemy, że nasze wyniki nie są w pełni zbieżne; jednak zgodność między obecnym C36 i wcześniej opublikowanymi wynikami wymiany repliki temperaturowej dla zawartości helisy wskazują, że podejście HREMD przyniosło wyniki, które były reprezentatywne dla reżimu eksperymentalnego.

Zgodność z danymi eksperymentalnymi jest również obecna na podstawie per-residue, jak pokazano na Rys. 2. Na przykład, symulacje Drude’a pokazujące, że C-końcowa reszta alaninowa zawsze znajduje się w stanie zwiniętym, są zgodne z eksperymentalnymi pomiarami przesunięcia chemicznego NMR (27). Skłonność do tworzenia helisy na N-końcu jest większa niż na C-końcu ze względu na obecność grupy acetylowej, która może tworzyć wiązanie wodorowe i do i + 4, które stabilizuje helisę, jak widać zarówno w symulacji, jak i danych NMR. To prawidłowe traktowanie zależności sekwencyjnej dodatkowo wskazuje na jakość modelu Drude’a w traktowaniu równowagi spirala-helisa. W przypadku C36 dodatkowa skłonność helikalna na N-końcu nie występuje, chociaż była obserwowana w poprzednim badaniu (32).

Subsequent analysis involved the distribution of the lengths of the helices during the simulations. Na Rys. 3 przedstawiono prawdopodobieństwa zaobserwowania n kolejnych reszt w regionie α. W temperaturze 340 K, mimo że model Drudego przewiduje jedynie 4,2% frakcji helisy, występują długie segmenty helikalne, przy czym prawdopodobieństwo zaobserwowania helisy o długości dziewięciu reszt (1,1%) jest wyższe niż prawdopodobieństwo zaobserwowania helisy siedmioresidowej. Taki rozkład prawdopodobieństwa jest bardziej widoczny w temperaturze 300 K, z maksimum przy 12 resztach, co odpowiada średniej długości helisy w białkach (45). W temperaturze 280 K maksimum w helisach jest nieco krótsze niż w 300 K, chociaż kooperatywny charakter fałdowania jest nadal widoczny, biorąc pod uwagę przewagę helis o długości 8 do 10 reszt nad krótszymi helisami. W symulacjach addytywnych rozkłady z wyższym próbkowaniem dla dłuższych heliksów nie są obserwowane w żadnej temperaturze, a krótkie heliksy są najbardziej zaludnione. Jednakże, pewne dowody kooperatywności są obecne w temperaturach 280 i 300 K, na co wskazuje obecność małych pików w rozkładach przy n = 10. Wyniki te wskazują, że model Drude’a ma znacznie większą kooperatywność składania niż addytywny model C36.

Należy również podkreślić, że całkowita średnia frakcja helisy równa się sumie prawdopodobieństw (jak przedstawiono na Rys. 3) pomnożonych przez odpowiednie długości helis, tak że dłuższe helisy wnoszą znacznie większy wkład do raportowanej zawartości helis w modelu polaryzowalnym. Na przykład, dla modelu Drude’a w temperaturze 300 K segmenty helisy o długości 10 lub więcej reszt stanowią 78% obserwowanej helisy, podczas gdy te długie heliksy mają tylko 25% udział w polu siłowym C36. Wyniki te dodatkowo wspierają sytuację z polaryzowalnym polem siłowym, w którym raz zarodkowana helisa ma większą tendencję do wydłużania się, dając wyraźniejszy wzrost w próbkowaniu długich helis pokazanych na Rys. 3.

Chociaż model Drude’a ma większą skłonność do tworzenia stanów helikalnych w porównaniu z modelem addytywnym, to również faworyzuje bardziej wydłużone stany rozwinięte. Wskazuje na to średni promień giracji (AAQAA)3 dla stanów zwiniętych (tj. tych, które nie zawierają żadnej helisy α) wynoszący 10.9 Å i 10.0 Å odpowiednio dla symulacji Drudego i C36 w temperaturze 300 K. Jest to związane z tym, że model Drude’a daje bardziej wyraźny bimodalny rozkład promienia giracji w porównaniu z modelem C36, jak pokazano na Rys. S4. Wyniki te dodatkowo wskazują na kooperatywność tworzenia helisy w polaryzowalnym polu siłowym Drude.

Aby zrozumieć silną kooperatywność fałdowania w polaryzowalnym polu siłowym Drude na poziomie mikroskopowym, przeanalizowaliśmy rozkłady ϕ szkieletu, ψ dla reszt helikalnych, ponieważ to próbkowanie zostało użyte do wyjaśnienia zwiększonej zależności temperaturowej przynoszonej przez potencjał CMAP modelu C36 w porównaniu z innymi addytywnymi polami siłowymi (11,32). Średnia populacja reszt w szerokim regionie αR, α+ (patrz Rys. S2), w bardziej ścisłym regionie α, oraz w segmentach helikalnych (%α-helisa), zdefiniowanych przez trzy kolejne reszty helikalne, są wymienione w Tabeli 1 dla symulacji w temperaturze 300 K. Chociaż polaryzowalne pole siłowe daje helisę o największej frakcji, zarówno na podstawie %α jak i %α-helisy, ma ono najmniejszą populację reszt w szerokim regionie α+. Odpowiednio, stosunki populacji α/α+ i α-helisy/α są wyższe w symulacji Drude’a niż w symulacji C36, wskazując, że gdy reszta znajduje się w regionie α+, ma większe prawdopodobieństwo próbkowania bardziej ścisłego, tworzącego helisę regionu α. Ponadto, gdy reszta znajduje się w regionie α, ma większe prawdopodobieństwo uczestniczenia w odcinku trzech lub więcej kolejnych reszt w regionie α, tj. tworzenia struktury helikalnej. Wskazuje to na stromy, lejkowaty krajobraz energetyczny. Podobne tendencje obserwuje się zarówno w niższej, jak i wyższej temperaturze, co przedstawiono w tabeli S1.

Zakres kooperatywności z addytywnym polem siłowym C36 przypisano efektom wielu ciał związanym z potencjałem CMAP, który pozwala na kooperatywność diademów ϕ i ψ jawnie sparametryzowanych w modelu. Dla reszt w segmentach helikalnych, symulacje z C36 prowadzą do znacznie węższego basenu energii swobodnej w ich rozkładach ϕ, ψ (Rys. 4). To ciasne minimum helikalne związane jest z empirycznym dopasowaniem terminu CMAP bezpośrednio do rozkładu PDB (29) z późniejszą optymalizacją CMAP dającą C36 opartą na przesunięciu ogólnych regionów CMAP w celu poprawy ogólnej frakcji helisy (AAQAA)3 (11). Narzucenie takiej specyficznej optymalizacji w próbkowaniu przestrzeni fazowej ϕ, ψ może być koniecznością dla addytywnych pól siłowych, podczas gdy nie jest to wymagane w polu siłowym Drude’a, o czym świadczy szerszy rozkład ϕ, ψ (Rys. 4), ponieważ dodatkowe, elektroniczne stopnie swobody włączone do modelu polaryzowalnego dają obserwowaną kooperatywność.

Weryfikacja wkładu polaryzowalności elektrostatycznej do kooperatywności polegała na analizie momentów dipolowych szkieletu peptydu, obliczonych jako średnia zespołowa z symulacji dla różnych zakresów konformacyjnych. Wyniki w Tabeli 2, w wierszach oznaczonych jako „Total”, pokazują, że polaryzowalny model Drude’a prowadzi do znacznie większych momentów dipolowych niż addytywny model C36, jak zaobserwowano wcześniej w symulacjach MD białek i innych układów peptydowych, przy czym wydłużone konformacje mają większe dipole niż konformacje helikalne w modelu polaryzowalnym (33). Aby zilustrować, jak środowisko wpływa na dipole, uzyskano wewnętrzne dipole dla tripeptydu alaniny w fazie gazowej, jak szczegółowo opisano w informacjach dodatkowych. Wartości te podano w Tabeli 2 jako „wewnętrzne”, przy czym różnica pomiędzy dipolami całkowitymi i wewnętrznymi daje „Wzmocnienie” dipoli peptydowych ze względu na pełne środowisko składające się z reszty peptydu i otaczającego rozpuszczalnika. Jak widać, momenty dipolowe grup peptydowych są znacznie wzmocnione przez Drude-2013, podczas gdy dla addytywnego pola siłowego, zgodnie z oczekiwaniami, nie ma znaczącej różnicy pomiędzy fazą skondensowaną i gazową. Niewielkie wzmocnienie dipoli peptydowych obserwowane w symulacjach C36 (∼ 0.03 D) związane jest z wydłużeniem peptydowych wiązań C = O na skutek oddziaływań wiązania wodorowego. W symulacjach Drude wzmocniony dipol jest większy dla reszt w konformacji α (∼ 1.0 D) niż poza tym regionem (∼ 0.6 D). Aby oddzielić efekty indukcyjne rozpuszczalnika od oddziaływań wewnątrzpeptydowych, obliczyliśmy średnie momenty dipolowe po usunięciu z trajektorii MD wszystkich cząsteczek wody, a następnie rozluźnieniu cząsteczek Drudego, uzyskując wartości „wzmocnienia wewnątrzcząsteczkowego”. Porównanie tych wartości z ogólnymi wartościami wzmocnienia pokazuje znaczącą różnicę we wzmocnieniu wewnątrzpeptydowym, gdy reszty zajmują stany zwinięte (∼ 0.25 D) w stosunku do stanów „α (nie w helisie α)” (0.52 D) w stosunku do stanów α-helikalnych (0.76 D). Jeśli założymy, że indukcja od sąsiednich reszt (i – 1 oraz i + 1) przyczynia się do wzmocnienia o 0,39 D, bazując na wartości „α+ (nie w α)”, to dla reszt helikalnych pozostałe 0,37 D może być przypisane wiązaniu wodorowemu pomiędzy resztami i oraz i+4, co jest unikalną cechą struktury helikalnej. Co ciekawe, obliczenia chemii kwantowej układów modelowych wskazują, że redystrybucja gęstości elektronowej odpowiada za połowę kooperatywności tworzenia helisy (46), a kooperatywny efekt stabilizujący w obrębie helisy z powodu wewnątrzhelisowych wiązań wodorowych jest silniejszy niż ten między helisą a wodą związany z wiązaniami wodorowymi między grupami karbonylowymi a wodą (47), co jest zgodne z obecną obserwacją.

Wyniki symulacji wymiany repliki mogą być omówione w kontekście teorii helisy-cewki z wykorzystaniem modelu Lifsona-Roiga. Zgodnie z protokołem przedstawionym przez Best i Hummer (9), parametry Lifson-Roig w, v zostały obliczone zarówno dla symulacji Drude jak i C36. Otrzymane wartości podano w tabeli 3 wraz z wartościami eksperymentalnymi wyznaczonymi przez Rohla i Baldwina (25,26). Niezależny od temperatury parametr v opisuje skłonność do nukleacji helisy, a wynikiem symulacji są wartości 0.11 i 0.17 odpowiednio dla pól siłowych Drude i C36, w porównaniu z eksperymentalnym oszacowaniem 0.04. Różnice wskazują, że w symulacjach MD reszty zbyt łatwo przechodzą z konformacji spiralnej do konformacji α, choć wyniki z modelem Drude’a są lepsze niż z modelem addytywnym. Przeszacowanie parametru v w symulacjach jest kompensowane przez niedoszacowanie parametru w, który opisuje wydłużenie helisy, aby uzyskać podobną frakcję helisy obserwowaną w eksperymentach. Wartości parametru w dla modelu Drude’a są większe niż dla modelu C36 w temperaturach 280 i 300 K, będąc w lepszej zgodności z danymi eksperymentalnymi. Jednakże, wartości w 340 K są mniejsze niż dla modelu C36, i w gorszej zgodności z danymi eksperymentalnymi. Tak więc, model Drude’a jest w lepszej zgodności dla większości analizowanych terminów Lifsona-Roiga, co jest zgodne z poprawioną kooperatywnością w tym modelu.

.