Peptidisidosten dipolien induktio ohjaa yhteistoiminnallista kierteiden muodostumista (AAQAA)3-peptidissä | CDhistory

Tulokset ja keskustelu

Kuvassa 1 on esitetty HREMD-simulaatioista saatu kierteiden sisältö lämpötilan funktiona sekä Drude-2013- että C36-voimakenttien osalta sekä kokeelliset NMR-tiedot (27) ja aiemmin raportoidut lämpötilavaihtosimulaatioiden avulla saadut lämpötilavaihtosimulaatioista saadut tulokset C36:lla (11). NMR-arvot perustuvat Shalongon ja Stellwagenin tekemiin karbonyylin kemiallisen siirtymän mittauksiin seitsemässä lämpötilassa 269-363 K:n välillä, ja ne on laskettu käyttäen taulukkoa 1 ja viitteessä (27) olevaa yhtälöä 2. Yksittäisten järjestelmien fraktiokierteet ajan funktiona on esitetty kuvassa S1. Drude-simulaatio ennustaa 300 K:n lämpötilassa 25 %:n kierteispitoisuudeksi, mikä on hieman korkeampi kuin NMR- ja sirkulaaridikroismimittauksista saadut arviot 19 % ja 22 % (26). Lämpötilassa 280 K helikaalipitoisuus (34 %) on pienempi kuin NMR-kokeista saatu (40 %), kun taas korkeammassa lämpötilassa (340 K) poikkeama on pieni (4 % vs. 3 %). Laadullisesti Druden polarisoituva voimakenttä ennustaa tietyn määrän kierteitä 300 K:n lämpötilassa ja lähes ei lainkaan kierteitä korkeammassa lämpötilassa 340 K, kun taas useimmat additiiviset voimakentät johtavat joko kierteiden muodostumiseen molemmissa lämpötiloissa tai kierteiden puuttumiseen molemmissa lämpötiloissa (9-11). Toteamme, että kierteisyyden laskemiseen vaadittavan peptidinäytteenoton täydellisen konvergenssin saavuttaminen on haastavaa, ja myönnämme, että tuloksemme eivät ole täysin konvergoituneita; tämänhetkisen C36:n ja aiemmin julkaistujen lämpötilojen replikaattorinvaihtotulosten välinen yhteneväisyys kierteisyyden osalta osoittaa kuitenkin, että HREMD-lähestymistapa on tuottanut tuloksia, jotka ovat olleet edustavia kokeelliselle järjestelmälle.

Yhteensopivuus kokeellisten tietojen kanssa on olemassa myös jäämäkohtaisesti, kuten kuvassa 2 on esitetty. Esimerkiksi Drude-simulaatiot, joiden mukaan C-terminaalinen alaniinijäännös on aina kelautuneessa tilassa, ovat yhdenmukaisia kokeellisten NMR-kemiallisen siirtymän mittausten kanssa (27). N-terminaalin kierteisyys on suurempi kuin C-terminaalin, koska siinä on asetyyliryhmä, joka voi muodostaa i – i + 4 -vetysidoksen, joka vakauttaa kierteisyyttä, kuten sekä simulaatio- että NMR-tiedoista käy ilmi. Tämä sekvenssiriippuvuuden asianmukainen käsittely osoittaa edelleen, että Drude-malli on laadukas kelan ja spiraalin tasapainon käsittelyssä. C36:lla ei esiinny ylimääräistä kierteisyysalttiutta N-terminaalissa, vaikka se havaittiin aiemmassa tutkimuksessa (32).

Jatkotarkastelu koski heliksen pituuksien jakaantumista simulaatioiden aikana. Kuvassa 3 esitetään todennäköisyydet havaita n peräkkäistä jäännöstä α-alueella. Vaikka Drude-malli ennustaa 340 K:n lämpötilassa vain 4,2 %:n fraktioheliksiä, pitkiä helikaalisegmenttejä esiintyy, sillä todennäköisyys havaita yhdeksän jäännöksen pituisia heliksiä (1,1 %) on suurempi kuin seitsemän jäännöksen pituisen heliksen todennäköisyys. Tällainen todennäköisyysjakauma on selvempi 300 K:n lämpötilassa, ja sen maksimi on 12 jäännöksessä, mikä vastaa proteiinien keskimääräistä kierteiden pituutta (45). 280 K:n lämpötilassa kierteiden maksimi on hieman lyhyempi kuin 300 K:n lämpötilassa, vaikka taittumisen yhteistoiminnallinen luonne on edelleen ilmeinen, kun otetaan huomioon 8-10 jäännöksen pituisten kierteiden korostuminen lyhyempiin kierteisiin nähden. Additiivisissa simulaatioissa jakaumia, joissa pidempien helikoiden näytteenotto on suurempi, ei havaita missään lämpötilassa, vaan lyhyet helikset ovat eniten asuttuja. Joitakin merkkejä yhteistoiminnallisuudesta on kuitenkin havaittavissa 280 ja 300 K:n lämpötiloissa, mikä näkyy pienten piikkien esiintymisenä jakaumissa, kun n = 10. Nämä tulokset osoittavat, että Drude-mallissa on huomattavasti enemmän taittumiskooperatiivisuutta kuin additiivisessa C36-mallissa.

On myös korostettava, että keskimääräinen kierteiden kokonaisosuus on yhtä suuri kuin todennäköisyyksien summa (kuten kuvassa 3 on esitetty) kerrottuna vastaavilla kierteiden pituuksilla, joten pidemmät kierteet muodostavat paljon suuremman osuuden ilmoitetusta kierteiden osuudesta polarisoituvassa mallissa. Esimerkiksi Drude-mallissa 300 K:n lämpötilassa 10 jäännöksen pituiset tai sitä pidemmät kierteiset segmentit muodostavat 78 % havaituista kierteistä, kun taas C36-voimakentällä näiden pitkien kierteiden osuus on vain 25 %. Nämä tulokset tukevat edelleen polarisoituvan voimakentän tilannetta, jossa kun keli on kerran muodostunut, sillä on suurempi taipumus pidentyä, mikä johtaa kuvassa 3 esitetyn pitkien kierteiden otannan voimakkaampaan lisääntymiseen.

Vaikka Drude-mallilla on suurempi taipumus muodostaa kierteisiä tiloja verrattuna additiiviseen malliin, se suosii myös pidemmälle venynyttä avautumatonta tilaa. Tästä on osoituksena se, että (AAQAA)3:n keskimääräinen kiertosäde kelautuneille tiloille (eli tiloille, jotka eivät sisällä yhtään α-kierrettä) on Drude- ja C36-simuloinneissa 300 K:ssa 10,9 Å ja 10,0 Å. Tämä liittyy siihen, että Drude-malli tuottaa C36-malliin verrattuna voimakkaamman bimodaalisen gyraatiosäteen jakauman, kuten kuvassa S4 on esitetty. Nämä tulokset osoittavat edelleen kierteiden muodostumisen yhteistoiminnallisuutta polarisoituvassa Druden voimakentässä.

Ymmärtääksemme vahvaa taittumisen yhteistoiminnallisuutta Druden polarisoituvalla voimakentällä mikroskooppisella tasolla analysoimme selkärangan ϕ, ψ -jakaumia kierteisten residuaaleille, koska tätä otantaa käytettiin selittämään C36:n CMAP-potentiaalin tuomaa tehostunutta riippuvuutta lämpötilasta muihin additiivisiin voimakenttiin verrattuna (11,32). Taulukossa 1 on lueteltu 300 K:n simulaatioiden keskimääräinen jäännöspopulaatio laajalla αR-alueella, α+ (ks. kuva S2), tiukemmalla α-alueella ja kolmen peräkkäisen kierteisen jäännöksen määrittelemissä kierteisissä segmenteissä (%α-helix). Vaikka polarisoituva voimakenttä tuottaa suurimman osuuden kierteitä sekä %α- että %α-kierteiden perusteella, siinä on vähiten jäännöksiä laajalla α+-alueella. Vastaavasti α/α+- ja α-helix/α-populaatioiden suhdeluvut ovat suuremmat Drude- kuin C36-simulaatiossa, mikä osoittaa, että kun jäännös on α+-alueella, sillä on suurempi todennäköisyys ottaa näytteitä tiukemmalta, kierteitä muodostavalta α-alueelta. Lisäksi kun jäännös on α-alueella, sillä on suurempi todennäköisyys osallistua kolmen tai useamman peräkkäisen jäännöksen muodostamaan α-alueen venytykseen eli muodostaa kierteinen rakenne. Tämä viittaa jyrkkään suppilomaiseen energiamaisemaan. Samanlaisia suuntauksia havaitaan sekä matalammassa että korkeammassa lämpötilassa, kuten taulukossa S1 esitetään.

Yhteistoiminnallisuuden laajuus additiivisella C36-voimakentällä johtui CMAP-potentiaaliin liittyvistä monikappale-efekteistä, jotka mahdollistavat ϕ- ja ψ-dihedraalien yhteistoiminnallisuuden eksplisiittisen parametrisoinnin malliin. Kierukkasegmenttien jäännösten osalta simuloinnit C36:lla johtavat paljon kapeampaan vapaan energian altaaseen niiden ϕ-, ψ-jakaumissa (kuva 4). Tämä tiukka kierteinen minimi liittyy CMAP-termin empiiriseen säätöön, joka kohdistuu suoraan PDB-jakaumaan (29), jonka jälkeen CMAP:n optimointi tuottaa C36:n perustuen CMAP:n kokonaisalueiden siirtämiseen CMAP:n kokonaisfraktiokierteen parantamiseksi (AAQAA)3:ssa (11). Tällaisen spesifisen optimoinnin määrääminen ϕ, ψ -faasiavaruuden näytteenotossa voi olla välttämätöntä additiivisille voimakentille, kun taas Druden voimakentässä tätä ei tarvita, kuten laajempi ϕ, ψ -jakauma osoittaa (kuva 4), koska polaroituvaan malliin sisällytetyt ylimääräiset elektroniset vapausasteet tuottavat havaitun yhteistoiminnallisuuden.

Elektrostaattisen polarisoituvuuden osuuden todentaminen yhteistoiminnallisuuteen käsitti peptidin selkärangan dipolimomenttien analyysin, jotka on laskettu ensemble-keskiarvona simuloinneista eri konformaatioalueita varten. Taulukon 2 ”Yhteensä”-rivien tulokset osoittavat, että polarisoituva Drude-malli johtaa paljon suurempiin dipolimomentteihin kuin additiivinen C36-malli, kuten aiemmin on havaittu proteiinien ja muiden peptidisysteemien MD-simuloinneissa, joissa laajennetuilla konformaatioilla on suuremmat dipolit kuin kierteisillä konformaatioilla polarisoituvassa mallissa (33). Sen havainnollistamiseksi, miten ympäristö vaikuttaa dipoleihin, kaasufaasissa olevalle alaniinitripeptidille saatiin luontaiset dipolit, kuten tukitiedoissa on esitetty. Nämä arvot ilmoitetaan taulukossa 2 nimellä ”Intrinsic”, ja kokonaisdipolien ja intrinsic-dipolien välinen erotus antaa peptididipolien ”vahvistumisen”, joka johtuu täydestä ympäristöstä, joka koostuu peptidin loppuosasta ja ympäröivästä liuottimesta. Kuten on ilmeistä, peptidiryhmien dipolimomentit vahvistuvat merkittävästi Drude-2013:lla, kun taas additiivisella voimakentällä ei odotetusti ole merkittävää eroa tiivistetyn ja kaasufaasin välillä. C36-simulaatioissa havaittu peptidien dipolien lievä voimistuminen (∼ 0,03 D) liittyy peptidien C = O-sidosten pidentymiseen vetysidosten vuorovaikutusten vuoksi. Drude-simuloinneissa vahvistunut dipoli on suurempi α-konformaatiossa olevien jäännösten osalta (∼ 1,0 D) kuin kyseisen alueen ulkopuolella (∼ 0,6 D). Erottaaksemme liuottimen induktiovaikutukset peptidinsisäisistä vuorovaikutuksista laskimme keskimääräiset dipolimomentit sen jälkeen, kun kaikki vesimolekyylit oli poistettu MD-radoista ja Drude-hiukkaset oli relaksoitu, jolloin saatiin ”intramolekulaarisen vahvistuksen” arvot. Verrattaessa näitä arvoja kokonaisparannusarvoihin havaitaan merkittävä ero peptidinsisäisessä voimistumisessa, kun jäännös on kierteisessä tilassa (∼ 0,25 D) verrattuna ”α (ei α-kierteisessä)”-tilaan (0,52 D) verrattuna α-helikaaliseen tilaan (0,76 D). Jos oletamme, että vierekkäisten jäännösten (i – 1 ja i + 1) induktio vaikuttaa 0,39 D:n verran ”α+ (ei α-eliaksissa)” -arvon perusteella, loput 0,37 D voidaan kierteisten jäännösten osalta katsoa johtuvan i- ja i + 4 -jäännösten välisestä vetysidoksesta, joka on kierteisen rakenteen ainutlaatuinen piirre. Mielenkiintoista on, että kvanttikemian laskelmat mallisysteemeistä osoittavat, että elektronitiheyden uudelleenjakautuminen aiheuttaa puolet kierteiden muodostumisen yhteistoiminnallisuudesta (46) ja että kierteiden sisäisten vetysidosten vuoksi kierteiden sisäinen yhteistoiminnallinen stabiloiva vaikutus on voimakkaampi kuin kierteiden ja veden välinen vaikutus, joka liittyy karbonyyliryhmien ja veden välisiin vetysidoksiin (47), mikä on johdonmukaista tämän havainnon kanssa.

Replika-vaihtosimulaation tuloksia voidaan käsitellä helix-kierukkateorian yhteydessä Lifson-Roig-mallin avulla. Bestin ja Hummerin (9) esittämän protokollan mukaisesti Lifson-Roigin w, v -parametrit laskettiin sekä Drude- että C36-simulaatioille. Tuloksena saadut arvot on lueteltu taulukossa 3 yhdessä Rohlin ja Baldwinin (25,26) määrittämien kokeellisten arvojen kanssa. Lämpötilasta riippumaton parametri v kuvaa kierteiden ydintymisalttiutta, ja simulaatioiden tuloksena saatiin Drude- ja C36-voimakentille arvot 0,11 ja 0,17, kun kokeellinen arvio on 0,04. Erot osoittavat, että MD-simuloinneissa jäännökset muuntuvat liian helposti kelakonformaatiosta α-konformaatioon, vaikka Drude-mallilla saadut tulokset ovatkin parempia kuin additiivisella mallilla saadut tulokset. Simuloinneissa v-parametrin yliarviointia kompensoidaan aliarvioinnilla w-parametrissa, joka kuvaa kierteiden pidentymistä, jotta saavutetaan samanlainen kierteiden osuus kuin kokeissa havaittiin. Drude-mallin w-parametri on suurempi kuin C36-mallin 280 ja 300 K:n lämpötiloissa, mikä vastaa paremmin kokeellisia tietoja. Arvot 340 K:n lämpötilassa ovat kuitenkin pienemmät kuin C36-mallilla, ja ne ovat huonommassa sopusoinnussa kokeen kanssa. Näin ollen Drude-malli on paremmassa yhteisymmärryksessä useimpien analysoitujen Lifson-Roigin termien osalta, mikä vastaa mallin parempaa yhteistoiminnallisuutta.

.