Indução da Formação de Hélices Cooperativas de Peptídeos Dipolos de Ligação na (AAQAA)3 Peptídeo | CDhistory

Resultados e Discussão

O conteúdo helicoidal das simulações de HREMD em função da temperatura é representado na Fig. 1 para os campos de força Drude-2013 e C36, juntamente com os dados experimentais de RMN (27) e os resultados anteriormente relatados para C36 obtidos de simulações de troca de réplicas de temperatura (11). Os valores da RMN são baseados nas medições de deslocamento químico carbonilo a sete temperaturas de 269 a 363 K por Shalongo e Stellwagen, e são calculados usando a Tabela 1 e Eq. 2 na referência (27). A Fig. S1 mostra a hélice de fração para os sistemas individuais em função do tempo. Em 300 K, a simulação Drude prevê um conteúdo helicoidal de 25%, que é ligeiramente superior às estimativas de 19% e 22% das medidas de RMN e dicroísmo circular (26), respectivamente. A 280 K, o conteúdo helicoidal (34%) é menor do que o obtido em experimentos de RMN (40%), enquanto que à temperatura mais alta (340 K) o desvio é pequeno (4% versus 3%). Qualitativamente, o campo de força polarizável de Drude prevê certa quantidade de hélice a 300 K e quase nenhuma hélice à temperatura mais alta de 340 K, enquanto a maioria dos campos de força aditiva leva à formação de hélice a ambas as temperaturas ou a nenhuma hélice a ambas as temperaturas (9-11). Observamos que a obtenção da convergência total da amostragem do peptídeo, conforme necessário para calcular o conteúdo helicoidal, é um desafio e reconhecemos que nossos resultados não são totalmente convergentes; entretanto, a concordância entre o presente C36 e os resultados de troca de réplicas de temperatura previamente publicados para o conteúdo helicoidal indica que a abordagem HREMD produziu resultados que foram representativos do regime experimental.

A consistência com os dados experimentais também está presente em uma base por resíduo, como mostrado na Fig. 2. Por exemplo, as simulações de Drude mostrando o resíduo de alanina terminal C para estar sempre no estado enrolado é consistente com as medidas experimentais de deslocamento químico da RMN (27). A propensão da hélice do termo N é maior que a do termo C devido à presença do grupo acetil, que pode formar uma ligação de hidrogênio i a i + 4 que estabiliza a hélice como visto tanto na simulação quanto nos dados da RMN. Este tratamento adequado da dependência de seqüência indica ainda mais a qualidade do modelo Drude no tratamento do equilíbrio entre a hélice e a bobina. Com C36 a propensão helicoidal adicional no termo N não está presente, embora tenha sido observada no estudo anterior (32).

Análise subseqüente envolveu a distribuição dos comprimentos das hélices durante as simulações. A Fig. 3 apresenta as probabilidades de observação de n resíduos consecutivos na região α. Em 340 K, embora o modelo Drude preveja apenas 4,2% de hélice fracionária, há segmentos helicoidais longos, sendo a probabilidade de se observar hélices com um comprimento de nove resíduos (1,1%) maior que a de uma hélice de sete resíduos. Tal distribuição de probabilidade é mais proeminente a 300 K, com um máximo a 12 resíduos, o que corresponde ao comprimento médio da hélice em proteínas (45). Com 280 K, o máximo nas hélices é ligeiramente inferior ao de 300 K, embora o carácter cooperativo da dobragem seja ainda evidente dada a proeminência de hélices de 8 a 10 resíduos sobre hélices mais curtas. Nas simulações aditivas não são observadas distribuições com maior amostragem para hélices mais longas a qualquer temperatura, sendo as hélices curtas as mais povoadas. Entretanto, algumas evidências de cooperatividade estão presentes a 280 e 300 K como indicado pela presença de pequenos picos nas distribuições a n = 10. Estes resultados indicam que o modelo Drude tem uma quantidade significativamente maior de cooperatividade dobrável do que o modelo C36 aditivo.

Deve também ser enfatizado que a fração média total da hélice é igual à soma das probabilidades (como apresentado na Fig. 3) multiplicada pelos respectivos comprimentos da hélice, de modo que hélices mais longas contribuem muito mais para o conteúdo helicoidal relatado no modelo polarizável. Por exemplo, para o modelo Drude em segmentos helicoidais de 300 K com um comprimento de 10 ou mais resíduos representam 78% da hélice observada, enquanto essas hélices longas contribuem com apenas 25% com o campo de força C36. Estes resultados suportam ainda uma situação com o campo de força polarizável na qual uma vez nucleada a hélice tem maior tendência a alongar-se, produzindo o aumento mais pronunciado na amostragem de hélices longas mostradas na Fig. 3.

Embora o modelo Drude tenha uma maior propensão a formar estados helicoidais em comparação com o modelo aditivo, também favorece estados desdobrados mais prolongados. Isto é indicado pelo raio de giração médio de (AAQAA)3 para estados enrolados (ou seja, aqueles que não contêm nenhuma hélice α) sendo 10,9 Å e 10,0 Å para as simulações de Drude e C36 a 300 K, respectivamente. Isto está associado com o modelo Drude, o que produz uma distribuição bimodal mais pronunciada do raio de giração em comparação com o modelo C36, como mostrado na Fig. S4. Esses resultados indicam ainda a cooperatividade da formação da hélice no campo de força polarizável Drude.

Para entender a forte cooperatividade dobrável com o campo de força polarizável Drude a um nível microscópico, analisamos a espinha dorsal ϕ, ψ distribuições para os resíduos helicoidais, já que essa amostragem foi utilizada para explicar a maior dependência da temperatura trazida pelo potencial CMAP do C36 em comparação com outros campos de força aditiva (11,32). A população média de resíduos na região ampla αR, α+ (ver Fig. S2), na região mais restrita α, e em segmentos helicoidais (%α-helix), conforme definido por três resíduos helicoidais consecutivos, estão listados na Tabela 1 para as simulações de 300 K. Embora o campo de força polarizável produza a maior fração de hélice baseada em %α e %α-helix, ele tem a menor população de resíduos na ampla região α+. Assim, as proporções das populações de α/α+ e α-helix/α são maiores na região Drude do que na simulação C36, indicando que uma vez que um resíduo está na região α+ tem uma maior probabilidade de amostragem na região α+ mais rigorosa, formando a hélice. Além disso, uma vez que um resíduo está na região α, tem maior probabilidade de participar de um trecho de três ou mais resíduos consecutivos na região α, ou seja, de formar uma estrutura helicoidal. Isto indica uma paisagem energética íngreme como um funil. Tendências similares são observadas tanto na temperatura mais baixa quanto na mais alta, como mostra a Tabela S1.

A extensão da cooperatividade com o campo de força aditivo C36 foi atribuída a muitos efeitos corporais associados ao potencial CMAP que permite que a cooperatividade das cédulas ϕ e ψ seja explicitamente parametrizada no modelo. Para os resíduos nos segmentos helicoidais, as simulações com C36 resultam em uma bacia de energia livre muito mais estreita em suas distribuições de ϕ, ψ (Fig. 4). Este mínimo helicoidal apertado está relacionado ao ajuste empírico do termo CMAP visando diretamente uma distribuição PDB (29) com subseqüente otimização do rendimento C36 do CMAP com base no deslocamento das regiões globais do CMAP para melhorar a hélice da fração total da (AAQAA)3 (11). Impondo tal otimização específica na amostragem de ϕ, ψ espaço de fase pode ser uma necessidade para campos de força aditivos, enquanto que isso não é necessário no campo de força Drude, como evidenciado pela distribuição mais ampla ϕ, ψ (Fig. 4) porque os graus de liberdade adicionais e eletrônicos incorporados no modelo polarizável produzem a cooperatividade observada.

Verificação da contribuição da polarizabilidade eletrostática para a cooperatividade envolveu a análise dos momentos dipolo da espinha dorsal do peptídeo, computados como a média do conjunto das simulações para as diferentes faixas conformacionais. Os resultados da Tabela 2, nas linhas denominadas “Total”, mostram que o modelo Drude polarizável leva a momentos dipolo muito maiores do que o modelo C36 aditivo, como observado anteriormente nas simulações MD de proteínas e outros sistemas peptídeos, com as conformações estendidas tendo dipolos maiores do que as conformações helicoidais no modelo polarizável (33). Para ilustrar como o ambiente afeta os dipolos, foram obtidos dipolos intrínsecos para o tríptido alanino-fase gasosa, conforme detalhado na informação de apoio. Estes valores são reportados na Tabela 2 como “Intrínseco”, com a diferença entre os dipolos totais e intrínsecos produzindo o “Aperfeiçoamento” dos dipolos peptídeos devido ao ambiente completo composto pelo restante do peptídeo e o solvente circundante. Como é evidente, os momentos dipolo dos grupos de peptídeos são significativamente realçados com Drude-2013, enquanto para o campo de força aditivo, como esperado, não há diferença significativa entre as fases condensada e gasosa. O ligeiro realce dos dipolos peptídeos observado nas simulações de C36 (∼ 0,03 D) está associado ao alongamento das ligações peptídeo C = O por causa das interações de ligação de hidrogênio. Nas simulações de Drude o dipolo melhorado é maior para esses resíduos na conformação α (∼ 1.0 D) do que fora dessa região (∼ 0.6 D). Para separar os efeitos de indução das interações entre solventes e intrapéptidos, calculamos os momentos médios de dipolo depois de remover todas as moléculas de água das trajetórias MD e depois relaxar as partículas de Drude produzindo os valores de “realce intramolecular”. Comparando aqueles com os valores globais de realce mostra uma diferença significativa no realce intrapéptido quando um resíduo ocupa estados enrolados (∼ 0,25 D) versus os estados “α (não em α-helix)” (0,52 D) versus os estados α-helical (0,76 D). Se assumirmos que a indução de resíduos adjacentes (i – 1 e i + 1) contribui com um aumento de 0,39 D, baseado no valor “α+ (não em α)”, então para os resíduos helicoidais o restante 0,37 D pode ser atribuído à ligação de hidrogênio entre os resíduos i e i+4, que é a característica única da estrutura helicoidal. Curiosamente, os cálculos de química quântica dos sistemas modelo indicam que a redistribuição da densidade de elétrons representa metade da cooperatividade de formação da hélice (46) e o efeito estabilizador da cooperativa dentro de uma hélice, devido às ligações de hidrogênio intra-helical, é mais forte do que aquela entre a hélice e a água associada às ligações de hidrogênio entre os grupos carbonilo e água (47), consistente com a presente observação.

Os resultados da simulação de troca de réplicas podem ser discutidos no contexto da teoria da hélice-coil utilizando o modelo Lifson-Roig. Seguindo o protocolo delineado por Best e Hummer (9), os parâmetros w, v de Lifson-Roig foram computados para as simulações de Drude e C36. Os valores resultantes estão listados na Tabela 3 junto com os valores experimentais determinados por Rohl e Baldwin (25,26). O parâmetro independente de temperatura v descreve a propensão para nucleação da hélice, e as simulações resultam em valores de 0,11 e 0,17 para os campos de força Drude e C36, respectivamente, em comparação com a estimativa experimental de 0,04. As diferenças indicam que nas simulações MD os resíduos são facilmente convertidos de uma conformação de bobina para uma conformação α, embora os resultados com o modelo Drude sejam melhorados em relação ao modelo aditivo. A superestimação do parâmetro v nas simulações é compensada pela subestimação do parâmetro w, que descreve a extensão da hélice, para alcançar uma fração semelhante da hélice observada nos experimentos. O parâmetro w para o modelo Drude é maior que o modelo C36 a 280 e 300 K, estando em melhor concordância com os dados experimentais. Entretanto, os valores em 340 K são menores do que com o C36, e em menor concordância com o experimento. Assim, o modelo Drude está em melhor concordância para a maioria dos termos analisados de Lifson-Roig, consistente com a melhor cooperatividade no modelo.