Inducerea dipolilor legăturilor peptidice determină formarea cooperativă a elicei în peptida (AAQAA)3 | CDhistory

Rezultate și discuții

Conținutul elicei din simulările HREMD în funcție de temperatură este reprezentat în figura 1 atât pentru câmpurile de forță Drude-2013, cât și pentru C36, împreună cu datele experimentale RMN (27) și cu rezultatele raportate anterior pentru C36 obținute din simulările de schimb de replică a temperaturii (11). Valorile RMN se bazează pe măsurătorile deplasării chimice a carbonilului la șapte temperaturi cuprinse între 269 și 363 K efectuate de Shalongo și Stellwagen și sunt calculate folosind tabelul 1 și ecuația 2 din referința (27). Fracția helix pentru sistemele individuale în funcție de timp este prezentată în Fig. S1. La 300 K, simularea Drude prezice un conținut elicoidal de 25%, care este ușor mai mare decât estimările de 19% și, respectiv, 22% din măsurătorile RMN și dicroismul circular (26). La 280 K, conținutul elicoidal (34%) este mai mic decât cel obținut din experimentele RMN (40%), în timp ce la temperatura mai ridicată (340 K) abaterea este mică (4% față de 3%). Din punct de vedere calitativ, câmpul de forță polarizabil Drude prezice o anumită cantitate de elice la 300 K și aproape nici o elice la temperatura mai mare de 340 K, în timp ce majoritatea câmpurilor de forță aditive conduc fie la formarea de elice la ambele temperaturi, fie la nici o elice la ambele temperaturi (9-11). Observăm că obținerea unei convergențe complete a eșantionării peptidelor, așa cum este necesar pentru a calcula conținutul de elice, este o provocare și recunoaștem că rezultatele noastre nu sunt complet convergente; cu toate acestea, acordul dintre prezentul C36 și rezultatele schimbului de replici de temperatură publicate anterior pentru conținutul de elice indică faptul că abordarea HREMD a dat rezultate care au fost reprezentative pentru regimul experimental.

Concordanța cu datele experimentale este prezentă, de asemenea, pe baza fiecărui reziduu, așa cum se arată în Fig. 2. De exemplu, simulările Drude care arată că reziduul de alanină C-terminal se află întotdeauna în stare spiralată este în concordanță cu măsurătorile experimentale de deplasare chimică RMN (27). Propensiunea la helix a extremității N-terminale este mai mare decât cea a extremității C-terminale din cauza prezenței grupului acetil, care poate forma o legătură de hidrogen i la i + 4 care stabilizează helixul, după cum se observă atât în simulări, cât și în datele RMN. Această tratare adecvată a dependenței de secvență indică, de asemenea, calitatea modelului Drude în tratarea echilibrului spirală-elice. În cazul lui C36, propensiunea elicoidală suplimentară la extremitatea N-terminală nu este prezentă, deși a fost observată în studiul anterior (32).

Analiza ulterioară a implicat distribuția lungimilor elicelor în timpul simulărilor. Fig. 3 prezintă probabilitățile de observare a n reziduuri consecutive în regiunea α. La 340 K, deși modelul Drude prezice o fracțiune de elice de numai 4,2%, sunt prezente segmente elicoidale lungi, probabilitatea de a observa elice cu o lungime de nouă resturi (1,1%) fiind mai mare decât cea pentru o elice cu șapte resturi. O astfel de distribuție de probabilitate este mai proeminentă la 300 K, cu un maxim la 12 reziduuri, ceea ce corespunde lungimii medii a elicei în proteine (45). La 280 K, maximul în cazul elicelor este ușor mai scurt decât cel de la 300 K, deși natura cooperantă a pliajului este încă evidentă, având în vedere proeminența elicelor de 8 până la 10 reziduuri față de cele mai scurte. În simulările aditive, distribuțiile cu eșantionare mai mare pentru elicele mai lungi nu sunt observate la nicio temperatură, elicele scurte fiind cele mai populate. Cu toate acestea, unele dovezi de cooperativitate sunt prezente la 280 și 300 K, după cum indică prezența unor mici vârfuri în distribuțiile la n = 10. Aceste rezultate indică faptul că modelul Drude are o cantitate semnificativ mai mare de cooperativitate de pliere decât modelul aditiv C36.

De asemenea, trebuie subliniat faptul că fracția medie totală de elice este egală cu suma probabilităților (așa cum este prezentată în Fig. 3) înmulțită cu lungimile respective ale elicei, astfel încât elicele mai lungi au o contribuție mult mai mare la conținutul elicoidal raportat în modelul polarizabil. De exemplu, pentru modelul Drude la 300 K, segmentele elicoidale cu o lungime de 10 reziduuri sau mai mult reprezintă 78% din elicea observată, în timp ce aceste elice lungi contribuie doar cu 25% cu câmpul de forță C36. Aceste rezultate sprijină și mai mult o situație cu câmpul de forță polarizabil în care, odată ce o elice este nucleată, aceasta are o tendință mai mare de alungire, producând creșterea mai pronunțată a eșantionării de elice lungi prezentată în Fig. 3.

Deși modelul Drude are o tendință mai mare de a forma stări elicoidale în comparație cu modelul aditiv, acesta favorizează, de asemenea, stări desfășurate mai extinse. Acest lucru este indicat de raza medie de girație a (AAQAA)3 pentru stările înfășurate (adică cele care nu conțin nicio α-helix) care este de 10,9 Å și, respectiv, 10,0 Å pentru simulările Drude și C36 la 300 K. Acest lucru este asociat cu modelul Drude care produce o distribuție bimodală mai pronunțată a razei de girație în comparație cu modelul C36, așa cum se arată în Fig. S4. Aceste rezultate indică și mai mult cooperativitatea formării spiralei în câmpul de forță polarizabil Drude.

Pentru a înțelege puternica cooperativitate de pliere cu câmpul de forță polarizabil Drude la nivel microscopic, am analizat distribuțiile ϕ, ψ ale coloanei vertebrale pentru reziduurile elicoidale, deoarece această eșantionare a fost utilizată pentru a explica dependența sporită de temperatură adusă de potențialul CMAP al lui C36 în comparație cu alte câmpuri de forță aditive (11,32). Populația medie de reziduuri din regiunea αR largă, α+ (a se vedea Fig. S2), din regiunea α mai strictă și din segmentele elicoidale (%α-helix), așa cum sunt definite de trei reziduuri elicoidale consecutive, sunt enumerate în tabelul 1 pentru simulările la 300 K. Deși câmpul de forță polarizabil produce cea mai mare fracție de helix bazată atât pe %α, cât și pe %α-helix, acesta are cea mai mică populație de reziduuri în regiunea α+ largă. În consecință, raporturile dintre populațiile α/α+ și α-helix/α sunt mai mari în simularea Drude decât în simularea C36, ceea ce indică faptul că, odată ce un reziduu se află în regiunea α+, acesta are o probabilitate mai mare de a eșantiona regiunea α, mai strictă, care formează helix. Mai mult, odată ce un reziduu se află în regiunea α, acesta are o probabilitate mai mare de a participa la o întindere de trei sau mai multe reziduuri consecutive în regiunea α, adică de a forma o structură elicoidală. Acest lucru indică un peisaj energetic abrupt de tip pâlnie. Tendințe similare sunt observate atât la temperatura inferioară, cât și la cea superioară, după cum se arată în tabelul S1.

Amploarea cooperativității cu câmpul de forță aditiv C36 a fost atribuită efectelor cu mulți corpuri asociate cu potențialul CMAP care permite ca cooperativitatea diedrelor ϕ și ψ să fie parametrizată explicit în model. Pentru reziduurile din segmentele elicoidale, simulările cu C36 au ca rezultat un bazin de energie liberă mult mai îngust în distribuțiile lor ϕ, ψ (Fig. 4). Acest minim elicoidal strâns este legat de ajustarea empirică a termenului CMAP care vizează direct o distribuție PDB (29), cu optimizarea ulterioară a CMAP care dă C36 bazată pe deplasarea regiunilor globale ale CMAP pentru a îmbunătăți fracția generală a helixului de fracție a (AAQAA)3 (11). Impunerea unei astfel de optimizări specifice în eșantionarea spațiului de fază ϕ, ψ poate fi o necesitate pentru câmpurile de forță aditive, în timp ce acest lucru nu este necesar în câmpul de forță Drude, așa cum reiese din distribuția mai largă ϕ, ψ (Fig. 4), deoarece gradele de libertate electronice suplimentare încorporate în modelul polarizabil produc cooperativitatea observată.

Verificarea contribuției polarizabilității electrostatice la cooperativitate a implicat analiza momentelor de dipol ale coloanei vertebrale peptidice, calculate ca medie de ansamblu din simulări pentru diferitele intervale conformaționale. Rezultatele din tabelul 2, în rândurile etichetate „Total”, arată că modelul Drude polarizabil conduce la momente dipolare mult mai mari decât modelul aditiv C36, așa cum s-a observat anterior în simulările MD ale proteinelor și ale altor sisteme peptidice, conformațiile extinse având dipoli mai mari decât conformațiile elicoidale în modelul polarizabil (33). Pentru a ilustra modul în care mediul afectează dipolii, au fost obținuți dipoli intrinseci pentru tripeptida alanină în fază gazoasă, după cum se detaliază în informațiile justificative. Aceste valori sunt raportate în tabelul 2 ca „intrinseci”, diferența dintre dipolii totali și cei intrinseci producând „intensificarea” dipolilor peptidei din cauza mediului complet format din restul peptidei și solventul înconjurător. După cum este evident, momentele dipolare ale grupurilor peptidice sunt îmbunătățite semnificativ cu Drude-2013, în timp ce pentru câmpul de forță aditiv, așa cum era de așteptat, nu există nicio diferență semnificativă între fazele condensate și gazoase. Ușoara intensificare a dipolilor peptidici observată în simulările C36 (∼ 0,03 D) este asociată cu alungirea legăturilor peptidice C = O din cauza interacțiunilor de legătură de hidrogen. În simulările Drude, dipolul îmbunătățit este mai mare pentru acele reziduuri din conformația α (∼ 1,0 D) decât în afara acestei regiuni (∼ 0,6 D). Pentru a separa efectele de inducție ale solventului de interacțiunile intrapeptidice, am calculat momentele medii de dipol după ce am eliminat toate moleculele de apă din traiectoriile MD și apoi am relaxat particulele Drude care dau valorile „îmbunătățirii intramoleculare”. Compararea acestora cu valorile globale de intensificare arată o diferență semnificativă în ceea ce privește intensificarea intrapeptidică atunci când un reziduu ocupă stări spiralate (∼ 0,25 D) față de stările „α (nu în α-helix)” (0,52 D) față de stările α-helicoidale (0,76 D). Dacă presupunem că inducția de la reziduurile adiacente (i – 1 și i + 1) contribuie la o creștere de 0,39 D, pe baza valorii „α+ (nu în α)”, atunci pentru reziduurile elicoidale, restul de 0,37 D poate fi atribuit legăturii de hidrogen dintre reziduurile i și i+4, care este caracteristica unică a structurii elicoidale. În mod interesant, calculele de chimie cuantică ale sistemelor model indică faptul că redistribuirea densității electronice reprezintă jumătate din cooperativitatea de formare a helixului (46), iar efectul de stabilizare cooperativă în cadrul unui helix din cauza legăturilor de hidrogen intrahelicoidale este mai puternic decât cel dintre helix și apă asociat cu legăturile de hidrogen dintre grupele carbonil și apă (47), în concordanță cu observația de față.

Rezultatele simulării schimbului de replici pot fi discutate în contextul teoriei helix-coil folosind modelul Lifson-Roig. Urmând protocolul prezentat de Best și Hummer (9), parametrii Lifson-Roig w, v au fost calculați atât pentru simulările Drude, cât și pentru simulările C36. Valorile rezultate sunt enumerate în tabelul 3 împreună cu valorile experimentale determinate de Rohl și Baldwin (25,26). Parametrul v, independent de temperatură, descrie tendința de nucleare a helixului, iar simulările au ca rezultat valori de 0,11 și, respectiv, 0,17 pentru câmpurile de forță Drude și C36, comparativ cu estimarea experimentală de 0,04. Diferențele indică faptul că, în cadrul simulărilor MD, reziduurile se transformă prea ușor dintr-o conformație spiralată într-o conformație α, deși rezultatele obținute cu modelul Drude sunt mai bune decât cele obținute cu modelul aditiv. Supraestimarea parametrului v în simulări este compensată de subestimarea de către acestea a parametrului w, care descrie extinderea helixului, pentru a obține o fracțiune de helix similară celei observate în experimente. Parametrul w pentru modelul Drude este mai mare decât cel al modelului C36 la 280 și 300 K, fiind în mai bună concordanță cu datele experimentale. Cu toate acestea, valorile la 340 K sunt mai mici decât în cazul C36, fiind în mai slabă concordanță cu experimentul. Astfel, modelul Drude este în mai bună concordanță pentru majoritatea termenilor Lifson-Roig analizați, în concordanță cu cooperativitatea îmbunătățită din model.

.