Induktion av peptidbindningsdipoler driver kooperativ spiralbildning i (AAQAA)3-peptiden | CDhistory

Resultat och diskussion

Helixinnehållet från HREMD-simuleringarna som en funktion av temperaturen visas i figur 1 för både Drude-2013- och C36-kraftfältet, tillsammans med de experimentella NMR-data (27) och de tidigare rapporterade resultaten för C36 som erhållits från simuleringar av temperaturreplikatutbyte (11). NMR-värdena är baserade på mätningar av karbonylkemisk skiftning vid sju temperaturer från 269 till 363 K av Shalongo och Stellwagen, och är beräknade med hjälp av tabell 1 och Eq. 2 i referens (27). Fraktionshelix för de enskilda systemen som en funktion av tiden visas i fig. S1. Vid 300 K förutsäger Drude-simuleringen ett helixinnehåll på 25 %, vilket är något högre än uppskattningar på 19 % och 22 % från NMR-mätningar respektive mätningar med cirkulär dikroism (26). Vid 280 K är den spiralformade halten (34 %) mindre än den som erhålls från NMR-experiment (40 %), medan avvikelsen vid den högre temperaturen (340 K) är liten (4 % jämfört med 3 %). Kvalitativt sett förutsäger Drudes polariserbara kraftfält viss mängd helix vid 300 K och nästan ingen helix vid den högre temperaturen 340 K, medan de flesta additiva kraftfält leder till antingen helixbildning vid båda temperaturerna eller ingen helix vid båda temperaturerna (9-11). Vi noterar att det är en utmaning att uppnå full konvergens av peptidprovtagningen som krävs för att beräkna helixinnehållet och erkänner att våra resultat inte är helt konvergerade; överensstämmelsen mellan de nuvarande C36- och tidigare publicerade temperaturreplikatutbytesresultaten för helixinnehållet tyder dock på att HREMD-ansatsen har gett resultat som har varit representativa för det experimentella schemat.

Konsistensen med experimentella data finns också på basis av varje residubas, vilket visas i fig. 2. Drude-simuleringarna som visar att den C-terminala alaninrestigen alltid befinner sig i det upprullade tillståndet stämmer till exempel överens med de experimentella NMR-mätningarna av kemiskt skift (27). N-terminens helixbenägenhet är högre än C-terminens på grund av närvaron av acetylgruppen, som kan bilda en i till i + 4 vätebindning som stabiliserar helixen, vilket framgår av både simulerings- och NMR-data. Denna korrekta behandling av sekvensberoendet visar ytterligare på Drude-modellens kvalitet när det gäller att behandla spolhelixjämvikten. Med C36 finns inte den extra spiralbenägenheten vid N-terminus, även om den observerades i den tidigare studien (32).

Den efterföljande analysen omfattade fördelningen av helixernas längd under simuleringarna. I figur 3 presenteras sannolikheterna för att observera n på varandra följande rester i α-regionen. Vid 340 K, även om Drude-modellen förutsäger endast 4,2 % fraktionshelix, förekommer långa helixsegment, där sannolikheten att observera helixer med en längd på nio rester (1,1 %) är högre än sannolikheten för en helix med sju rester. En sådan sannolikhetsfördelning är mer framträdande vid 300 K, med ett maximum vid 12 rester, vilket motsvarar den genomsnittliga helixlängden i proteiner (45). Vid 280 K är maximum i helikerna något kortare än vid 300 K, även om veckningens kooperativa karaktär fortfarande är tydlig med tanke på att helikerna med 8-10 rester är mer framträdande än de kortare helikerna. I de additiva simuleringarna observeras inte fördelningar med högre sampling för längre spiraler vid någon temperatur, utan korta spiraler är mest befolkade. Vissa tecken på samverkan finns dock vid 280 och 300 K, vilket indikeras av små toppar i fördelningarna vid n = 10. Dessa resultat tyder på att Drude-modellen har en betydligt större mängd vikningskooperativitet än den additiva C36-modellen.

Det bör också betonas att den totala genomsnittliga fraktionen helix är lika med summan av sannolikheterna (som presenteras i fig. 3) multiplicerat med respektive helixlängd, så att längre helixer ger ett mycket större bidrag till det rapporterade helixinnehållet i den polariserbara modellen. För Drude-modellen vid 300 K står till exempel helixsegment med en längd på 10 rester eller mer för 78 % av den observerade helixen, medan dessa långa helixer endast bidrar med 25 % med kraftfältet C36. Dessa resultat stöder ytterligare en situation med det polariserbara kraftfältet där när en helix väl har bildats har den större tendens att förlängas, vilket ger den mer uttalade ökningen av urvalet av långa helixer som visas i fig. 3.

Men även om Drude-modellen har en större benägenhet att bilda helikala tillstånd jämfört med den additiva modellen, så gynnar den också mer utdragna oveckade tillstånd. Detta indikeras av att den genomsnittliga gyrationsradien för (AAQAA)3 för spiralformade tillstånd (dvs. de som inte innehåller någon α-helix) är 10,9 Å och 10,0 Å för Drude- och C36-simuleringarna vid 300 K, respektive. Detta hänger samman med att Drude-modellen ger en mer uttalad bimodal fördelning av gyrationsradien jämfört med C36-modellen, vilket visas i figur S4. Dessa resultat visar ytterligare på helixbildningens kooperativitet i det polariserbara Drude-kraftfältet.

För att förstå den starka veckningskooperativiteten med det polariserbara Drude-kraftfältet på mikroskopisk nivå analyserade vi ryggradets ϕ, ψ-fördelningar för de helikala resterna, eftersom denna sampling användes för att förklara det förstärkta temperaturberoende som C36:s CMAP-potential medförde jämfört med andra additiva kraftfält (11,32). Den genomsnittliga populationen av rester i den breda αR-regionen, α+ (se fig. S2), i den mer strikta α-regionen och i helikala segment (%α-helix), som definieras av tre på varandra följande helikala rester, anges i tabell 1 för simuleringarna vid 300 K. Även om det polariserbara kraftfältet ger den högsta fraktionen helix baserat på både %α och %α-helix, har det lägst population av rester i den breda α+ regionen. Följaktligen är förhållandet mellan α/α+- och α-helix/α-populationerna högre i Drude-simuleringen än i C36-simuleringen, vilket tyder på att när en rest väl befinner sig i α+-regionen har den större sannolikhet att ta prov på den mer strikta, helixbildande α-regionen. När en rest väl befinner sig i α-regionen har den dessutom större sannolikhet att delta i en sträckning av tre eller fler på varandra följande rester i α-regionen, dvs. att den bildar en spiralformad struktur. Detta tyder på ett brant trattliknande energilandskap. Liknande tendenser observeras både vid lägre och högre temperatur, vilket visas i tabell S1.

Umfattningen av kooperativitet med det additiva C36-kraftfältet tillskrevs många-kroppseffekter i samband med CMAP-potentialen som gör det möjligt att uttryckligen parametrisera kooperativiteten hos ϕ- och ψ-dihedrarna i modellen. För resterna i de spiralformade segmenten resulterar simuleringar med C36 i en mycket smalare bassäng av fri energi i deras ϕ, ψ-fördelningar (fig. 4). Detta snäva helikala minimum är relaterat till den empiriska justeringen av CMAP-termen som är direkt inriktad på en PDB-fördelning (29) med efterföljande optimering av CMAP som ger C36 baserat på förskjutning av övergripande regioner av CMAP för att förbättra den totala fraktionen helix av (AAQAA)3 (11). Att införa en sådan specifik optimering i provtagningen av ϕ, ψ-fasrummet kan vara en nödvändighet för additiva kraftfält, medan detta inte krävs i Drude-kraftfältet, vilket framgår av den bredare ϕ, ψ-fördelningen (fig. 4) eftersom de ytterligare, elektroniska frihetsgrader som ingår i den polariserbara modellen ger den observerade kooperativiteten.

Verifiering av bidraget från den elektrostatiska polariserbarheten till kooperativitet innebar en analys av dipolmoment för peptidryggraden, beräknat som ensemblegenomsnittet från simuleringarna för de olika konformationella områdena. Resultaten i tabell 2, i raderna med beteckningen ”Totalt”, visar att den polariserbara Drude-modellen leder till mycket större dipolmoment än den additiva C36-modellen, vilket tidigare observerats i MD-simuleringar av proteiner och andra peptidsystem, där de förlängda konformationerna har större dipoler än de spiralformade konformationerna i den polariserbara modellen (33). För att illustrera hur miljön påverkar dipolerna erhölls inneboende dipoler för alanintripeptiden i gasfas enligt detaljerna i stödinformationen. Dessa värden rapporteras i tabell 2 som ”intrinsik”, där skillnaden mellan de totala och intrinsikala dipolerna ger en ”förstärkning” av peptiddipolerna på grund av den fullständiga miljön som består av resten av peptiden och det omgivande lösningsmedlet. Som framgår är peptidgruppernas dipolmoment avsevärt förstärkta med Drude-2013, medan det för det additiva kraftfältet, som förväntat, inte finns någon signifikant skillnad mellan kondenserade faser och gasfaser. Den lilla förstärkning av peptiddipolerna som observerades i C36-simuleringarna (∼ 0,03 D) är förknippad med förlängningen av peptidernas C = O-bindningar på grund av vätebindningsinteraktioner. I Drude-simuleringarna är den förstärkta dipolen större för de rester som befinner sig i α-konformationen (∼ 1,0 D) än utanför den regionen (∼ 0,6 D). För att separera induktionseffekterna av lösningsmedel från intrapeptidinteraktioner beräknade vi de genomsnittliga dipolmomenten efter att ha tagit bort alla vattenmolekyler från MD-trajektorerna och sedan avslappnat Drude-partiklarna som ger de ”intramolekylära förstärkningsvärdena”. En jämförelse av dessa med de övergripande förstärkningsvärdena visar en signifikant skillnad i den intrapeptida förstärkningen när en rest intar spiraltillstånd (∼ 0,25 D) jämfört med ”α (inte i α-helix)”-tillstånden (0,52 D) jämfört med α-helixtillstånden (0,76 D). Om vi antar att induktionen från intilliggande rester (i – 1 och i + 1) bidrar med en förstärkning på 0,39 D, baserat på ”α+ (inte i α-helix)”-värdet, kan de återstående 0,37 D för helikala rester tillskrivas vätebindningen mellan i- och i+4-resterna, vilket är den unika egenskapen hos den helikala strukturen. Intressant nog visar kvantkemiska beräkningar av modellsystem att omfördelning av elektrontäthet står för hälften av helixbildningens kooperativitet (46) och att den kooperativa stabiliserande effekten inom en helix på grund av de intrahelikala vätebindningarna är starkare än den mellan helixen och vatten i samband med vätebindningar mellan karbonylgrupperna och vatten (47), vilket stämmer överens med den nuvarande observationen.

Resultaten av simuleringen av replikutbytet kan diskuteras i samband med helix-spolteorin med hjälp av Lifson-Roig-modellen. Enligt det protokoll som beskrivs av Best och Hummer (9) beräknades Lifson-Roigparametrarna w, v för både Drude- och C36-simuleringarna. De resulterande värdena anges i tabell 3 tillsammans med de experimentella värden som fastställts av Rohl och Baldwin (25,26). Den temperaturoberoende parametern v beskriver benägenheten för spiralkärnbildning, och simuleringarna resulterar i värden på 0,11 och 0,17 för Drude- respektive C36-kraftfälten, jämfört med den experimentella uppskattningen på 0,04. Skillnaderna tyder på att restsubstanserna i MD-simuleringarna alltför lätt omvandlas från en spolkonformation till en α-konformation, även om resultaten med Drude-modellen är bättre än med den additiva modellen. Överskattningen av v-parametern i simuleringarna kompenseras av deras underskattning av w-parametern, som beskriver helixförlängningen, för att uppnå liknande fraktion helix som observerats i experimenten. W-parametern för Drude-modellen är större än C36-modellen vid 280 och 300 K och stämmer bättre överens med de experimentella uppgifterna. Värdena vid 340 K är dock mindre än för C36 och stämmer sämre överens med experimenten. Drude-modellen stämmer alltså bättre överens för majoriteten av de analyserade Lifson-Roig-termerna, vilket stämmer överens med den förbättrade kooperativiteten i modellen.