Computational study of ionic effects on the conformational stability and the helix/coil equilibrium of model oligopeptides

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή είναι μια υπολογιστική μελέτη της επίδρασης των αλάτων στη στερεοδιαταξική σταθερότητα και την ισορροπία έλικας/τυχαίου σπειρώματος ολιγοπεπτιδίων, με στόχο τη διαφώτιση του μηχανισμού της ιοντικής δράσης στην διαδικασία της πρωτεϊνικής αναδίπλωσης, που είναι ένα θεμελιώδες πρόβλημα στη βιοχημεία και τη βιοφυσική. Η τρέχουσα βιβλιογραφία περιέχει πολύ περιορισμένες πληροφορίες για την επίδραση των αλάτων στις διαμορφώσεις των πρωτεϊνών, αν και τα άλατα είναι γνωστό ότι έχουν επιπτώσεις στη σταθερότητα και τη διαλυτότητα των πρωτεϊνών, και έχει βρεθεί επίσης ότι διαδραματίζουν ρόλο σε φαινόμενα συσσωμάτωσης πρωτεϊνών που οδηγούν στο σχηματισμό αμυλοειδών ινιδίων, νανοδομών και συστημάτων που βαζίζονται σε πεπτίδια και ανταποκρίνονται σε περιβαλλοντικές διεγέρσεις (stimulus-responsive peptide-based systems). Έχουμε προσδιορίσει την επίδραση των αλάτων στην ισορροπία έλικας/τυχαίου σπειρώματος ολιγοπεπτιδίων μελετώντας την επίδραση των αλάτων στους χάρτες Ramachandran και υπολογίζοντας τις παραμέτρους μετάπτωσης έλικας/τυχαίου σπειρώματος Lifson-Roig και Zimm-Bragg συναρτήσει της συγκέντρωσης αλάτων. Ένας τέτοιος υπολογισμός δεν έχει διεξαχθεί ποτέ προηγουμένως στην παρουσία αλάτων και αποτελεί τη σημαντικότερη καινοτομία της παρούσας διατριβής. Επειδή οι χρόνοι εξισορρόπησης της μοριακής δυναμικής των ολιγοπεπτιδίων ή των ιόντων σε διαλύματα τείνουν να είναι αρκετά μεγάλοι, έχει χρησιμοποιηθεί στη διατριβή αυτή η υψηλής απόδοσης μέθοδος προσομοίωσης replica exchange, η οποία είναι βασισμένη στις ταυτόχρονες προσομοιώσεις του ίδιου συστήματος σε διάφορες θερμοκρασίες. Από ό,τι γνωρίζουμε, αυτή είναι η πρώτη φορά που η μέθοδος εφαρμόζεται σε ένα μείγμα πεπτιδίων με ιόντα. Εκτός από τη σημαντική επιτάχυνση της εξισορρόπησης των προσομοιώσεων, η μέθοδος έχει παράσχει λεπτομέρειες για τη στερεοδιαταξική σταθερότητα και την ισορροπία έλικας/τυχαίου σπειρώματος ολιγοπεπτιδίων των υπό μελέτη πεπτιδίων για ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Η παρούσα μελέτη διαχωρίζεται σε τρία μέρη. Το πρώτο μέρος αναφέρεται στη μελέτη της επίδρασης των ιόντων στη στερεοδιαταξική σταθερότητα της κύριας αλυσίδας των πεπτιδίων. Η μελέτη αυτή βασίστηκε σε προσομοιώσεις των απλούστερων δυνατών πεπτιδίων: του διπεπτιδίου Αλανίνης (Ac-Ala-NMe) και του τετραπεπτιδίου Αλανίνης (Ac-Ala3-NMe) με τα κατάλληλα τερματικά άκρα. Από τη μελέτη της επίδρασης των ιόντων στις διαμορφώσεις του διπεπτιδίου της αλανίνης βρέθηκε ότι οι διαμορφώσεις της κύριας αλυσίδας, όπως περιγράφονται από τους χάρτες Ramachandran, δεν επηρεάζονται ακόμα και από υψηλές συγκεντρώσεις NaCl και NaI. Αντίθετα, στην περίπτωση του τετραπεπτιδίου Αλανίνης, οι χάρτες Ramachandran υποδεικνύουν αυξητική τάση για πιο συμπαγείς διαμορφώσεις στην παρουσία αλάτων, με το NaI να έχει τη μεγαλύτερη επίδραση. Η παρατήρηση αυτή, ότι οι συμπαγείς διαμορφώσεις αυξάνονται παρουσία αλάτων, συσχετίζεται με συνακόλουθη αύξηση της πιθανότητας σχηματισμού δεσμών υδρογόνου «τύπου» α-έλικας (i/i+4), και άλλων δεσμών υδρογόνου (i/i+3, i/i+2). Κατορθώσαμε να δείξουμε ότι η αύξηση δεν οφείλεται στις ισχυρές αλληλεπιδράσεις ιόντων-πεπτιδίου, ή στη διαφορά εφυδάτωσης του πεπτιδίου στην παρουσία ιόντων. Επίσης επιβεβαιώσαμε ότι τα ιόντα Cl- προτιμούν να παραμένουν μακριά από τα πεπτίδια, ενώ τα ιόντα I- έχουν τάση να αλληλεπιδρούν με τις υδρόφοβες μεθυλομάδες, όπως έχει παρατηρηθεί σε προηγούμενες προσομοιώσεις ολιγοπεπτιδίων. Η χρήση αυτού του ουδέτερου πεπτιδίου στο οποίο απουσιάζουν οι άμεσες ηλεκτροστατικές συνεισφορές φορτίου-φορτίου στη σταθερότητα της έλικας, επιτρέπουν να εστιάσουμε στις αλληλεπιδράσεις salting-in (εναλάτωσης) και salting-out (εξαλάτωσης) των ιόντων με τις μη πολικές και τις υπόλοιπες πεπτιδικές ομάδες. Το δεύτερο μέρος της διατριβής μελετά την επίδραση των ιόντων στη στερεοδιαταξική σταθερότητα της δευτεροταγούς δομής της α-έλικας και στην ισορροπία έλικας/τυχαίου σπειρώματος ολιγοπεπτιδίων. Εδώ έχουμε προσομοιώσει το πεπτίδιο Ace-(AAQAA)3-NMe (AQ) σε υδατικά διαλύματα ηλεκτρολυτών. (..)

The present Doctoral Thesis is a computational investigation of the effects of salts on the conformational stability and on the helix-coil transition of model oligopeptides, aiming to shed light on the mechanism of specific ion action on the protein folding process, a key problem in biochemistry and biophysics. Current literature contains very limited information on salt effects on protein conformations, although salts are known to affect the stability and solubility of proteins, and have also been found to play a role in protein aggregation phenomena leading to the formation of amyloid fibrils, nanostructures and stimulus-responsive peptide-based systems. We have quantified the salt effects on the helix-coil equilibrium of model peptides by checking the effect of salts on the Ramachandran maps and computing the associated Lifson-Roig and Zimm-Bragg helix-coil transition parameters as a function of salt concentration. Such a computation has never been attempted before in the presence of salts and constitutes the major innovation in the present project. Because the equilibration times for oligopeptides or ions in solution tend to be quite long, the high-efficiency replica exchange simulation method has been used, which is based on simultaneous simulations of the same system at several temperatures. To our knowledge, this is the first time that this method is applied to a mixed protein-salt solution. In addition to its sampling efficiency, the method has provided insights on the conformational stability and helix/coil equilibrium of the studied peptides at a wide range of temperatures. The present study is divided in three parts. In the first part studies of ionic effects on the stability of the conformation of the protein backbone are reported. These results were obtained by performing simulations of the simplest possible oligopeptides: the properly blocked alanine dipeptide (Ac-Ala-NMe) and alanine tetrapeptide (Ac-Ala3-NMe). In our investigation of salt effects on the conformations of an alanine dipeptide, we found that the “intrinsic” conformational states of the backbone, as described by Ramachandran maps, are not greatly affected even by large concentrations of NaCl and NaI. In the case of an alanine tetrapeptide, however, the Ramachandran maps show an increased tendency for more compact conformations in the presence of salts, with NaI being more effective. Our finding that compact conformations are enhanced by salts was associated with a concomitant increase in the formation probabilities of the α-helical hydrogen bond (i/i+4), and other hydrogen bonds (i/i+3, i/i+2). We were able to show that the enhancement is not due to stronger ion-peptide interaction, or to a difference in the hydration of the peptide in the presence of ions. We also verified that Cl- ions prefer to stay away from the peptides, while I- ions have a preferential interaction with the hydrophobic methyl groups, as was also observed in previous oligopeptide simulations. electrostatic effects on helix stability are absent, allows focusing on the salting-in and salting-out interactions of the solution ions with the nonpolar and other peptide groups. In the second part of the thesis studies of ionic effects on the stability of the α-helix secondary-structural motif and the helix/coil equilibrium have been carried out. Here we have simulated the model peptide Ace-(AAQAA)3-NMe (AQ) in aqueous electrolyte solutions. (...)