水从部分溶剂化泛素蒸发和构象变化

文摘

使用分子动力学模拟,我们研究了蒸发的水分子部分溶剂化泛素。的蒸发和冷却率确定分子的初始温度300 K。周围的冷却速率被发现是3 K / ns,并减少与水在蒸发过程中温度。构象的变化监测通过研究各种各样的中间部分溶剂化泛素结构。我们发现泛素收缩减少水化壳和暴露更多的亲水表面周围。

1。介绍

常用的质谱技术对生物分子把起点分析物分子嵌入matrix-such MALDI (matrix-assisted激光解吸电离)或者在液体溶剂化;这里的例子是ESI(电喷雾电离)或LILBID(液体激光光束离子解吸)技术。理想情况下,当然,质谱法仅适用于裸露的生物分子,后被剥夺了所有的溶剂分子。这种解放过程的最后阶段的特殊的意义,因为他们将决定这一过程的有效速度和最终的生物分子的构象。最近的一个评论文章(1)概述了蛋白质的去溶剂化过程嵌入m-size液滴包含几个阶段和诱导蛋白质的构象变化发展以及脱水过程。这里,液滴的蒸发的水,可以让它缩水、冷却,直到蛋白完全脱水,仅仅是第一步;这是紧随其后的是“疏水性崩溃”带电侧链的干燥的蛋白质,在一定的时间范围内发生的几ps,由于水化壳的损失。毫秒的时间尺度上,气相碰撞与周围分子以及辐射加热可能进一步对蛋白质构象的影响,如静电相互作用的疏水键和离解的损失。折叠成更稳定的气相结构可能最终进行直到秒或分钟时间尺度。分子动力学(MD)模拟可以用来阐明这些过程的第一阶段,即脱水和蒸发冷却步骤,以及相关的构象变化;这些早期的实验过程是不容易。

使用MD模拟计算研究的部分溶剂化蛋白质在真空2- - - - - -7去溶剂化动力学]或[8,9最近报道。致力于医学研究中展开和气态和溶剂化蛋白的重折叠行为,我们提10- - - - - -12),致力于细胞色素c和溶菌酶。蛋白质泛素研究(2,3,13- - - - - -15)重点在溶液中构象变化和热变性条件。

在这篇文章中,我们将分析的最后阶段蒸发的水从一个泛素蛋白。我们考虑一个相当寒冷的蛋白质,起价300 K和蒸发冷却至270 K左右。我们监控分子的构象变化考虑中间,部分溶剂化结构。

2。方法

我们考虑一个泛素分子(一个小球状蛋白质在所有真核生物76氨基酸残基组成,共有13222个原子的分子量8433 Da)在5个不同的环境中:(1)大体积的水意识到作为一个立方的水体积与周期性边界条件,(2)806个水分子(称为的水滴厚壳),(3)279个水分子(称为的水滴薄壳),(4)真空(无水),(5)水晶泛素,pdb结构(16]。

结构2、3和4显示在图1。在这项研究中,只有被认为是中性电荷状态;它对应于pH值7水环境(3]。我们注意到在低pH值环境中,泛素变得高度紧张(在pH值2)费用;然后展开所谓的状态(15]。

大部分水系统通过设置实现生物分子在50立方水量的边长与周期性边界条件。在开始蒸发模拟之前,我们准备系统,如下所示。我们删除所谓坏water-protein接触,水分子的氧原子比2.3更紧密的蛋白质nonhydrogen原子被移除。然后进行能量最小化系统使用最速下降法(SD)和采用基础组牛顿(ABNR) CHARMM放松分子系统的模块。之后,一个简短的50 ps MD模拟使用谐波限制蛋白质允许溶剂放松。最小化后,系统接受了50 ps进步缓慢加热使用Berendsen算法的工作温度300 K。最后,系统平衡在150 ps在体积恒定温度和MD模拟。这个系统包含了3997个水分子。

这个大体积的水系统为10 ns模拟恒温恒压(1条)(300 K)。压活塞的质量和朗之万活塞碰撞频率设置为400阿姆河和20,分别。图2表明,至少在过去的ns,蛋白质平衡构象,在最初的几个ns, RMSD表明构象变化较大的波动。

我们使用这个平衡结构准备样品如下。薄(厚)壳结构是由割掉所有水分子的距离超过3(6)的蛋白质。水分子的数量达279(806)为这些系统。准备这些液滴后,我们两到300 K热浴10 ps,然后让他们放松自由动力学为另一个40 ps找到他们的平衡结构。

最后的结构,不。5,取自pdb(水晶泛素),包括其原生水分子(58)。只有一个蛋白质的原生水分子模拟在300 K在真空环境;三个副本生成对应于该系统的热波动。这个结构包含了参考的目的。

动力学建模,我们使用的版本c31b CHARMM MD软件工具(17]。我们注意到不同的力场参数化原则上可能产生不同的仿真结果;然而,先前的研究各种电喷射蛋白质的结构稳定性,其中泛素,对热能和水化changes-found只有小的力场的影响(OPLS-AA / L, AMBER03 GROMOS96) [14]。水是描述使用TIP3P潜力[18CHARMM版本[19]。调查使用不同的刚性水模型研究水在真空显示集群水模型的选择只有小影响蒸发率和冷却(20.];这个结论是在最近的一项研究证实了水的蒸发从ubiquitin-containing滴14]。我们雇佣Verlet积分器方案计算动态时间步的fs。抖动算法(21)是用于所有氢原子。

下面给出结果平均值/ 3开始统计不相关的结构;他们的含水量变化分子从上面给出的平均值。这诚然小数量的统计独立运行非典型蒸发研究[14),似乎对我们的结论是足够的。这些结构放入真空10 ns模拟水的蒸发。这一次后,温度已经降至低于275 K。而众所周知,蒸发过程,直到温度215 K (20.)在一个年代的时间尺度,减少温度蒸发率变得非常小。

3所示。结果

3.1。温度和蒸发

图3展示了蒸发冷却的蛋白质在一段时间内10 ns。薄和厚壳系统我们观察周围的冷却速率3 K / ns。进一步研究表明,初始冷却快,K / ps,而在以后的时代里,当温度低于280 K时,冷却速度只有1.3 K / ps。薄壳系统似乎开始冷却稍快;这将符合该系统的热容小,但这个结论的限制数据的可靠性。蒸发的分子,薄壳系统损失了大约15%的水壳,而厚壳系统损失了9%,表1。

前一个模拟(3]研究了水滴的蒸发封闭在一个场景中泛素类似于我们的,但在一个不同的力场(OPLS-AA)和TIP4P水模型。他们的研究结果表明温度下降33 (36)K的模拟厚壳(薄)系统;9的一小部分(15)%的水分子被蒸发。令人满意的协议表明,蒸发冷却过程是健壮的仿真模型。我们注意到我们的数据应用系统也在与的结果[满意的协议14),(相当于我们的薄壳系统)获得10%的损失在275 K,和29%的损失在325 K 15 ns蒸发段。

的冷却速度大致相同的厚和薄壳系统,提供证据,系统温度,而不是改变构象,是控制蒸发的主要参数。蒸发率达4(7)分子/ ns薄(厚)壳滴,表1。这些数据可以比作一个广泛的研究从纯水集群在真空蒸发20.),进行水集群包含在125年和4096年之间分子开始温度之间的250和300 K。调查监测蒸发时间的3年代;他们表明,集群蒸发,直到温度将下降到220 K左右,表明蒸发后持续10 ns的仿真时间。本研究发现,集群的相对温度变化是线性相关的相对变化的分子数。起始温度300 K的研究预测蒸发分子的相对比例4.2%;这个值肯定是小于15%和9%的值在这项研究中,发现表1。这种差异必须归因于不同的几何(和内容)水的集群:虽然我们的集群包含泛素蛋白和所有水坐在表面的集群20.)包含纯水,因此减少了相对蒸发的分子的数量。

3.2。蛋白质构象

我们测量了泛素构象使用均方根偏差(RMSD)主体结构(完全溶剂化300 K系统作为参考),回转半径在蛋白质和氢键的数量,蛋白质和水之间,。氢键识别,我们使用一个距离准则(氢和受体之间的)并接受的最大角度hydrogen-donor-acceptor角。此外,溶剂可及表面区域(莎莎)和溶剂除去表面积(SESA) [22- - - - - -25)测定。这些区域是为了提供亲水部分(莎莎)和疏水的信息(SESA)部分的蛋白质。测量莎莎,探测范围滚在范德瓦耳斯表面的蛋白质;莎莎是追踪由探针球体的中心在这个运动。探头球面的半径为1.4,对应于一个水分子的半径。SESA相应的面积是表面不容易探测领域,由于位阻的其他部分蛋白质。在这项工作中,我们计算了莎莎的蛋白质使用模块由李和理查兹(22CHARMM[]和实现26]。SESA计算莎莎的区别和范德瓦耳斯表面积,cf,例如,3]。

而不是蒸发液滴监控这些量,测量上面5进行了系统介绍,并已平均/ 3 ns仿真一个平衡系统;这提供了更好的统计精度。结果在表2。他们显示出明显的趋势:通过减少水化壳的蛋白质构象不断发展完全水化结构真空结构。回转半径的稳定下降表明紧化(收缩)完全水合蛋白质的构象干燥。的增加SESA-and SASA-indicates随之而来的减少,分子暴露了一个更大的部分以前隐藏的疏水表面向真空;由于水化水的损失这不是大力处罚。对溶剂氢键的数量减少和降低溶解壳;这是合理的,因为焊接的合作伙伴的数量减少。蛋白质内氢键的数量相当稳定,证明intraprotein氢网络在很大程度上是守恒的,泛素失去水化壳。

我们注意到,最近的一项研究泛素构象变化的电喷射条件下(3结果类似于我们的。他们的模拟执行使用OPLS-AA力场和TIP4P水模型。良好的协议证明我们的结论是健壮的仿真模型。

图4显示如何氢键的总数(归一化的值完全水合蛋白质在大体积的水系统)的发展与减少水化。蛋白质和protein-water债券的总和。显然,充分水化的厚水化壳无特征的蛋白质;这可以作为证据,这厚壳就足以让其大体积的水构象的蛋白质。然而,薄水化壳显示了完全水化值偏离15%左右。完全真空脱水蛋白显示最大的区别,表2。这是符合一般在蒸发过程中发现,即使是少量的剩余的水能够稳定的解决方案结构,而主要的构象变化即将发生的完全孤立的蛋白质(1]。

4所示。结论

总之,我们确定的蒸发速率水分子从部分溶剂化泛素/ ns。在10 ns的模拟蒸发时间,冷却从300 K左右K。蒸发冷却的速度收益大约3 K / ns。速度在300 K (4.3 K / ns)和减缓降低温度,这样只有1.3 K / ns 280 K。与减少水化壳,泛素的构象变化不断从完全溶剂化结构真空结构:蛋白质略有收缩,使更多的亲水性表面的真空。氢键网络显示明确的变化对大部分结构:最大的变化对于大体积的水结构(完全脱水)真空结构观察;变化消失当第二水化壳6添加了一个宽的分子。

承认

作者承认金融支持的德意志Forschungsgemeinschaft通过Graduiertenkolleg 792。

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