|
رویکرد MM-PBSA به طور گسترده ای در محاسبات انرژی آزاد پیوند پروتئین (22,23), پروتئین-DNA (26) و پروتئین-مولکول کوچک و نیز آزمایشات اسکن-آلانین (26) استفاده شده است. رویکرد PB که توسط SA یا به طور جداگانه تکمیل می شود نیز برای تخمین انرژی های حلالپوشی پیوند غشایی پپتیدهای مدل و پروتئین ها استفاده شده است (29-32). MM-PBSA به نمونه برداری گسترده از فضاهای پیکربندی نیاز دارد. بنابراین, علاوه بر تخمین های ذاتی در مدل های کوانتوم, نمونه برداری انطباقی, نقشی حیاتی را در محدود کردن دقت MM-PBSA بازی می کند. به طور مثال, اینکه آیا شبیه سازی های جداگانه برای راکتانت ها و ترکیب یا یک راکتانت تک برای ترکیب, توافق بهتری با آزمایش فراهم می کند یا خیر, هنوز نامشخص است (22,23,28,33). ما از دو شبیه سازی MD آب صریح 70 نانوثانیه با ANCH در آب و در غشا استفاده نمودیم.
جزئیات شبیه سازی
یک مدل ساختاری ANCH, ساخته شده که قبل از (17,18) در یک جعبه حاوی 2642 مولکول آب و یک یون حل شد. بعد از تنظیم سیستم ها از طریق چرخه های مینیمم سازی و متعادل سازی پس از پروتکل های استاندارد (به طور مثال, Gorfe و Caflisch (34) را ببینید), یک شبیه سازی تولید با برنامه NAMD (35) تحت همان شرایط شبیه سازی های قبلی (16-18) انجام شد. میدان نیروی CHARMM27 (24) با دمای ثابت (310 K), فشار نرمال و مساحت سطح قطعی استفاده شد. ویژگی های الکتروستاتیک Ewald مش ذره کامل, یک قطع برای فعل و انفعالات vdW, یک قطع برای به روزسازی فهرست غیرپیوندی, الگوریتم SHAKRE, و یک گام زمانی 2 fs در تمام شبیه سازی ها استفاده شدند. یک شبیه سازی پپتید در آب برای 70 نانوثانیه اجرا شد و گروه حاصل, حالت s1 را نشان داد. یک شبیه سازی 20 نانوثانیه (17) ANCH در یک چربی های دولایه دارای دو لایه لیپیدی لیپیدهای 216 DMPC به 70 نانوثانیه گسترش یافت و حالت s2 را نشان داد. در هر مورد, تثبیت ساختاری بین 5 و 10 نانوثانیه ای (16-18) به دست آمد اما فعل و انفعالات میان غشایی و ANCH- غشایی به تکامل تا زمان 35 نانوثانیه ادامه داد. بنابراین, تمام به جز اولین ساختارهای 10 نانوثانیه ای (که در هر پیکوثانیه نمونه برداری شدند) برای محاسبات آنتروپی جسم حل شده استفاده شدند, اما تنها 35 نانوثانیه (نمونه برداری شده در هر 10 پیکوثانیه برای MM و SA, و هر 100 پیکوثانیه برای PB گرانتر) برای محاسبات MM-PBSA.
توجه داشته باشید که i) ANCH در حالت s2 به طور ساختاری مشابه با یک لیپید DMPC است (شکل.1)؛ و ii) یک لیپید تک از کاسبرگ حاوی ANCH برداشته شد (17,18), در نتیجه, ورود پپتید به طور چشمگیری, ساختار تعادلی چربی های دولایه دارای دو لایه لیپیدی را مغشوش نمی کند (برای جزئیات, Gorfe et al. (17) را ببینید) که نشان می دهد که نسبت برای Gins را می توان نادیده گرفت.
آنتروپی جسم حل شده و انرژی های آزاد اغتشاش غشایی
تخمین زده شد که آنتروپی پیکربندی (یا داخلی) جسم حل شده, که شامل آنتروپی های ارتعاشی و انطباقی می شود, بر اساس یک تحلیل شبه هامورنیک کامل با اصلاحات برای عدم هارمونیسیته ها و وابستگی های جفت جفت (36) می شود. برآورد حد-بالایی آنتروپی شبه هارمونیک با استفاده از آنتروپی برنامه (37) محاسبه شد. اصلاحات آن برای عدم هارمونی ها در حالات شبه هارمونی ها و برای ارتباطات (فراخطی) و جفت جفت در میان حالات در سطح کلاسیک ارزیابی شدند که در (36) تفصیل شده است. این عبارات, افزودنی هستند.
نتایج و بررسی
برای مشخص کردن نیروی محرکه برای تقسیم بندی ANCH بین آب و غشا, انرژی آزاد ورود به نسبت های آنتروپی/آنتالپی و حل شونده/حلال تجزیه شد. نتایج (جدول 1) نشان می دهند که ورود غشایی توسط آنتالپی فعل و انفعال هدایت می شود ( ) و با انرژی های آزاد حلالپوشی و نیزتوسط آنتروپی جسم حل شده مخالفت می شود. انرژی آزاد کلی حاصل ورود از نظر کمیتی موافق با برآوردها از محاسبات PMF و مشاهدات آزمایشی غیرمستقیم است. این مقدار نیز قابل مقایسه با هزینه انرژی آزاد استخراج یک لیپید DMPC از یک چربی های دولایه دارای دو لایه لیپیدی است که توسط یک محاسبه PMF اخیر (46) مشخص شده است.
انطباق تطابقی پپتید
بهای سازماندهی دوباره ANCH, در انرژی آزاد است ( , جدول 1). منابع اصلی نامطلوب, انتروپی پیکربندی و افت فعل و انفعالات vdW است . فعل و انفعالات الکتروستاتیک میان-ANCH , یک انرژی مطلوب میانه را ارائه نمود, در حالیکه عبارات کووالانس قابل چشمپوشی است (شکل 2A). این نتایج می تواند به واسطه ساختار غالب ANCH منطقی شوند (شکل 1). در s1, ANCH, به طور نسبی با زخم دم های لیپید هیدروفوبیک آن حول یکدیگر, فشرده است. در s2, ANCH, یک تطابق گسترده با دم های لیپید باز شده را اتخاذ نمود (اشکال 1 و 3). این گذار فشرده-به-گسترده را می توان توسط یک مساحت سطح قابل دسترسی حلال میانگین گروهی تعیین نمود که برای p, و برای p* است. بنابراین, نامطلوب و حلالپوشی غیرقطبی عمدتاً ناشی از تلفات در فعل و انفعالات vdW و مواجهه آب با گروه های CH2 بودند. گروه های قطبی, در هر دوی s1 و s2, با حلال مواجه شدند که نسبت الکتروستاتیک متوسط (فعال و انفعال و حلالپوشی) را توضیح می دهد. بالاترین نسبت برای از آنتروپی پیکربندی (شکل 2A) رخ می دهد که پیش بینی قبلی ما از انرژی آزاد سازماندهی دوباره ANCH را که در آنتروپی غالب است پشتیبانی می کند (16).
علامت مثبت , قضاوت صحیح در مورد ارتباط آرام سازی ساختاری با یک افزایش در آنتروپی را نفی می کند. هرچند, این سازگار با این مفهوم است که چربی های دولایه دارای دو لایه لیپیدی, فضای پیکربندی دردسترس برای ANCH, از جمله توسط اجرای جهت گیری های خاص در میان اثرات دیگر کاهش می دهد (17,18,47,48). برای داشتن یک درک کیفی از این موضوع, ما دوباره را برای هر یک از دم های لیپید Palm181, Palm184, و HD186 و نیز برای ستون فقرات پپتید محاسبه نمودیم. ما همچنین توزیع احتمال (p(r)) فاصله های انتها-به-انتها را محاسبه نمودیم, یعنی, آخرین فاصله بین اولین متیل و اتم های کربن متیلن در دم های لیپید و اولین و آخرین اتم های از ستون فقرات. نتایج, در Palm184, متوسط, در Palm181 متوسط و در HD186 بزرگ است. مقادیر متناظر (تک-زنجیره) منعکس کننده این تغییرات (به ترتیب ) است. در مورد ستون فقرات, p(r) نمایشدهنده یک توزیع چاه-دوبل مشابه تقریبی در هر دوی s1 و s2 است که دوباره توسط مقدار منعکس می شود. همین نتایج کیفی را می توان توسط مقایسه توزیع ساختار با هم قرار داده شده یا انحرافات متناظر مربع-میانگین ریشه استنتاج نمود (RMSD, شکل 3). این داده ها نشان می دهند که ورود چربی های دولایه دارای دو لایه لیپیدی DMPC موجب کاهش فضای انطباقی دردسترس برای ANCH می شود و بنابراین, کاهش در آنتروپی حل شونده را توضیح می دهد.
ورود پپتید
کاهش در فضای پیکربندی و افت در فعل و انفعالات ANCH vdW, توسط تغییر انرژی فعال و انفعال غشای-ANCH جبران می شود. فعل و انفعالات vdW در دم های لیپید ANCH و زنجیره جانبی MET-182 با لیپیهای DMPC, سه چهارم انرژی پتانسیل را فراهم نمود؛ بقیه از فعل و انفعالات کولمب تامین می شود (شکل 2B). حلالپوشی الکتروستاتیک ( , که در حدود دو برابر دامنه است) با پیوند مخالفت می کند. مقدار به طور نسبی کوچک, اما مطلوب است. همراه با نسبت های کوچک از انتروپی خارجی, انرژی آزاد ارتباط کلی , است.
نقش را می توان از این حقیقت درک نمود که i) به اندازه 5-7 کنتاکت vdW اولیه منجر به یک ورود سریع و خودبخودی پپتید کلی می شود (16,18,47) و ii) پیشرفت ورود غشا با یک افزایش پایدار اتصالات vdW همراه می شود (16,17). مطلوب, منعکس کننده فعل و انفعالات پیوند-هیدروژن شامل گروه های آمید و زنجیره های جانبی Ser183/Lys-185 با اتم های اکسیژن فسفات/گلیکول DMPC (16-18) است. اثرات مخالف و سازگار با انتقال گروه های قطبی از آب به ناحیه واسطه ای است که از نظر فعالیت, نسبت به انتقال گروه های غیرقطبی به هسته DMPC, هزینه بر است. افت آنتروپی چرخشی/انتقالی نیز به اندازه با این پیوند مخالفت می کند؛ از آن, از محدودیت ها در درجات آزادی چرخشی است. دامنه آنتروپی انتقالی کوچک است, زیرا تنها درجه آزادی ابعاد-z (در طول عمود بر غشا) محدود می شود. در حقیقت, سیار بودن جانبی ANCH در آب و در غشا مشابه است. به طور مثال, ضریب دوبعدی خود-انتشار ANCH, در s1 و در s2 است. انرژی آزاد برآورد شده آشفتگی غشایی, ناشی از اختلال لیپیدهای DMPC که نزدیک به ANCH یا لیپیدهای متصل شده (17) هستند, نیز بسیار کوچک است . یک مقدار مشابه قبل از (44) برآورد شده است.
ویژگی های دینامیک ستون فقرات, انتخاب تطابقی را پیشنهاد می دهد
محاسبات کنونی, یک مکانیزم اتصال القایی را فرض نمودند, یعنی انطباق تطابقی ANCH بعد از اتصال غشایی رخ می دهد. در یک کار قبلی (16), ما پیش بینی نمودیم که ورود غشا با انرژی آزاد غالب-آنتروپی سازماندهی دوباره پپتید مورد مخالفت قرار می گیرد. بر اساس توافق بین محاسبات PMF و برآوردهای آزمایشی, پیش بینی نمودیم که کوچک خواهد بود (16). هرچند آنها, حالت نهایی s2 را به طور مشترک داشتند. حالت اولیه در کار قبلی, جایی بین s1 و s2 بود که مانع مقایسه مستقیم با داده های کنونی می شود. هرچند, مقدار بزرگ محاسبه شده در اینجا به یک توضیح نیاز دارد. توزیع RMSD جفت جفت و تحلیل خوشه ای (به استثنای 10 نانوثانیه اول), دیدگاه های جالبی را در مورد این موضوع فراهم می کند (شکل.4)
|