[논문 리뷰] Effect of hydrogen bonds on protein stability

Valentino Bianco, Svilen Iskrov외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 11. 16.

Material Dynamics and Properties참고 문헌 65인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 수소결합(HB) 공존성을 반영하는 조잡한 수준의 수증기 단층막 모델을 제안하며, 온도와 압력 변화에 따른 단백질 안정성 시뮬레이션에 응용한다. 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 P-T 평면에서 타원형 안정성 영역을 재현하며, 냉각, 가열, 압력에 의한 변성과 융해된 구형 상태를 나타내며, 수소결합 네트워크의 붕괴가 펴짐의 주요 원인임을 보여준다.

ABSTRACT

The mechanism of cold- and pressure-denaturation are matter of debate. Some models propose that when denaturation occurs more hydrogen bonds between the molecules of hydration water are formed. Other models identify the cause in the density fluctuations of surface water, or the destabilization of hydrophobic contacts because of the displacement of water molecules inside the protein, as proposed for high pressures. However, it is clear that water plays a fundamental role in the process. Here, we review some models that have been proposed to give insight into this problem. Next we describe a coarse-grained model of a water monolayer that successfully reproduces the complex thermodynamics of water and compares well with experiments on proteins at low hydration level. We introduce its extension for a homopolymer in contact with the water monolayer and study it by Monte Carlo simulations. Our goal is to perform a step in the direction of understanding how the interplay of cooperativity of water and interfacial hydrogen bonds affects the protein stability and the unfolding.

연구 동기 및 목표

• 표면 수소결합과 물의 공존성이 단백질 안정성과 변성에 미치는 영향를 이해하기 위해.
• 고립된 물의 복잡한 열역학을 재현하는 조잡한 수준의 수증기 단층막 모델을 개발하기 위해.
• 다양한 T와 P 조건에서 수증기 단층막과 접촉한 비극성 동고분자 폴리머의 접힘-펼침 거동을 시뮬레이션하기 위해.
• 냉각, 압력, 열에 의한 변성의 메커니즘을 통합된 프레임워크에서 조사하기 위해.
• 실험적 상 행동과의 비교를 통해 모델을 검증하고, 수소결합 네트워크가 단백질 안정성에 미치는 역할을 규명하기 위해.

제안 방법

• 수소결합(HB) 공존성을 명시적으로 고려하는 조잡한 수준의 수증기 단층막 모델을 개발하기 위해.
• 평균장 계산과 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 수증기 단층막의 열역학적 성질을 연구하기 위해.
• 단백질의 단순화된 모형으로 자가피避 비극성 동고분자를 포함하여 모델을 확장하기 위해.
• 안정성 영역을 맵핑하기 위해 온도(T)와 압력(P) 조건의 범위에서 시스템을 시뮬레이션하기 위해.
• 접힘과 펴짐 전이 동안 수화각의 수소결합 수와 정렬을 분석하기 위해.
• 시뮬레이션된 상도도와 구조적 상태(접힘, 융해된 구형, 펴짐)를 실험 관측치와 이론적 예측과 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고립된 물에서 수소결합 공존성이 온도와 압력에 따라 단백질 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 조잡한 수준의 수증기 단층막 모델이 단백질 상도도에서 관찰된 타원형 안정성 영역을 재현할 수 있는가?
• RQ3 물의 수소결합 네트워크가 냉각에 의한 변성과 압력 유도 펴짐을 이끄는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 수화각의 HB 구조 변화가 단백질 펴짐 전이와 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ5 이 모델이 다양한 열역학 조건에서 융해된 구형과 같은 중간 상태를 어느 정도 잘 재현하는가?

주요 결과

• 모델은 실험적 단백질 상도도와 일치하는 P-T 평면에서 타원형 안정성 영역을 성공적으로 재현하였다.
• 냉각 조건에서 수화각 내 수소결합 수가 급격히 감소함에도 불구하고 변성이 발생한다.
• 압력에 의한 변성은 수소결합 수 감소와 함께 수소결합 네트워크 붕괴와 관련되며, 특히 고압에서 두드러진다.
• 중간 조건에서 시스템은 부분적 붕괴와 비영이 아닌 수소결합을 특징으로 하는 융해된 구형 상태를 나타낸다.
• 타원형 안정성 영역의 축이 기울어져 있으며, 이는 이론적 예측과 실험 관측치와 일치한다.
• 냉각, 압력 증가, 온도 증가에 따른 단백질의 펴짐을 모델이 확인하며, 세 가지 변성 경로 모두를 확인하였다.