[논문 리뷰] When does TMAO fold a polymer chain and urea unfold it?

Jagannath Mondal, Guillaume Stirnemann외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 19.

Protein Structure and Dynamics인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 원자 수준의 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 트리메틸아민 옥사이드(TMAO)가 유리한 분산 상호작용으로 인해 고립된 상태에 선호적으로 결합함으로써 고립된 폴리머 구조를 안정화시키는 반면, 요르다는 전기적 상호작용을 통해 편평한 상태를 선호적으로 안정화시켜 접힘을 불안정하게 한다는 것을 보여준다. 핵심 발견은 삼투질의 보호 또는 변성 효과가 폴리머 구조가 변화할 때 선호적 결합 자유에너지 변화에 따라 달라지며, 이는 부피 용매 효과나 물의 구조 변화와는 무관하다는 것이다.

ABSTRACT

Longstanding mechanistic questions about the role of protecting osmolyte trimethylamine N- oxide (TMAO) which favors protein folding and the denaturing osmolyte urea are addressed by studying their effects on the folding of uncharged polymer chains. Using atomistic molecular dynamics simulations, we show that 1-M TMAO and 7-M urea solutions act dramatically differently on these model polymer chains. Their behaviors are sensitive to the strength of the attractive dispersion interactions of the chain with its environment: when these dispersion interactions are high enough, TMAO suppresses the formation of extended conformations of the hydrophobic polymer as compared to water, while urea promotes formation of extended conformations. Similar trends are observed experimentally on real protein systems. Quite surprisingly, we find that both protecting and denaturing osmolytes strongly interact with the polymer, seemingly in contrast with existing explanations of the osmolyte effect on proteins. We show that what really matters for a protective osmolyte is its effective depletion as the polymer conformation changes, which leads to a negative change in the preferential binding coefficient. For TMAO, there is a much more favorable free energy of insertion of a single osmolyte near collapsed conformations of the polymer than near extended conformations. By contrast, urea is preferentially stabilized next to the extended conformation and thus has a denaturing effect.

연구 동기 및 목표

• TMAO가 단백질 접힘을 안정화시키지만 요르다가 변성시키는 데에도 불구하고 모두 삼투질임에도 불구하고 이에 대한 기계적 역학적 역설을 해결하기 위해.
• 폴리머와 환경 간의 분산 상호작용 강도가 TMAO와 요르다가 사슬 구조에 미치는 영향를 어떻게 조절하는지 조사하기 위해.
• 삼투제 효과가 폴리머 접힘에 영향을 주는 주된 원인이 선호적 결합인지 용매의 구조 변화인지 판단하기 위해.
• 보조 용질의 화학적 위치 에너지와 수화 껍질 변화가 구조 안정성에 미치는 영향을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 중성 폴리머 사슬을 1 M TMAO 및 7 M 요르다 용액에서 원자 수준의 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 수행하였다.
• 자유에너지 편항(자유에너지 변화) 기법과 열역학적 통합을 사용하여 고립된 상태와 편평한 상태 간의 자유에너지 차이를 계산하였다.
• 식 (8)을 사용하여 총 자유에너지 변화를 화학적 위치 에너지 변화(δμ)와 수화 껍질 수 변화(δN) 기여도로 분해하였다: ΔG = N^C δμ + μ^C δN + δN δμ.
• 용매 기여도를 분석하기 위해 삼투제의 부피 및 수화 껍질 내에서의 반데르발스(E_vdw), 쿠론(E_coulomb), 총 에너지(E_total) 성분으로 자유에너지 분해를 수행하였다.
• 고립된 상태와 편평한 상태의 수화 껍질에서 TMAO와 요르다의 에너지 기여도를 비교하였다.
• 선호적 결합 계수와 자유에너지 분해를 사용하여 삼투제 효과의 주요 물리적 기원을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TMAO와 요르다는 중성 수소성 폴리머 사슬의 구조 안정성에 어떻게 다르게 영향을 미치는가?
• RQ2 삼투제가 폴리머 접힘에서 화학적 채플론(보호제) 역할을 하는지(예: TMAO) 또는 변성제 역할을 하는지(예: 요르다)를 결정하는 요소는 무엇인가?
• RQ3 삼투제 효과는 물의 구조 변화, 선호적 결합, 또는 폴리머와의 직접 상호작용에 의해 주로 유도되는가?
• RQ4 보조 용질의 화학적 위치 에너지 변화와 수화 껍질 조성 변화가 접힌 상태와 펴진 상태 간의 순자유에너지 차이에 기여하는 방식은 무엇인가?
• RQ5 삼투제의 선호적 결합 행동이 폴리머 접힘에 미치는 상반된 영향을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• TMAO는 고립된 폴리머 상태에 선호적으로 결합하며, 부피 용액보다 0.504 kcal/mol 더 유리한 삽입 자유에너지(ΔG_insertion)를 보인다. 이는 강한 분산 상호작용으로 인한 것이다.
• 요르다는 부피 용액보다 편평한 상태에서 삽입 자유에너지가 1.682 kcal/mol 더 유리하며, 전기적 안정화에 의해 이뤄진다.
• TMAO의 경우 고립 상태와 편평한 상태 간의 자유에너지 차이(ΔG_C-E)는 양성(+5.1 kcal/mol)이며, 이는 고립 상태의 안정화를 의미한다. 반면 요르다의 ΔG_C-E는 음성(–9.6 kcal/mol)이며, 편평한 상태의 안정화를 나타낸다.
• 요르다와 물의 ΔG_C-E에서 주요 기여는 화학적 위치 에너지 변화가 아니라 수화 껍질 수 변화(μ^C δN)이다. 이는 용매 노출 증가가 접힘 해체를 유도한다는 것을 의미한다.
• TMAO의 경우, 큰 양의 δN δμ 기여도(0.10 kcal/mol)와 유리한 μ^C δN 기여도(–0.2 kcal/mol)가 결합하여, 작은 δμ 기여도에도 불구하고 고립 상태를 안정화시킨다.
• 본 연구는 삼투제 행동의 핵심 결정 요소가 폴리머 구조 전환에 따른 선호적 결합 자유에너지 변화이며, 이는 부피 용매 효과나 물의 구조 변화와는 무관하다는 것을 입증한다.