[论文解读] Folding is Not Required for Bilayer Insertion: Replica Exchange Simulations of an a-Helical Peptide with an Explicit Lipid Bilayer

Hugh Nymeyer, Thomas B. Woolf+1 more|ArXiv.org|Oct 29, 2004

Lipid Membrane Structure and BehaviorBiochemistry, Genetics and Molecular Biology参考文献 57被引用 18

一句话总结

本研究采用带有显式脂质双分子层的复制交换分子动力学模拟，证明 WALP-16 α-螺旋肽在 DPPC 膜中的插入过程是自发发生的，且无需预先折叠，这与既定模型中认为表面结合的螺旋结构为必经中间体的观点相矛盾。关键发现是，尽管每残基插入步骤的焓变不利（5–10 kcal/mol），但肽链埋入双分子层后熵增极大（>100 kcal/mol），表明熵在膜肽插入路径中起着关键作用。

ABSTRACT

We implement the replica exchange molecular dynamics algorithm to study the interactions of a model peptide (WALP-16) with an explicitly represented DPPC membrane bilayer. We observe the spontaneous, unbiased insertion of WALP-16 into the DPPC bilayer and its folding into an a-helix with a trans-bilayer orientation. We observe that the insertion of the peptide into the DPPC bilayer precedes secondary structure formation. Although the peptide has some propensity to form a partially helical structure in the interfacial region of the DPPC/water system, this state is not a productive intermediate but rather an off-pathway trap for WALP-16 insertion. Equilibrium simulations show that the observed insertion/folding pathway mirrors the potential of mean force (PMF). Calculation of the enthalpic and entropic contributions to this PMF show that the surface bound conformation of WALP-16 is significantly lower in energy than other conformations, and that the insertion of WALP-16 into the bilayer without regular secondary structure is enthalpically unfavorable by 5-10 kcal/mol/residue. The observed insertion/folding pathway disagrees with the dominant conceptual model, which is that a surface bound helix is an obligatory intermediate for the insertion of a-helical peptides into lipid bilayers. In our simulations, the observed insertion/folding pathway is favored because of a large (> 100 kcal/mol) increase in system entropy that occurs when the unstructured WALP-16 peptide enters the lipid bilayer interior. The insertion/folding pathway that is lowest in free energy depends sensitively on the near cancellation of large enthalpic and entropic terms. This suggests that intrinsic membrane peptides may have a diversity of insertion/folding behaviors depending on the exact system of peptide and lipid under consideration.

研究动机与目标

• 研究α-螺旋肽插入脂质双分子层的热力学与动力学路径。
• 检验当前主流假设，即表面结合的螺旋中间体是膜插入所必需的。
• 确定控制肽链插入与折叠的焓变和熵变的贡献。
• 评估在显式脂质环境中，自发且无偏置的插入是否在预先折叠之前发生。
• 解决理论模型与基于模拟的膜蛋白插入观测结果之间的矛盾。

提出的方法

• 采用复制交换分子动力学（REMD）以增强肽-脂质体系的构象采样。
• 使用显式的 DPPC 脂质双分子层，以全原子细节模拟膜环境。
• 在水溶液和双分子层中分别模拟 WALP-16 肽，以观察插入与折叠路径。
• 进行平均力场（PMF）计算，以绘制插入过程的自由能剖面。
• 对 PMF 中的焓变与熵变贡献进行分解，以分析驱动力。
• 分析构象状态，以识别中间体并评估其能量稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在α-螺旋肽插入脂质双分子层的过程中，界面区域预先形成的螺旋结构是否为必要中间体？
• RQ2 焓变与熵变对肽链插入自由能的相对贡献是什么？
• RQ3 所观测到的插入/折叠路径是否与平均力场（PMF）剖面一致？
• RQ4 表面结合的、部分螺旋化的状态是有效中间体，还是非路径陷阱？
• RQ5 巨大的焓变与熵变项之间的平衡如何影响热力学上更 favored 的插入路径？

主要发现

• WALP-16 肽在未预先折叠的情况下自发插入 DPPC 双分子层，且插入过程先于二级结构的形成。
• 表面结合的、部分螺旋化的状态并非有效中间体，而是自由能更高的非路径陷阱。
• 在无规则二级结构的情况下插入双分子层，每残基焓变不利，为 5–10 kcal/mol。
• 肽链转移至双分子层内部时，熵增极大（>100 kcal/mol），是驱动插入过程的主要因素。
• 最低自由能路径源于巨大焓变与熵变项的近乎抵消，表明其对体系特异性因素高度敏感。
• 所观测到的插入/折叠路径与主流概念模型相矛盾，后者认为表面结合的螺旋结构是插入的必经步骤。