[论文解读] When does TMAO fold a polymer chain and urea unfold it?

Jagannath Mondal, Guillaume Stirnemann+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2013

Protein Structure and Dynamics被引用 6

一句话总结

本研究通过原子级分子动力学模拟表明，三甲基胺氧化物（TMAO）通过有利的色散相互作用优先结合到塌陷的聚合物构象中，从而稳定其结构；而尿素则通过静电相互作用优先稳定伸展的构象，导致折叠稳定性下降。关键发现是，溶质的保护或变性效应取决于聚合物构象转变过程中优先结合吉布斯自由能的变化，而非体相溶剂效应或水结构的改变。

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.

研究动机与目标

• 为解决长期存在的机制悖论：为何TMAO稳定蛋白质折叠而尿素导致其变性，尽管两者均为渗透保护剂。
• 研究聚合物与其环境之间色散相互作用的强度如何调节TMAO和尿素对链构象的影响。
• 确定是优先结合还是溶剂结构化主导了渗透保护剂对聚合物折叠的影响。
• 阐明共溶质化学势和溶剂化壳层变化在驱动构象稳定性中的作用。

提出的方法

• 在1 M TMAO和7 M尿素溶液中对非电荷聚合物链进行原子级分子动力学（MD）模拟。
• 使用自由能微扰（FEP）和热力学积分方法计算塌陷与伸展聚合物构象之间的自由能差。
• 利用公式8将总自由能变化分解为化学势变化（δμ）和溶剂化壳层数目变化（δN）的贡献：ΔG = N^C δμ + μ^C δN + δN δμ。
• 通过将自由能划分为范德华（E_vdw）、库仑（E_coulomb）和总能量（E_total）分量，分析溶剂对能量的贡献，分别针对体相和溶剂化壳层中的共溶质。
• 比较TMAO和尿素在体相溶液以及在塌陷态与伸展态聚合物第一溶剂化壳层中的能量贡献。
• 利用优先结合系数和自由能分解，识别渗透保护剂效应的主要物理起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 TMAO和尿素如何差异性地影响非电荷疏水聚合物链的构象稳定性？
• RQ2 是什么决定了渗透保护剂在聚合物折叠中表现为化学伴侣（如TMAO）或变性剂（如尿素）？
• RQ3 渗透保护剂效应是由水结构变化、优先结合还是与聚合物的直接相互作用驱动的？
• RQ4 共溶质化学势和溶剂化壳层组成的改变如何贡献于折叠态与未折叠态之间的净自由能差？
• RQ5 渗透保护剂的优先结合行为是否能够解释其对聚合物折叠的相反效应？

主要发现

• TMAO优先结合到塌陷的聚合物状态，其插入自由能比在体相中更有利于0.504 kcal/mol，这是由于强色散相互作用所致。
• 尿素在伸展态中的插入自由能比在体相中更有利于1.682 kcal/mol，其驱动力为静电稳定作用。
• TMAO的自由能差（ΔG_C-E）为正值（+5.1 kcal/mol），表明其稳定塌陷态；而尿素的ΔG_C-E为负值（–9.6 kcal/mol），有利于伸展态。
• 尿素和水的ΔG_C-E中占主导地位的贡献来自溶剂化壳层数目变化（μ^C δN），而非化学势变化，表明溶剂暴露增加驱动了解折叠。
• 对于TMAO，较大的正向δN δμ项（0.10 kcal/mol）和有利的μ^C δN（–0.2 kcal/mol）共同作用，即使δμ贡献较小，仍能稳定塌陷态。
• 本研究表明，渗透保护剂行为的关键决定因素是构象转变过程中优先结合自由能的变化，而非体相溶剂效应或水结构的改变。