ペプチドおよびタンパク質における極性骨格原子のアミノ酸立体構造の好みと溶媒和

ペプチドとタンパク質のアミノ酸は、アルファヘリカル、ベータ鎖、およびその他の立体配座状態に対する明確な好みを示します。これらの好みのさまざまな物理化学的理由が示唆されています：立体構造エントロピー、立体因子、疎水性効果、およびバックボーン静電症。しかし、この問題は議論の余地があります。最近、局所的および非ローカルな骨格の静電相互作用のサイドチェーン依存性溶媒スクリーニングは、主にアルファヘリカルだけでなく、他のすべての主鎖立体構造状態に対する好みを決定することが提案されています。サイドチェーンは、主鎖極性原子の近くから溶媒を除外することにより、骨格相互作用の静電スクリーニングを調節します。アミノ酸好みのこの静電スクリーニングモデルの欠乏は、主鎖静電術とアミノ酸の好みとの関係が、タンパク質のみの6つの非極性アミノ酸タイプの限られたセットについてのみ実証されていることです。ここでは、これらの関係は、トリペプチド、デカペプチド、およびタンパク質のすべてのアミノ酸タイプについて決定されます。極性骨格原子の溶媒和自由エネルギーは、ポアソン・ボルツマンとランジュビン双極子法によって計算された静電的寄与によって近似されます。結果は、主鎖極性原子の平均溶媒和自由エネルギーが、骨格の立体構造、側鎖の形状、および溶媒への曝露に強く依存することを示しています。アミノ酸の低エネルギーベータ鎖構造（バックボーン双極子モーメントの抗平行整列）と高エネルギーのアルファ構造（バックボーン双極子モーメントの平行整列）との間の平衡は、バックボーン極性の極性極地の溶媒和の溶解によって強く影響されます。。アルファコンフォメーションに到達する自由エネルギーコストは、大きなベータ分岐アミノ酸残基よりも短い副鎖の残基の場合、約1.5 kcal/molが小さくなります。この自由エネルギーの違いは、突然変異研究によって実験的に得られたものに匹敵するため、アミノ酸残基の明確な好みを説明するのに十分な大きさです。スクリーニング係数ガンマ（ローカル）（R）およびガンマ（非ローカル）（R）は、計算の種類と点のセットに応じて、0.698〜0.851の係数を持つ19アミノ酸タイプの溶媒和効果と相関しています。使用される原子電荷。スクリーニング係数ガンマ（ローカル）（R）は、タンパク質中のアミノ酸の埋葬レベルとともに増加し、完全に埋められたアミノ酸残基の1.0に収束します。強い水素結合に関与するアミノ酸残基のバックボーン溶媒和自由エネルギー（たとえば、アルファヘリックスの中央）は小さいです。したがって、水素結合骨格は、ランダムコイルのペプチド基よりも疎水性です。アラニンの好みを形成するアルファヘリックスは、高エネルギーのアルファヘリックスコンフォメーションに到達するための比較的小さな自由エネルギーコストに起因しています。これらの結果は、バックボーン静電相互作用の側鎖依存性溶媒スクリーニングが、アミノ酸構造の好みを決定する上で支配的な要因であることを確認しています。

Amino acids in peptides and proteins display distinct preferences for alpha-helical, beta-strand, and other conformational states. Various physicochemical reasons for these preferences have been suggested: conformational entropy, steric factors, hydrophobic effect, and backbone electrostatics; however, the issue remains controversial. It has been proposed recently that the side-chain-dependent solvent screening of the local and non-local backbone electrostatic interactions primarily determines the preferences not only for the alpha-helical but also for all other main-chain conformational states. Side-chains modulate the electrostatic screening of backbone interactions by excluding the solvent from the vicinity of main-chain polar atoms. The deficiency of this electrostatic screening model of amino acid preferences is that the relationships between the main-chain electrostatics and the amino acid preferences have been demonstrated for a limited set of six non-polar amino acid types in proteins only. Here, these relationships are determined for all amino acid types in tripeptides, dekapeptides, and proteins. The solvation free energies of polar backbone atoms are approximated by the electrostatic contributions calculated by the finite difference Poisson-Boltzmann and the Langevin dipoles methods. The results show that the average solvation free energy of main-chain polar atoms depends strongly on backbone conformation, shape of side-chains, and exposure to solvent. The equilibrium between the low-energy beta-strand conformation of an amino acid (anti-parallel alignment of backbone dipole moments) and the high-energy alpha conformation (parallel alignment of backbone dipole moments) is strongly influenced by the solvation of backbone polar atoms. The free energy cost of reaching the alpha conformation is by approximately 1.5 kcal/mol smaller for residues with short side-chains than it is for the large beta-branched amino acid residues. This free energy difference is comparable to those obtained experimentally by mutation studies and is thus large enough to account for the distinct preferences of amino acid residues. The screening coefficients gamma(local)(r) and gamma(non-local)(r) correlate with the solvation effects for 19 amino acid types with the coefficients between 0.698 to 0.851, depending on the type of calculation and on the set of point atomic charges used. The screening coefficients gamma(local)(r) increase with the level of burial of amino acids in proteins, converging to 1.0 for the completely buried amino acid residues. The backbone solvation free energies of amino acid residues involved in strong hydrogen bonding (for example: in the middle of an alpha-helix) are small. The hydrogen bonded backbone is thus more hydrophobic than the peptide groups in random coil. The alpha-helix forming preference of alanine is attributed to the relatively small free energy cost of reaching the high-energy alpha-helix conformation. These results confirm that the side-chain-dependent solvent screening of the backbone electrostatic interactions is the dominant factor in determining amino acid conformational preferences.