コラーゲンの安定性：NMR分光およびハイブリッド密度からの洞察は、プロリル環立体構造に対する電気陰性置換基の効果の機能的計算的調査

タイプのコラーゲン様ペプチド（プロプロガリ）（10）は、安定したトリプルヘリックスに折りたたみます。2番目のプロリン残基のH（ガンマ）（3）リング位置での電子吸引置換基は、これらのトリプルヘリックスを安定させます。この研究の目的は、この効果の構造的およびエネルギー的な起源を明らかにすることでした。アプローチは、モデルシステムで実験的なNMRデータを取得し、これらの結果を使用してこれらのシステムの計算化学分析を検証することでした。電子吸引置換基の最も顕著な効果は、置換プロリンのリングパッカー（Pro（I））とXAA（I-1）-Pro（I）ペプチド結合のトランス/CIS比にあります。NMR実験により、N-アセチルプロリンメチルエステル（Acproome）がC（ガンマ） - エンドとC（ガンマ） - エキソの立体構造の両方に存在することが実証されました（エンドアセチル-4（r）-fluoroprolineメチレインの両方が存在します。エステル（AC-4R-Flpome）は、C（ガンマ） - エキソコンフォメーションにほぼ排他的に存在し、N-アセチル-4（S） - フルオロプロリンメチルエステル（AC-4S-Flpome）はC（ガンマ）にほぼ排他的に存在します。- エンドの立体構造。ジオキサンでは、Acproome、AC-4R-Flpome、およびAC-4S-FlpomeのK（Trans/CIS）値はそれぞれ3.0、4.0、および1.2です。（ハイブリッド）B3LYPメソッドを使用した密度官能理論（DFT）計算は、実験データとよく一致していました。天然結合軌道（NBO）パラダ​​イムによる計算分析は、置換されたプロリル環のパッカーの好みがゴーシュ効果によるものであることを示しています。バックボーンねじれ角であるPHIおよびPSIは、リングパッカーと相関することが示されており、これはコラーゲン様ペプチドの既知のPHIおよびPSI角と相関しています。AcproomeとAC-4R-Flpomeの間のK（Trans/CIS）の違いは、Bürg-Dunitz軌道に関連するN- PI相互作用によるものです。AC-4S-FlpomeのK（Trans/CIS）の減少は、不利な電子的および立体的な相互作用のためにトランス異性体の不安定化によって説明できます。コラーゲン様ペプチドの構造とともに、ここでの結果の分析により、コラーゲンの安定性をピロリジン環パッカー、PHIおよびPsiねじり角、および置換したプロリン残基のペプチド結合トランス/シス比との相互作用に結びつける理論が生まれました。

Collagen-like peptides of the type (Pro-Pro-Gly)(10) fold into stable triple helices. An electron-withdrawing substituent at the H(gamma)(3) ring position of the second proline residue stabilizes these triple helices. The aim of this study was to reveal the structural and energetic origins of this effect. The approach was to obtain experimental NMR data on model systems and to use these results to validate computational chemical analyses of these systems. The most striking effects of an electron-withdrawing substituent are on the ring pucker of the substituted proline (Pro(i)) and on the trans/cis ratio of the Xaa(i-1)-Pro(i) peptide bond. NMR experiments demonstrated that N-acetylproline methyl ester (AcProOMe) exists in both the C(gamma)-endo and C(gamma)-exo conformations (with the endo conformation slightly preferred), N-acetyl-4(R)-fluoroproline methyl ester (Ac-4R-FlpOMe) exists almost exclusively in the C(gamma)-exo conformation, and N-acetyl-4(S)-fluoroproline methyl ester (Ac-4S-FlpOMe) exists almost exclusively in the C(gamma)-endo conformation. In dioxane, the K(trans/cis) values for AcProOMe, Ac-4R-FlpOMe, and Ac-4S-FlpOMe are 3.0, 4.0, and 1.2, respectively. Density functional theory (DFT) calculations with the (hybrid) B3LYP method were in good agreement with the experimental data. Computational analysis with the natural bond orbital (NBO) paradigm shows that the pucker preference of the substituted prolyl ring is due to the gauche effect. The backbone torsional angles, phi and psi, were shown to correlate with ring pucker, which in turn correlates with the known phi and psi angles in collagen-like peptides. The difference in K(trans/cis) between AcProOMe and Ac-4R-FlpOMe is due to an n-->pi interaction associated with the Bürg-Dunitz trajectory. The decrease in K(trans/cis) for Ac-4S-FlpOMe can be explained by destabilization of the trans isomer because of unfavorable electronic and steric interactions. Analysis of the results herein along with the structures of collagen-like peptides has led to a theory that links collagen stability to the interplay between the pyrrolidine ring pucker, phi and psi torsional angles, and peptide bond trans/cis ratio of substituted proline residues.