ポリペプチド鎖のループ形成のダイナミクスと障壁に対するプロリンおよびグリシン残基の効果

グリシンおよびプロリン残基は、タンパク質のループ構造と順番に頻繁に見られ、折りたたみの早い段階で鎖圧縮中に重要な役割を果たすと考えられています。さまざまな構造化されていないポリペプチド鎖におけるチャイン内ループ形成のダイナミクスに対する影響を調査しました。ループ形成は、トランスプロリルペプチド結合の周りでは著しく遅く、他のアミノ酸と比較してグリシン残基の周りで速くなります。ただし、4節ループのエンドツーエンド接触形成の場合、6 nsの時定数で、シスプロリル結合の周りで最速で短いループが形成されます。短いループの形成は、15〜30 kJ/molの範囲の活性化エネルギーに遭遇します。グリシンおよびトランスプロリル結合の周りの変化したダイナミクスは、主に活性化エネルギーに対する効果に起因する可能性があります。対照的に、シスプロリル結合の周りの高速ダイナミクスは、より高いアレニウスの前表現因子に由来し、トランス異性体と比較してループ形成の活性化エネルギーの増加を補正します。プロリンを含むペプチドの全原子シミュレーションは、CISプロリル異性体の立体構造空間がトランス異性体と比較して大部分が制限されていることを示しています。これにより、平均エンドツーエンド距離が減少し、シス異性体のループ形成時の立体配座エントロピーの損失が少なくなります。結果は、グリシンとプロリンの残基が2〜10残基を含む短いループの形成のみに影響することのみに影響することを示しています。これは、天然タンパク質の典型的なループサイズです。大きなループの形成は、単一のグリシンまたはプロリン残基の存在によって影響を受けません。

Glycine and proline residues are frequently found in turn and loop structures of proteins and are believed to play an important role during chain compaction early in folding. We investigated their effect on the dynamics of intrachain loop formation in various unstructured polypeptide chains. Loop formation is significantly slower around trans prolyl peptide bonds and faster around glycine residues compared to any other amino acid. However, short loops are formed fastest around cis prolyl bonds with a time constant of 6 ns for end-to-end contact formation in a four-residue loop. Formation of short loops encounters activation energies in the range of 15 to 30 kJ/mol. The altered dynamics around glycine and trans prolyl bonds can be mainly ascribed to their effects on the activation energy. The fast dynamics around cis prolyl bonds, in contrast, originate in a higher Arrhenius pre-exponential factor, which compensates for an increased activation energy for loop formation compared to trans isomers. All-atom simulations of proline-containing peptides indicate that the conformational space for cis prolyl isomers is largely restricted compared to trans isomers. This leads to decreased average end-to-end distances and to a smaller loss in conformational entropy upon loop formation in cis isomers. The results further show that glycine and proline residues only influence formation of short loops containing between 2 and 10 residues, which is the typical loop size in native proteins. Formation of larger loops is not affected by the presence of a single glycine or proline residue.