オスモリテトリメチルアミンn-酸化物は、疎水性相互作用の強度に影響しません：オスモライトの互換性の起源

浸透圧は、浸透圧ストレスに応答して細胞/組織によって高濃度で蓄積された小さな有機溶質です。浸透圧は、折りたたまれたタンパク質の熱力学的安定性を高め、変性ストレスに対する保護を提供します。したがって、オスモライトの互換性とオスモライテ誘発性の安定性のメカニズムは、近年かなりの注目を集めています。しかし、私たちの知る限り、疎水性相互作用の強度に対するオスモライト効果の定量的研究は報告されていません。ここでは、分子およびナノ鏡の長さスケールでの疎水性現象に対するオスモライテトリメチルアミンn-酸化物（TMAO）の効果の詳細な分子動力学シミュレーション研究を提示します。具体的には、TMAOが水中の疎水性ポリマーの折り畳み式の不均一な立体構造平衡の疎水性水和と相互作用の熱力学に及ぼす影響を調査します。私たちの研究の主な結論は、TMAOが小さな非極性溶質の水和の熱力学や、ペアおよび多体レベルでの疎水性相互作用にもほとんど影響を及ぼさないということです。タンパク質の折り畳みにおける主要な駆動力の1つは、TMAOの一つであると、TMAOを「互換性のある」オスモライテにするために少なくとも部分的に責任を負うことを提案します。つまり、TMAOは、非特異的疎水効果に影響を与えることなく、生物の高濃度で容認できます。私たちの研究は、TMAOによるタンパク質の安定化は、最近の実験研究で示唆されているように、TMAOとタンパク質骨格との不利な水を介した相互作用など、他のメカニズムを通じて発生することを意味します。TMAOの水分補給とTMAO分子の存在下での水構造の変化の分析により、上記の計算を補完します。TMAOは、疎水性部分と親水性部分の両方を含む両親媒性分子です。分子の疎水性および親水性セグメントの効果の正確なバランスは、疎水性相互作用の強さに対するTMAOの仮想の非偏見を説明するように見えます。

Osmolytes are small organic solutes accumulated at high concentrations by cells/tissues in response to osmotic stress. Osmolytes increase thermodynamic stability of folded proteins and provide protection against denaturing stresses. The mechanism of osmolyte compatibility and osmolyte-induced stability has, therefore, attracted considerable attention in recent years. However, to our knowledge, no quantitative study of osmolyte effects on the strength of hydrophobic interactions has been reported. Here, we present a detailed molecular dynamics simulation study of the effect of the osmolyte trimethylamine-N-oxide (TMAO) on hydrophobic phenomena at molecular and nanoscopic length scales. Specifically, we investigate the effects of TMAO on the thermodynamics of hydrophobic hydration and interactions of small solutes as well as on the folding-unfolding conformational equilibrium of a hydrophobic polymer in water. The major conclusion of our study is that TMAO has almost no effect either on the thermodynamics of hydration of small nonpolar solutes or on the hydrophobic interactions at the pair and many-body level. We propose that this neutrality of TMAO toward hydrophobic interactions-one of the primary driving forces in protein folding-is at least partially responsible for making TMAO a "compatible" osmolyte. That is, TMAO can be tolerated at high concentrations in organisms without affecting nonspecific hydrophobic effects. Our study implies that protein stabilization by TMAO occurs through other mechanisms, such as unfavorable water-mediated interaction of TMAO with the protein backbone, as suggested by recent experimental studies. We complement the above calculations with analysis of TMAO hydration and changes in water structure in the presence of TMAO molecules. TMAO is an amphiphilic molecule containing both hydrophobic and hydrophilic parts. The precise balance of the effects of hydrophobic and hydrophilic segments of the molecule appears to explain the virtual noneffect of TMAO on the strength of hydrophobic interactions.