異性化中のプロリンジペプチドの両側に錐体化を誘導する分子内および分子間相互作用：明示的な水におけるAB initio qm/mm分子動力学シミュレーション研究

プロリンに先行するペプチド結合のCIS-Trans異性化は、タンパク質の折り畳みと生物学的機能に重要な役割を果たします。多くの実験的および理論的研究が行われていますが、メカニズムはまだ明確に解明されていません。Ab initio量子力学と経験的分子力学から導出された潜在的な潜在的な潜在的な潜在性を使用して、分子動力学シミュレーションにより、明示的な水におけるプロリンジペプチド（ACE-Pro-NME）のCIS-Trans異性化を研究しました。傘のサンプリング法を使用して、異性化中に自由エネルギーの景観を得ました。自由エネルギーの景観は、以前の実験的および理論的価値によれば、良いものです。異性化の中央では、プロリル窒素は2つの偏光方向にピラミッド状の立体構造を一時的に採取し、同時にプロリルC-N結合が拡張されることが観察されました。これらの幾何学的変化は、プロリル窒素をSP（2）疎水化された電子状態からSP（3）微小な状態に協力的に変換し、したがって、シスおよびトランスステートを分離する回転障壁を減らす遷移状態を実現することを示します。。また、プロリル窒素の水分補給が陰性の錐体構造を安定化する一方で、分子内相互作用が主に正の相互作用を安定させることがわかりました。異性化中の錐体立体構造の極性と大きさの変動は、ピロリジン環の異なる側の間のプロリル窒素の水素結合パートナー間の競合として解釈されます。

The cis-trans isomerization of the peptide bond preceding a proline plays important roles in protein folding and biological function. Although many experimental and theoretical studies have been done, the mechanism has not yet been clearly elucidated. We studied the cis-trans isomerization of the proline dipeptide (Ace-Pro-NMe) in explicit water by molecular dynamics simulations using a combined potential derived from ab initio quantum mechanics and empirical molecular mechanics. We obtained the free energy landscape during the isomerization by using the umbrella sampling method. The free energy landscape is in good accordance with previous experimental and theoretical values. We observed that in the middle of the isomerization, the prolyl nitrogen transiently takes pyramidal conformations in two polarized directions and that, simultaneously, the prolyl C-N bond extends. We show that these geometrical changes cooperatively transform the prolyl nitrogen from a sp(2)-hybridized electronic state into a sp(3)-hybridized one, and thus realize a transition state that reduces the rotational barriers separating the cis- and trans-states. We also found that the hydration of the prolyl nitrogen stabilizes the negative pyramidal conformation, while an intramolecular interaction mainly stabilizes the positive one. Fluctuations in the polarity and magnitude of the pyramidal conformation during the isomerization are interpreted as a competition between the hydrogen-bonding partners for the prolyl nitrogen between different sides of the pyrrolidine ring.