アルギニンとタンパク質と凝集を阻害するメカニズムとの相互作用

水性アルギニン溶液は、タンパク質凝集を阻害するために広く使用されています。タンパク質の安定性に対するアルギニンの効果を説明するために提案されているいくつかの理論がありますが、正確なメカニズムはまだ明確ではありません。タンパク質の共溶媒相互作用のメカニズムを理解するには、脱プロタンパク質、タンパク質溶媒、および溶媒内相互作用を理解する必要があります。アルギニン溶液の分子動力学シミュレーションは、実験的にアクセス可能な濃度と温度範囲のために実施され、溶液とそのエネルギー特性の構造を研究し、アルギニンがタンパク質凝集を阻害するメカニズムへの洞察を得ます。タンパク質（α-キモトリプシノゲンAおよびメリティン）のシミュレーションを実施しました。構造的には、アルギニン溶液の最も顕著な特徴は、アルギニン分子の自己分類です。アルギニンは、頭から尾の水素結合を持つクラスターを形成する顕著な傾向を示しています。3つの帯電したグループが存在するため、アルギニン分子が相互作用するいくつかの構成があります。比較的高い濃度で、これらのアルギニンクラスターは他のクラスターやモノマーアルギニン分子と関連して大きなクラスターを形成します。アルギニン分子間の水素結合は、アルギニンと水の間のものよりも強いことがわかりました。これにより、自己同化のプロセスがエンタルピー的に好ましいものになります。アルギニン溶液のタンパク質のシミュレーションから、アルギニンは表面残基の芳香族および帯電した側鎖と相互作用することがわかりました。私たちの発見と一致するタンパク質の安定性に対するアルギニンの効果の可能性のあるメカニズムが提案されています。特に、アルギニンは、それぞれ陽イオン-π相互作用と塩橋形成により、部分的に展開された中間体を安定させるために芳香族および荷電残基と相互作用します。アルギニンの自己相互作用は、クラスターの形成につながり、そのサイズのためにタンパク質間相互作用を群がらせます。文献で提案されているメカニズムは、この論文で報告されているシミュレーション結果と最近の実験データに基づいて分析されます。

Aqueous arginine solutions are used extensively for inhibiting protein aggregation. There are several theories proposed to explain the effect of arginine on protein stability, but the exact mechanism is still not clear. To understand the mechanism of protein cosolvent interaction, the intraprotein, protein-solvent, and intrasolvent interactions have to be understood. Molecular dynamics simulations of aqueous arginine solutions were carried out for experimentally accessible concentrations and temperature ranges to study the structure of the solution and its energetic properties and obtain insight into the mechanism by which arginine inhibits protein aggregation. Simulations of proteins (α-chymotrypsinogen A and melittin) were performed. Structurally, the most striking feature of the aqueous arginine solutions is the self-association of arginine molecules. Arginine shows a marked tendency to form clusters with head to tail hydrogen bonding. Due to the presence of the three charged groups, there are several possible configurations in which arginine molecules interact. At relatively high concentrations, these arginine clusters associate with other clusters and monomeric arginine molecules to form large clusters. The hydrogen bonds between arginine molecules were found to be stronger than those between arginine and water, which makes the process of self-association enthalpically favorable. From the simulation of the proteins in aqueous arginine solution, arginine is found to interact with the aromatic and charged side chains of surface residues. A probable mechanism of the effect of arginine on protein stability consistent with our findings is proposed. In particular, arginine interacts with aromatic and charged residues due to cation-π interaction and salt-bridge formation, respectively, to stabilize the partially unfolded intermediates. The self-interaction of arginine leads to the formation of clusters which, due to their size, crowd out the protein-protein interaction. The mechanisms proposed in the literature are analyzed on the basis of the simulation results reported in this paper and recent experimental data.