トリメチルアミンN-酸化物は、ベタインとグリシンと比較して、異なるメカニズムを介してタンパク質を安定化します

エラスチン様ポリペプチド（ELP）の疎水性崩壊に対する3つのオスモライテス、トリメチルアミンn-酸化物（TMAO）、ベタイン、グリシンの効果を調査する実験的および計算研究を報告します。3つのオスモライテンはすべて、ELPの崩壊した立体構造を安定させ、オスモライテ濃度でより低い臨界溶液温度（LSCT）を直線的に減少させます。従来の優先的溶媒和の議論から予想されるように、ベタインとグリシンはどちらも空気水インターフェースで表面張力を増加させます。ただし、TMAOは表面張力を減らします。原子的に詳細な分子動力学（MD）シミュレーションは、グリシンとベタインが強く枯渇しているのに対し、TMAOもポリマー水界面にわずかに蓄積することを示唆しています。オスモライト効果の代替メカニズムを調査するために、各コソルベントのバルク水構造に対する影響を特徴付けるFTIR実験を実行しました。これらの実験は、TMAOがNO部分のプロトン化状態に非常に敏感なメカニズムを介して、IRスペクトルのOHストレッチを赤く押したことを示しました。グリシンはまた、OHストレッチ領域で赤方偏移を引き起こしたが、ベタインはこの領域に最小限に影響を与えた。したがって、OHスペクトルに対するオスモライテスの効果は、疎水性崩壊に対する効果とともに無相関のように見えます。同様に、MDシミュレーションは、TMAOが水の構造を最小限に破壊するのに対し、グリシンは水の構造に最大の影響を及ぼすことを示唆しました。これらの結果は、TMAOがグリシンとベタインとは異なるメカニズムを介して崩壊した立体構造を安定化することを示唆しています。特に、TMAOは、折り畳まれたタンパク質の不均一な表面の界面活性剤として作用することにより、タンパク質を安定化することを提案します。

We report experimental and computational studies investigating the effects of three osmolytes, trimethylamine N-oxide (TMAO), betaine, and glycine, on the hydrophobic collapse of an elastin-like polypeptide (ELP). All three osmolytes stabilize collapsed conformations of the ELP and reduce the lower critical solution temperature (LSCT) linearly with osmolyte concentration. As expected from conventional preferential solvation arguments, betaine and glycine both increase the surface tension at the air-water interface. TMAO, however, reduces the surface tension. Atomically detailed molecular dynamics (MD) simulations suggest that TMAO also slightly accumulates at the polymer-water interface, whereas glycine and betaine are strongly depleted. To investigate alternative mechanisms for osmolyte effects, we performed FTIR experiments that characterized the impact of each cosolvent on the bulk water structure. These experiments showed that TMAO red-shifts the OH stretch of the IR spectrum via a mechanism that was very sensitive to the protonation state of the NO moiety. Glycine also caused a red shift in the OH stretch region, whereas betaine minimally impacted this region. Thus, the effects of osmolytes on the OH spectrum appear uncorrelated with their effects upon hydrophobic collapse. Similarly, MD simulations suggested that TMAO disrupts the water structure to the least extent, whereas glycine exerts the greatest influence on the water structure. These results suggest that TMAO stabilizes collapsed conformations via a mechanism that is distinct from glycine and betaine. In particular, we propose that TMAO stabilizes proteins by acting as a surfactant for the heterogeneous surfaces of folded proteins.