生体分子のオーバーラップ相互作用間のクロストーク：βターンモチーフのケーススタディ

非共有相互作用は、タンパク質の立体構造、安定性、ダイナミクスの調節において極めて重要な役割を果たします。量子機械（QM）オーバーラップベースの非共有相互作用の中で、n→π*は、小分子からGB1などのモデルタンパク質のβターンに至るまでの研究で最もよく理解されています。ただし、これらの調査では、局所的な構造と安定性に貢献する複数のオーバーラップ相互作用間の相互作用を調査するものではありません。この作業では、ポリペプチド鎖の折り畳みを促進する重要な二次構造要素であるβターンにおけるすべての非共有重複相互作用を特定し、特徴付けます。自然結合軌道のQMフレームワークを呼び出すと、n→σ*やπ→π*などのいくつかの追加の相互作用の役割を示します。これらの相互作用は、Gb1のβターンの残基の側鎖の変化に敏感であることがわかり、n→π*がβターンの立体構造と安定性を決定する唯一の成分ではないことを示唆しています。さらに、PDBでのn→σ*およびπ→π*のデータベース検索は、それらがほとんどのタンパク質で一般的であり、有意な相互作用エネルギー（〜1 kcal/mol）を持っていることを明らかにしています。これは、タンパク質の構造とエネルギーへの貢献の包括的な写真を取得するために、すべてのオーバーラップ相互作用を考慮しなければならないことを示しています。最後に、QMの重複と相互作用エネルギーの程度に基づいて、これらの追加の相互作用を広範なデータベース検索で効率的に追跡できる幾何学的基準を提案します。

Noncovalent interactions play a pivotal role in regulating protein conformation, stability and dynamics. Among the quantum mechanical (QM) overlap-based noncovalent interactions, n→π* is the best understood with studies ranging from small molecules to β-turns of model proteins such as GB1. However, these investigations do not explore the interplay between multiple overlap interactions in contributing to local structure and stability. In this work, we identify and characterize all noncovalent overlap interactions in the β-turn, an important secondary structural element that facilitates the folding of a polypeptide chain. Invoking a QM framework of natural bond orbitals, we demonstrate the role of several additional interactions such as n→σ* and π→π* that are energetically comparable to or larger than n→π*. We find that these interactions are sensitive to changes in the side chain of the residues in the β-turn of GB1, suggesting that the n→π* may not be the only component in dictating β-turn conformation and stability. Furthermore, a database search of n→σ* and π→π* in the PDB reveals that they are prevalent in most proteins and have significant interaction energies (∼1 kcal/mol). This indicates that all overlap interactions must be taken into account to obtain a comprehensive picture of their contributions to protein structure and energetics. Lastly, based on the extent of QM overlaps and interaction energies, we propose geometric criteria using which these additional interactions can be efficiently tracked in broad database searches.