二次構造形成の自由エネルギー決定因子：I alpha-helices

Zimm-BraggパラメーターとSigmaは、ポリL-アラニンのヘリックスコイル遷移について計算されます。理論的アプローチでは、CHARMM電位関数を使用して、さまざまな連続体溶媒和モデルを使用した溶媒和効果を考慮したコイル状態とらの両方の状態の気相立体配座エネルギーを評価します。その後、立体構造の自由エネルギーは、Go et alによって開発された形式に組み込まれます。SとSigmaの計算。SとSigmaの両方の計算された値、ならびにヘリックス形成に関連するエンタルピー変化は、溶媒効果を処理するためにポアソン - ボルツマン（FDPB）メソッドを使用した場合、実験データとよく一致しています。ヘリックスコイル遷移の原動力は、個々の自由エネルギー成分の観点から分析されます。水素結合エネルギーは、水から極地群を除去することに関連する大きな自由エネルギーコストによって主にキャンセルされるため、水素結合の形成はヘリックスの安定性にほとんど寄与することがわかっています。らせん状の立体構造におけるバックボーン二面角の固定に関連するエントロピーコストは、約7 e.u./residue（室温で約2 kcal/mol）であることがわかります。ヘリックス形成を支持する主要な駆動力は、密集したヘリックス立体構造と疎水性効果における強化されたファンデルワールス相互作用などの相互作用に関連する可能性があります。これらは、らせん状態を支持する約2 kcal/molに寄与します。アラニンとグリシンの間のらせん性性の違いの違いは、主にCベータを含む疎水性と梱包の相互作用に起因し、コイル状態のグリシンの立体的自由度の増加から生じるより小さな寄与に起因します。ここで提示されたヘリックス形成の説明は、疎水性と密集した相互作用が安定性を提供する一方で、水素結合形成が不満のない水素結合グループの埋葬に関連する高い自由エネルギーコストによって課される構造的制約を構成する一方で安定性を提供することを示唆する高等構造形成に関する以前の結論と一致しています。したがって、アルファヘリックスの形成は、極グループが溶媒にさらされるか、水素結合を形成するという要件によって制約されている疎水性崩壊の形態と見なされる場合があります。より一般的には、この研究から、折りたたみモデルが現実的であるためには、ポリペプチド鎖の化学的性質、特にアミド基の溶媒和エネルギーを適切に説明する必要があると思われます。

The Zimm-Bragg parameters s and sigma are calculated for the helix-coil transition of poly-L-alanine. The theoretical approach involves evaluating gas phase conformational energies for both coil and helical states using the CHARMM potential function and accounting for solvation effects with various continuum solvation models. Conformational free energies are then incorporated into a formalism developed by Go et al. for the calculation of s and sigma. Calculated values for both s and sigma as well as the enthalpy change associated with helix formation are in good agreement with experimental data when the Finite Difference Poisson-Boltzmann (FDPB) method is used to treat solvent effects. The driving force for the helix-coil transition is analyzed in terms of individual free energy components. Hydrogen bond formation is found to contribute little to helix stability because the internal hydrogen bonding energy is largely canceled by the large free energy cost associated with removing polar groups from water. The entropic cost associated with fixing backbone dihedral angles in the helical conformation is found to be approximately 7 e.u./residue (about 2 kcal/mol at room temperature). The major driving force favoring helix formation can be associated with interactions including enhanced van der Waals interactions in the close-packed helix conformation and the hydrophobic effect. These contribute about 2 kcal/mol favoring the helical state. The differences in helical propensities between alanine and glycine are attributed primarily to hydrophobic and packing interactions involving the C beta with a smaller contribution arising from increased conformational freedom for glycine in the coil state. The description of helix formation presented here is consistent with previous conclusions regarding tertiary structure formation which suggest that hydrophobic and close-packed interactions provide stability while hydrogen bond formation constitutes a structural constraint imposed by the high free energy cost associated with burying unsatisfied hydrogen bonding groups. alpha-Helix formation may thus be viewed as a form of hydrophobic collapse constrained by the requirement that polar groups be either exposed to solvent or form hydrogen bonds. More generally it appears from this study that for a folding model to be a realistic, it must properly account for the chemical nature of the polypeptide chain, particularly the solvation energetics of amide groups.