Диссертация (1150552), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Отклонениескоростей релаксации, полученных из МД с моделью воды TIP3P, от значений, полученных примоделировании с SPC/E и TIP4P-EW объясняется высокой диффузионной подвижностью водыдля этой модели [173], которая вызывает более высокую подвижность пептида.Сравнение скоростей релаксации измеренных в эксперименте и смоделированных изданных МД показывает, что зависимость от последовательности схожа. Первая часть H4содержит много глицинов, что приводит к высокой подвижности, поскольку глицины не имеютбоковой цепи и могут, таким образом, принимать большое количество конформаций.
Высокаяподвижность отражается в небольших скоростях релаксации, потому что выполняется условиеэкстремального сужения линии ЯМР (0 ≪ 1). Во второй части пептида многие боковые97цепи содержат заряды, которые взаимодействуют друг с другом электростатически и тем самымзамедляют движение этой части пептида.Величина структурного порядка пептида в МДс разнымимоделямиводыохарактеризована радиусом гирации хвоста H4: она была рассчитана с шагом в 100 пс длявсех симуляций при 25°C. Молекула Н4 является подвижной и меняет свою общуюконформацию от более конденсированной до полностью развернутой несколько раз в ходетраектории.
В качестве примера рассмотрим траекторию МД с моделью воды TIP4P-D. Смомента времени t = 50 нс до t = 100 нс пептид находится в конденсированной форме и затемрастягивается в развернутую структуру. Радиус гирации увеличивается с 5 нм до 12 нм,соответственно.В период времени 770 нс - 1500 нс наблюдается значительная разница в подвижностипервой части пептида, богатой глицином, и второй - заряженной частью. В то время как перваячасть часто разворачивается и сворачивается, вторая часть принимает компактную, но ненеподвижную конформацию.
Это различие в подвижности объясняет более высокие скоростирелаксации, обнаруженные для этой части последовательности.Распределение радиусов гирации моделируемого хвоста H4 показано на Рисунок 3.1f-iдля всех симуляций, выполненных при 25°C. Стандартные модели воды SPC/E, TIP3P и TIP4PEW показывают суперпозицию двух субпопуляций в распределении радиусов гирации. Однасубпопуляция представляет собой Гауссово распределение случайной развернутой цепочки, адругая – гауссово распределение для более компактных структур. В отличие от этогоповедения, TIP4P-D показывает гауссово распределение радиуса гирации с одним максимумом.Другая возможность оценить компактность структуры состоит в том, чтобы подсчитатьвнутримолекулярные водородные связи, образованные пептидом Н4. Количество водородныхсвязей заметно отличается для МД с TIP4P-D и для МД со стандартными моделями воды.
Вмоделировании с TIP4P-D оно изменяется в диапазоне 0-2 в развернутом состоянии и 5-6 вкомпактном состоянии, тогда как, например, в симуляции SPC/E в компактном состоянииможно наблюдать до 12 водородных связей. Таким образом, динамика основной цепи белказамедляется при моделировании со стандартными моделями воды, и, следовательно, скоростьрелаксации увеличивается по сравнению с симуляциями в воде TIP4P-D. Для дальнейшегосравнения с экспериментальными данными используются моделирование с моделью водыTIP4P-D.98На Рисунок 3.3b,d показаны экспериментальные скорости релаксации для всехтемператур.
Можно заметить, как скорости релаксации 1 и уменьшаются с температурой,что является показателем ускорения динамики. Вспомним зависимость скоростей релаксацииот времени корреляции. В то время как 1 () имеет максимум, () непрерывно уменьшаетсяпри переходе от медленного к быстрому движению. Это означает, что только при маломвремени корреляции обе скорости снижаются с температурой. Таким образом, в динамикепептида H4 доминируют быстрые моды движения.
Сравнение с расчетными скоростямирелаксации, полученными для МД с моделью воды TIP4P-D, показывает почти количественноесогласие температурной зависимости.Рисунок 3.3. Сравнение экспериментальных скоростей релаксации и расчетных скоростейрелаксации для МД-моделирования с водой TIP4P-D.
(а) Скорости ЯМР-релаксации15N 1 ,измеренные при 5°C, 25°C и 55°C. (b) 1 , рассчитанные из MD-моделирования с TIP4P-Dводой. (c) Скорости ЯМР-релаксации15N , измеренные при 5°C, 25°C и 55°C. d) ,рассчитанные из MD-моделирования с TIP4P-D водой.Мы наблюдаем разумное согласие при сравнении зависимостей скоростей релаксации отпоследовательности для эксперимента и расчетов.
В обоих методах видно различие междупервой и второй частью последовательности. Это различие ожидаемо, потому чтоаминокислотные остатки, расположенные на N-конце, имеют низкую склонность кформированию структуры, а аминокислотные остатки во второй части – предпочитаютформировать структуру [174]. Таким образом, N-конец является более подвижным, и,99следовательно, скорости релаксации для него ниже, в то время как на C-конце аминокислотныеостатки имеют более крупные и более объемные боковые цепи, которые могут препятствоватьдвижению дополнительно к более высокой склонности к формированию структуры. Разница вдинамике первой и второй частей хвоста H4 более выражена для МД по сравнению срезультатами экспериментальных измерений ЯМР-релаксации.
Возможным объяснением этогоразличия является то, что взаимодействие, используемое в моделировании МД для второй,заряженной части пептида Н4, переоценено в модели воды TIP4P-D.Сравнение экспериментальных данных с МД с использованием разных моделей водыпоказанонаРисунок3.4,3.5,3.6.Впринципе,существуетразличиемеждуэкспериментальными скоростями релаксации для N-концевой и С-концевой частей хвоста H4.Однако мы заметили, что разница между первой и второй половиной последовательностейболее реалистично передается в расчетах скоростей релаксации из МД с моделью воды TIP3P.Это трудно объяснить, потому на это поведение могут влиять очень тонкие аспекты силовогополя, относящиеся к гидратации боковой цепи.Рисунок 3.4.
Сравнение экспериментальных и расчетных скоростей релаксации для МД с водойSPC/E. (a) Скорости ЯМР релаксации 15N 1 , измеренные при температуре 5°C, 25°C и 55°C; (b)1 , рассчитанные из МД с водой SPC/E; (c) скорости релаксации , вызванные кросскорреляцией дипольного взаимодействия и взаимодействия с анизотропией химическогосдвига, измеренные при температуре 5°C, 25°C и 55°C; (d) , рассчитанные из МД с водой100SPC/E.Рисунок 3.5.
Сравнение экспериментальных и расчетных скоростей релаксации для МД с водойTIP3P. (a) Скорости ЯМР релаксации 15N 1 , измеренные при температуре 5°C, 25°C и 55°C; (b)1 , рассчитанные из МД с водой TIP3P; (c) скорости релаксации , вызванные кросскорреляцией дипольного взаимодействия и взаимодействия с анизотропией химическогосдвига, измеренные при температуре 5°C, 25°C и 55°C; (d) , рассчитанные из МД с водойTIP3P.101Рисунок 3.6. Сравнение экспериментальных и расчетных скоростей релаксации для МД с водойTIP4P-EW.
(a) Скорости ЯМР релаксации15N 1 , измеренные при температуре 5°C, 25°C и55°C; (b) 1 , рассчитанные из МД с водой TIP4P-EW; (c) скорости релаксации , вызванныекросс-корреляцией дипольного взаимодействия и взаимодействия с анизотропией химическогосдвига, измеренные при температуре 5°C, 25°C и 55°C; (d) , рассчитанные из МД с водойTIP4P-EW.3.3.2. Моды движения, обуславливающие ЯМР релаксациюУбедившись, что моделирование MD хорошо согласуется с данными ЯМР, теперь мыможем более подробно изучить типы движения, которые обуславливают релаксацию.
НаРисунок 3.7a,b показаны функции корреляции NH для МД с TIP4P-D при 5, 25, 55°C для двухразных аминокислотных остатков хвоста H4. Один из остатков выбран из первой богатойглицином и более гибкой части молекулы (см. Рисунок 3.1), а другой - из второй менее гибкойчасти.Корреляционные функции NH явно имеют не моно экспоненциальный спад, которыйможет быть хорошо аппроксимирован двухэкспоненциальным спадом, как сообщалось ранее102[142]: при коротких временах наблюдается резкое падение корреляции, за которым следуетболеемедленныйспад.Напомним,чтомыпренебреглисверхбыстрымраспадомкорреляционной функции на субпикосекундном масштабе времени, который не приводит крелаксации, исключив первую точку по времени (1 пс).
Корреляционные функцииаппроксимировались уравнением (3.2). Подогнанная кривая показана черной сплошной линиейдля аппроксимированного диапазона зависимости ( () > 0.05) и пунктирной линией, запределамиэтогодиапазона.Точноеописаниекорреляционнойфункции,включаясверхбыструю компоненту, представлено в разделе 3.2 Материалы и методы.Рисунок 3.7. Автокорреляционные функции () вектора NH извлеченные из МД с модельюводы TIP4P-D при 5°С (синяя), 25°C (зеленая) и 55°С (красная) для аминокислотных остатков,Lys 9 (a) и Leu 23 (b). Черные линии — это двухэкспоненциальные аппроксимации, показанныев виде сплошных линий для () > 0,05 и в виде пунктирных линий для остальных участков.Аппроксимированные амплитуды (1 и 2 , c) и времена корреляции (1 и 2 , d) дляаппроксимирующих функций.
Зависимость от температуры отмечена стрелками.Из аппроксимаций амплитуды были извлечены 1 и 2 , а также времена корреляции 1 и2 двух мод движения (см. Рисунок 3.7c,d). Быстрое движение происходит в диапазоне времен1 = 50-200 пс, а медленное движение наблюдается на промежуточном масштабе времени вдиапазоне 2 = 0,5-3 нс.Результаты для всех остальных аминокислотных остатков для МД с водой TIP4P-Dпоказаны на Рисунок 3.8, 3.9, 3.10. При увеличении температуры вес быстрой динамической103составляющей (1 , 1 ) возрастает (см.
направление стрелок), а для промежуточной компоненты(2 , 2 ) – уменьшается. Это верно для большинства из остатков (см. Рисунок 3.8, 3.9, 3.10), носистематически менее хорошо выполнено для второй части молекулы.Рисунок 3.8. (a-d, i-l) Автокорреляционные функции для вектора NH (), извлеченные изМД с водой TIP4P-D при 5°С (синий), 25°C (зеленый) и 55°С (красный) для аминокислотныхостатков 3-10. Черные линии – это двухэкспоненциальные аппроксимации, показанные в видесплошных линий для () > 0,05, и в виде пунктирных линий для более длительноговремени.
(e-h, m-p) Аппроксимированные амплитуды а1 , а2 и времена корреляции 1 , 2 дляаминокислотных остатков 3-10.104Рисунок 3.9. (a-d, i-l) Автокорреляционные функции для вектора NH (), извлеченные изМД с водой TIP4P-D при 5°С (синий), 25°C (зеленый) и 55°С (красный) для аминокислотныхостатков 11-18. Черные линии – это двухэкспоненциальные аппроксимации, показанные в видесплошных линий для () > 0,05, и в виде пунктирных линий для более длительноговремени. (e-h, m-p) Аппроксимированные амплитуды а1 , а2 и времена корреляции 1 , 2 дляаминокислотных остатков 11-18.105Рисунок 3.10. (a-d, i-l) Автокорреляционные функции для вектора NH (), извлеченные изМД с водой TIP4P-D при 5°С (синий), 25°C (зеленый) и 55°С (красный) для аминокислотныхостатков 19-26.
Черные линии – это двухэкспоненциальные аппроксимации, показанные в видесплошных линий для () > 0,05, и в виде пунктирных линий для более длительноговремени. (e-h, m-p) Аппроксимированные амплитуды а1 , а2 и времена корреляции 1 , 2 дляаминокислотных остатков 19-26.Различия в двух частях молекулы заслуживают отдельного обсуждения. Можнонаблюдать, что в богатой глицином части (остатки 1-15) весовые коэффициенты, связанные сдвумя динамическими составляющими приблизительно равны. Во второй части пептида106медленное движение имеет больший вклад в спад корреляционной функции.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
