Coherent microscopic picture for urea-induced denaturation of proteins.
Coherent microscopic picture for urea-induced denaturation of proteins.
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尿素诱导的蛋白质变性的相干显微镜图片。
DOI：
--
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发表时间：
2012
影响因子：
3.3
通讯作者：
R. Zhou
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Zaixing Yang;P. Xiu;Biyun Shi;Lan Hua;R. Zhou
在先前的研究中，我们通过在8 M尿素中进行鸡溶菌酶的分子动力学（MD）模拟来探索尿素诱导的蛋白质变性的机制，并支持尿素通过分散相互作用使蛋白质变性的“直接相互作用机制”（Hua，L.;周河，巴西-地H.的; Thirumalai，D.;伯尔尼，B。J. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2008，105，16928）。在这里，我们进行大规模的MD模拟五个代表性的蛋白质/肽系统在尿素水溶液中，以调查上述机制是否是共同的其他蛋白质。在所有情况下，观察到尿素在蛋白质/肽周围的积累，这表明尿素通过直接攻击蛋白质主链和侧链而不是作为“破水剂”间接破坏水结构来使蛋白质变性。与我们以前的案例研究溶菌酶，目前的能量分析与五个蛋白质/肽系统显示，尿素的优先结合蛋白质主要来自尿素的较强的分散体与蛋白质的相互作用比与散装溶液，而静电（氢键）的相互作用只发挥相对较小的（甚至是负面的）的作用，在此变性过程中。此外，肽系统在不同尿素浓度（8和4.5 M）和不同力场（CHARMM和OPLSAA）下的模拟表明，上述机制是稳健的，与尿素浓度和所用力场无关。最后，我们强调了周期边界条件在两两能量分析中的重要性。本文对尿素诱导蛋白质变性的物理机制进行了全面的研究，认为“分散-相互作用驱动”机制应具有普遍性。
In a previous study, we explored the mechanism of urea-induced denaturation of proteins by performing molecular dynamics (MD) simulations of hen lysozyme in 8 M urea and supported the "direct interaction mechanism" whereby urea denatures protein via dispersion interaction (Hua, L.; Zhou, R. H.; Thirumalai, D.; Berne, B. J. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2008, 105, 16928). Here we perform large scale MD simulations of five representative protein/peptide systems in aqueous urea to investigate if the above mechanism is common to other proteins. In all cases, accumulations of urea around proteins/peptide are observed, suggesting that urea denatures proteins by directly attacking protein backbones and side chains rather than indirectly disrupting water structure as a "water breaker". Consistent with our previous case study of lysozyme, the current energetic analyses with five protein/peptide systems reveal that urea's preferential binding to proteins mainly comes from urea's stronger dispersion interactions with proteins than with bulk solution, whereas the electrostatic (hydrogen-bonded) interactions only play a relatively minor (even negative) role during this denaturation process. Furthermore, the simulations of the peptide system at different urea concentrations (8 and 4.5 M), and with different force fields (CHARMM and OPLSAA) suggest that the above mechanism is robust, independent of the urea concentration and force field used. Last, we emphasize the importance of periodic boundary conditions in pairwise energetic analyses. This article provides a comprehensive study on the physical mechanism of urea-induced protein denaturation and suggests that the "dispersion-interaction-driven" mechanism should be general.
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