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O que é energia livre de partição de membrana? Pode ser simulado?

O que é energia livre de partição de membrana? Pode ser simulado?


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Em primeiro lugar, existe uma definição estrita de "energia livre de partição da membrana"? Ele está em faixas na biologia de membrana, mas nunca o vi estritamente definido. O único site não acadêmico que o Google mostra é este Q&A on quora, e a resposta lá tem até ambigüidade no que é definido como particionamento na membrana. Isso parece totalmente obscuro.

Além disso, é possível estudar as mudanças de energia livre durante o particionamento no GROMACS, ou com qualquer outra simulação de dinâmica molecular? Se não, quais são os métodos que preciso usar para determinar a energia livre de particionamento?

Links e citações para leituras adicionais sobre este tópico são encorajados.


No contexto biológico, a partição da membrana geralmente se refere ao estágio em que a região destinada à transmembrana de uma proteína passa de interagir com a água para interagir com a interface da membrana.

No diagrama abaixo, mostrando um ciclo termodinâmico de quatro etapas, a energia livre de particionamento pode ser referida como ΔGwiu em termos de energia livre, onde C é água, eu é a interface, e você é desdobrado. A imagem vem do mesmo artigo que apresentou a famosa escala de interface de octanol de Wimley and White de 1999.

Observe que em um artigo mais recente de 2015, eles comentam que a fase de particionamento ΔGwiu geralmente é a única etapa experimentalmente acessível. Com isso em mente, simular ΔGesposa Onde f é a hélice dobrada se torna necessária. Este artigo da Nature Comms de 2014 usa simulações de dinâmica molecular de partição-dobramento para estimar as energias livres que são experimentalmente inacessíveis. Eles usaram Gomacs 4.5. Na verdade, um estudo usando uma simulação de 2005 sugere que a dobradura não é necessariamente necessária para a inserção das hélices.


Observe que todas as informações aqui estão atrás de um acesso pago. Fique à vontade para me pedir esclarecimentos ou expansão nos comentários.


Análise de energia livre de ligação de peptídeo em membrana lipídica usando simulação de dinâmica molecular totalmente atômica combinada com teoria de soluções

História da Publicação

  • Recebido 18 de agosto de 2017
  • Revisado 14 de dezembro de 2017
  • Publicados online 10 de janeiro de 2018
  • Publicados na edição 5 de abril de 2018
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Termodinâmica Química

Algumas reações são espontâneas porque liberam energia na forma de calor (H & lt 0). Outros são espontâneos porque levam a um aumento da desordem do sistema (S & gt 0). Cálculos de H e S pode ser usado para sondar a força motriz por trás de uma reação particular.

Calcular H e S para a reação seguinte e decida em que direção cada um desses fatores irá conduzir a reação.

O que acontece quando uma das forças motrizes potenciais por trás de uma reação química é favorável e a outra não? Podemos responder a essa pergunta definindo uma nova quantidade conhecida como Gibbs energia livre (G) do sistema, que reflete o equilíbrio entre essas forças.

A energia livre de Gibbs de um sistema em qualquer momento no tempo é definida como a entalpia do sistema menos o produto da temperatura pela entropia do sistema.

A energia livre de Gibbs do sistema é uma função de estado porque é definida em termos de propriedades termodinâmicas que são funções de estado. A mudança na energia livre de Gibbs do sistema que ocorre durante uma reação é, portanto, igual à mudança na entalpia do sistema menos a mudança no produto da temperatura pela entropia do sistema.

Se a reação é executada em temperatura constante, esta equação pode ser escrita como segue.

A mudança na energia livre de um sistema que ocorre durante uma reação pode ser medida sob qualquer conjunto de condições. Se os dados são coletados em condições de estado padrão, o resultado é o energia de reação livre de estado padrão (G o).

G o = H o - TS o

A beleza da equação que define a energia livre de um sistema é sua capacidade de determinar a importância relativa dos termos de entalpia e entropia como forças motrizes por trás de uma reação particular. A mudança na energia livre do sistema que ocorre durante uma reação mede o equilíbrio entre as duas forças motrizes que determinam se uma reação é espontânea. Como vimos, os termos de entalpia e entropia têm convenções de sinais diferentes.

O termo entropia é, portanto, subtraído do termo entalpia ao calcular G o para uma reação.

Devido à forma como a energia livre do sistema é definida, G o é negativo para qualquer reação para a qual H o é negativo e S o é positivo. G o é, portanto, negativo para qualquer reação que seja favorecida pelos termos entalpia e entropia. Podemos, portanto, concluir que qualquer reação para a qual G o é negativo deve ser favorável ou espontâneo.

Por outro lado, G o é positivo para qualquer reação para a qual H o é positivo e S o é negativo. Qualquer reação para a qual G o é positivo é, portanto, desfavorável.

As reações são classificadas como exotérmico (H & lt 0) ou endotérmico (H & gt 0) com base na liberação ou absorção de calor. As reações também podem ser classificadas como exergônico (G & lt 0) ou endergônico (G & gt 0) com base no fato de a energia livre do sistema diminuir ou aumentar durante a reação.

Quando uma reação é favorecida por ambas as entalpias (H o & lt 0) e entropia (S o & gt 0), não há necessidade de calcular o valor de G o para decidir se a reação deve prosseguir. O mesmo pode ser dito para as reações favorecidas por nenhuma entalpia (H o & gt 0) nem entropia (S o & lt 0). Cálculos de energia livre tornam-se importantes para reações favorecidas por apenas um desses fatores.

Calcular H e S para a seguinte reação:

Use os resultados deste cálculo para determinar o valor de G o para esta reação a 25 o C, e explicar por que NH4NÃO3 dissolve-se espontaneamente em água à temperatura ambiente.

O equilíbrio entre as contribuições dos termos de entalpia e entropia para a energia livre de uma reação depende da temperatura na qual a reação é executada.

Use os valores de H e S calculado no Problema Prático 5 para prever se a seguinte reação é espontânea a 25C:

A equação usada para definir a energia livre sugere que o termo entropia se tornará mais importante à medida que a temperatura aumenta.

G o = H o - TS o

Uma vez que o termo entropia é desfavorável, a reação deve se tornar menos favorável à medida que a temperatura aumenta.

Preveja se a seguinte reação ainda é espontânea a 500C:

Suponha que os valores de H o e S usados ​​no Problema prático 7 ainda são válidos nesta temperatura.

G o para uma reação pode ser calculado a partir de dados tabulados de energia livre de estado padrão. Uma vez que não há zero absoluto na escala de energia livre, a maneira mais fácil de tabular esses dados é em termos de energias de formação livres de estado padrão, Gf o. Como seria de se esperar, a energia livre de formação de uma substância no estado padrão é a diferença entre a energia livre da substância e as energias livres de seus elementos em seus estados termodinamicamente mais estáveis ​​a 1 atm, todas as medições sendo feitas sob padrões condições de estado.

Agora estamos prontos para fazer a pergunta óbvia: Qual é o valor de G o conte-nos sobre a seguinte reação?

Por definição, o valor de G o para uma reação mede a diferença entre as energias livres dos reagentes e produtos quando todos os componentes da reação estão presentes em condições de estado padrão.

G o, portanto, descreve esta reação apenas quando todos os três componentes estão presentes na pressão de 1 atm.

o sinal do G o nos diz a direção na qual a reação deve mudar para chegar ao equilíbrio. O fato de que G o é negativo para esta reação a 25 o C significa que um sistema sob condições de estado padrão nesta temperatura teria que se deslocar para a direita, convertendo alguns dos reagentes em produtos, antes que pudesse atingir o equilíbrio. o magnitude do G o para uma reação nos diz a que distância o estado padrão está do equilíbrio. Quanto maior o valor de G o, quanto mais longe a reação tem que ir para ir das condições de estado padrão ao equilíbrio.

Suponha, por exemplo, que comecemos com a seguinte reação em condições de estado padrão, conforme mostrado na figura abaixo.

O valor de G naquele momento será igual à energia livre do estado padrão para esta reação, G o.

À medida que a reação muda gradualmente para a direita, convertendo N2 e H2 em NH3, o valor de G para a reação diminuirá. Se pudéssemos encontrar uma maneira de controlar a tendência dessa reação de chegar ao equilíbrio, poderíamos fazer com que a reação funcionasse. A energia livre de uma reação em qualquer momento é, portanto, considerada uma medida da energia disponível para realizar o trabalho.

Quando uma reação deixa o estado padrão devido a uma mudança na razão das concentrações dos produtos para os reagentes, temos que descrever o sistema em termos de energias livres de reação no estado não padrão. A diferença entre G o e G pois uma reação é importante. Existe apenas um valor de G o para uma reação a uma determinada temperatura, mas há um número infinito de valores possíveis de G.

A figura abaixo mostra a relação entre G para a seguinte reação e o logaritmo para a base e do quociente de reação para a reação entre N2 e H2 para formar NH3.

Os dados no lado esquerdo desta figura correspondem a valores relativamente pequenos de Qp. Portanto, eles descrevem sistemas nos quais há muito mais reagente do que produto. O sinal de G para esses sistemas é negativo e a magnitude de G é grande. O sistema está, portanto, relativamente longe do equilíbrio e a reação deve se deslocar para a direita para atingir o equilíbrio.

Os dados no lado direito desta figura descrevem sistemas nos quais há mais produto do que reagente. O sinal de G agora é positivo e a magnitude de G é moderadamente grande. O sinal de G nos diz que a reação teria que se deslocar para a esquerda para atingir o equilíbrio. A magnitude de G nos diz que não precisamos ir muito longe para alcançar o equilíbrio.

Os pontos em que a linha reta na figura acima cruza os eixos horizontal e versus deste diagrama são particularmente importantes. A linha reta cruza o eixo vertical quando o quociente de reação para o sistema é igual a 1. Este ponto, portanto, descreve as condições de estado padrão e o valor de G neste ponto é igual à energia livre de reação do estado padrão, G o.

O ponto em que a linha reta cruza o eixo horizontal descreve um sistema para o qual G é igual a zero. Como não há força motriz por trás da reação, o sistema deve estar em equilíbrio.

A relação entre a energia livre de reação em qualquer momento no tempo (G) e a energia de reação livre de estado padrão (G o) é descrito pela seguinte equação.

G = G o + RT em Q

Nesta equação, R é a constante de gás ideal em unidades de J / mol-K, T é a temperatura em Kelvin, em representa um logaritmo para a base e, e Q é o quociente de reação naquele momento.

Como vimos, a força motriz por trás de uma reação química é zero (G = 0) quando a reação está em equilíbrio (Q = K).

0 = G o + RT em K

Podemos, portanto, resolver esta equação para a relação entre G o e K.

G o = - RT em K

Essa equação nos permite calcular a constante de equilíbrio para qualquer reação a partir da energia livre de reação do estado padrão, ou vice-versa.

A chave para compreender a relação entre G o e K é reconhecer que a magnitude de G o nos diz a que distância o estado-padrão está do equilíbrio. Quanto menor o valor de G o, quanto mais próximo o estado-padrão está do equilíbrio. Quanto maior o valor de G o, quanto mais longe a reação tem que ir para atingir o equilíbrio. O relacionamento entre G oea constante de equilíbrio para uma reação química é ilustrada pelos dados na tabela abaixo.

Valores de G o e K para reações comuns a 25 o C

Reação Go (kJ) K
2 SO3(g) 2 SO2(g) + O2(g) 141.7 1,4 x 10-25
H2O (eu) H + (aq) + OH - (aq) 79.9 1,0 x 10 -14
AgCl (s) + H2O Ag + (aq) + Cl - (aq) 55.6 1,8 x 10 -10
HOAc (aq) + H2O H + (aq) + OAc - (aq) 27.1 1,8 x 10 -5
N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) -32.9 5,8 x 10 5
HCl (aq) + H2O H + (aq) + Cl - (aq) -34.2 1 x 10 6
Cu 2+ (aq) + 4 NH3(aq) Cu (NH3)4 2+ (aq) -76.0 2,1 x 10 13
Zn (s) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu (s) -211.8 1,4 x 10 37

Use o valor de G o obtido no Problema Prático 7 para calcular a constante de equilíbrio para a seguinte reação a 25C:

A constante de equilíbrio para uma reação pode ser expressa de duas maneiras: Kc e Kp. Podemos escrever expressões de constante de equilíbrio em termos das pressões parciais dos reagentes e produtos, ou em termos de suas concentrações em unidades de moles por litro.

Para reações em fase gasosa, a constante de equilíbrio obtida a partir de G o é baseado nas pressões parciais dos gases (Kp) Para reações em solução, a constante de equilíbrio que vem do cálculo é baseada nas concentrações (Kc).

Use a seguinte energia livre de estado padrão de dados de formação para calcular a constante de equilíbrio de dissociação de ácido (Kuma) para ácido fórmico:

Composto Gf o (kJ / mol)

As constantes de equilíbrio não são estritamente constantes porque mudam com a temperatura. Agora estamos prontos para entender o porquê.

A energia livre de reação do estado padrão é uma medida de quão longe o estado padrão está do equilíbrio.

G o = - RT em K

Mas a magnitude de G o depende da temperatura da reação.

G o = H o - TS o

Como resultado, a constante de equilíbrio deve depender da temperatura da reação.

Um bom exemplo desse fenômeno é a reação em que o NO2 dimeriza para formar N2O4.

Essa reação é favorecida pela entalpia porque forma uma nova ligação, o que torna o sistema mais estável. A reação não é favorecida pela entropia porque leva a uma diminuição da desordem do sistema.

NÃO2 é um gás marrom e N2O4 é incolor. Podemos, portanto, monitorar até que ponto NÃO2 dimeriza para formar N2O4 examinando a intensidade da cor marrom em um tubo selado desse gás. O que deve acontecer com o equilíbrio entre NÃO2 e n2O4 à medida que a temperatura diminui?

Para fins de argumentação, vamos supor que não haja nenhuma mudança significativa em qualquer H o ou S o conforme o sistema é resfriado. A contribuição para a energia livre da reação do termo de entalpia é, portanto, constante, mas a contribuição do termo de entropia torna-se menor à medida que a temperatura diminui.

G o = H o - TS o

À medida que o tubo é resfriado e o termo entropia se torna menos importante, o efeito líquido é uma mudança no equilíbrio para a direita. A figura abaixo mostra o que acontece com a intensidade da cor marrom quando um tubo selado contendo NO2 o gás é imerso em nitrogênio líquido. Há uma diminuição drástica na quantidade de NO2 no tubo conforme é resfriado a -196 o C.

Use valores de H o e S o para a seguinte reação a 25C para estimar a constante de equilíbrio para esta reação na temperatura de água fervente (100C), gelo (0C), um banho de gelo seco-acetona (-78C) e nitrogênio líquido (-196C):

O valor de G pois uma reação a qualquer momento nos diz duas coisas. O sinal de G nos diz em que direção a reação deve mudar para alcançar o equilíbrio. A magnitude de G nos diz a que distância a reação está do equilíbrio naquele momento.

O potencial de uma célula eletroquímica é uma medida de quão longe uma reação de oxidação-redução está do equilíbrio. A equação de Nernst descreve a relação entre o potencial da célula em qualquer momento e o potencial da célula no estado padrão.

Vamos reorganizar essa equação da seguinte maneira.

nFE = nFE o - RT em Q

Podemos agora compará-la com a equação usada para descrever a relação entre a energia livre de reação em qualquer momento no tempo e a energia livre de reação no estado padrão.

G = G o + RT em Q

Essas equações são semelhantes porque a equação de Nernst é um caso especial da relação de energia livre mais geral. Podemos converter uma dessas equações na outra tirando proveito das seguintes relações entre a energia livre de uma reação e o potencial da célula da reação quando ela é executada como uma célula eletroquímica.

Use a relação entre G o e E o para uma reação eletroquímica derivar a relação entre o potencial da célula de estado padrão e a constante de equilíbrio para a reação.


Energia livre

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Energia livre, em termodinâmica, propriedade semelhante à energia ou função de estado de um sistema em equilíbrio termodinâmico. A energia livre tem as dimensões da energia, e seu valor é determinado pelo estado do sistema e não por sua história.A energia livre é usada para determinar como os sistemas mudam e quanto trabalho eles podem produzir. É expressa em duas formas: a energia livre de Helmholtz F, às vezes chamada de função de trabalho, e a energia livre de Gibbs G. Se você é a energia interna de um sistema, PV o produto pressão-volume, e TS o produto temperatura-entropia (T sendo a temperatura acima do zero absoluto), então F = vocêTS e G = você + PVTS. A última equação também pode ser escrita na forma G = HTS, Onde H = você + PV é a entalpia. A energia livre é uma propriedade extensa, o que significa que sua magnitude depende da quantidade de uma substância em um determinado estado termodinâmico.

As mudanças na energia livre, ΔF ou ΔG, são úteis para determinar a direção da mudança espontânea e avaliar o trabalho máximo que pode ser obtido a partir de processos termodinâmicos envolvendo reações químicas ou outros tipos de reações. Em um processo reversível, o trabalho útil máximo que pode ser obtido de um sistema sob temperatura e volume constantes é igual à variação (negativa) na energia livre de Helmholtz, −ΔF = −Δvocê + TΔS, e o trabalho útil máximo sob temperatura e pressão constantes (diferente do trabalho realizado contra a atmosfera) é igual à variação (negativa) na energia livre de Gibbs, −ΔG = −ΔH + TΔS. Em cada caso, o TΔS termo entropia representa o calor absorvido pelo sistema de um reservatório de calor na temperatura T sob condições em que o sistema trabalha ao máximo. Por conservação de energia, o trabalho total realizado também inclui a diminuição da energia interna você ou entalpia H conforme o caso. Por exemplo, a energia para o máximo trabalho elétrico realizado por uma bateria ao descarregar vem tanto da diminuição de sua energia interna devido às reações químicas quanto do calor TΔS absorve para manter constante a sua temperatura, que é o calor máximo ideal que pode ser absorvido. Para qualquer bateria real, o trabalho elétrico realizado seria menor do que o trabalho máximo, e o calor absorvido seria correspondentemente menor do que TΔS.

Mudanças na energia livre podem ser usadas para julgar se mudanças de estado podem ocorrer espontaneamente. Sob temperatura e volume constantes, a transformação acontecerá espontaneamente, seja lenta ou rapidamente, se a energia livre de Helmholtz for menor no estado final do que no estado inicial, ou seja, se a diferença ΔF entre o estado final e o estado inicial é negativo. Sob temperatura e pressão constantes, a transformação de estado ocorrerá espontaneamente se a mudança na energia livre de Gibbs, ΔG, é negativo.

As transições de fase fornecem exemplos instrutivos, como quando o gelo derrete para formar água a 0,01 ° C (T = 273,16 K), com as fases sólida e líquida em equilíbrio. Então ΔH = 79,71 calorias por grama é o calor latente de fusão e, por definição, ΔS = ΔH / T = 0,292 calorias por grama ∙ K é a variação da entropia. Segue-se imediatamente que ΔG = ΔHTΔS é zero, indicando que as duas fases estão em equilíbrio e que nenhum trabalho útil pode ser extraído da transição de fase (exceto trabalho contra a atmosfera devido a mudanças na pressão e no volume). Além disso, ΔG é negativo para T & gt 273,16 K, indicando que a direção da mudança espontânea é de gelo para água, e ΔG é positivo para T & lt 273,16 K, onde ocorre a reação reversa de congelamento.


Refinando o tratamento de proteínas de membrana por modelos de granulação grossa

Correspondência para: Arieh Warshel, Departamento de Química, University of Southern California, SGM 401, 3620 McClintock Avenue, Los Angeles, CA 90089-1062. E-mail: [email protected] Pesquise mais artigos deste autor

Departamento de Química, Universidade do Sul da Califórnia, Los Angeles, Califórnia, 90089-1062

Departamento de Química, Universidade do Sul da Califórnia, Los Angeles, Califórnia, 90089-1062

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Correspondência para: Arieh Warshel, Departamento de Química, University of Southern California, SGM 401, 3620 McClintock Avenue, Los Angeles, CA 90089-1062. E-mail: [email protected] Pesquise mais artigos deste autor

RESUMO

A obtenção de uma descrição quantitativa da estabilidade das proteínas da membrana é crucial para a compreensão de muitos processos biológicos. No entanto, o avanço nessa direção continua sendo um grande desafio tanto para estudos experimentais quanto para modelagem molecular. Uma das direções possíveis é o uso de modelos de granulação grossa, mas tais modelos devem ser cuidadosamente calibrados e validados. Aqui, usamos um progresso recente em estudos de referência sobre a energética do resíduo de aminoácido e inserção de membrana de peptídeo e estabilidade de proteína de membrana no refinamento de nosso modelo de granulação grossa desenvolvido anteriormente (Vicatos et al., Proteins 201482: 1168). Nossos parâmetros de modelo refinados foram ajustados e / ou testados para reproduzir a energia de partição de água / membrana de cadeias laterais de aminoácidos e alguns peptídeos modelo. Este novo modelo fornece um acordo razoável com o experimento para energias livres de dobramento absoluto de várias proteínas de membrana do barril β, bem como efeitos de mutações pontuais em uma estabilidade relativa para uma dessas proteínas, OmpLA. A consideração e classificação de diferentes estados rotaméricos para um resíduo mutado foi considerada essencial para alcançar um acordo satisfatório com os dados de referência. Proteins 2016 84: 92–117. © 2015 Wiley Periodicals, Inc.

Informações adicionais de suporte podem ser encontradas na versão online deste artigo.

Observação: O editor não é responsável pelo conteúdo ou funcionalidade de qualquer informação de suporte fornecida pelos autores. Quaisquer dúvidas (que não sejam de conteúdo ausente) devem ser direcionadas ao autor correspondente do artigo.


Resultados

Partição Comparativa de Membrana de Fármaco Ionizado

Em primeiro lugar, estudamos a partição da membrana de SotC e comparamos com a partição de CisC e MoxZ, cada forma de droga representando o estado de protonação dominante em solução aquosa no pH fisiológico. Nós estudamos sua translocação através de membranas POPC usando simulações US MD, que permitem uma amostragem mais eficiente de distribuições de drogas energeticamente desfavoráveis ​​através de uma membrana lipídica em comparação com simulações convencionais de MD não enviesadas. Os EUA atuam restringindo as posições de drogas em diferentes valores de z através da membrana usando um potencial harmônico. Assim, podemos calcular a energia livre para as posições da droga ao longo da bicamada normal, com z = 0 correspondendo ao centro da membrana.

Quando todas as 3 drogas estão localizadas perto z = 0 (ver Figura 1A), observamos deformações de membrana substanciais, onde são coordenadas por moléculas de água e grupos principais de lipídios de uma (para CisC) ou ambas (para SotC e especialmente para MoxZ) interfaces de membrana. Não surpreendentemente, tais deformações de membrana levam a penalidades energéticas substanciais para os fármacos ionizados se moverem através da membrana com os valores de pico em z = 0: cerca de 18 kcal / mol para MoxZ, 10 kcal / mol para SotC e apenas 5 kcal / mol para CisC. Curiosamente, tais diferenças nos valores de energia livre de pico se correlacionam com momentos de dipolo de droga MM calculados, que são 41,3 Debye para MoxZ, 15,5 Debye para SotC e 6,8 Debye para CisC para a mesma molécula de droga & # x0201Cstandard & # x0201D posições e orientação (conforme definido por Software gaussiano). Para MoxZ, a extensa deformação da membrana exibida por ambos os folhetos é devido às frações de amônio carregadas positivamente e de carboxilato negativamente carregadas nas extremidades opostas da molécula (Figura 1C). Para SotC, um amônio catiônico secundário e grupos polares de sulfonamida também podem atrair moléculas de água ou grupos de lipídeos. Ambos SotC e MoxZ podem esticar ao longo da membrana normal para interagir com ambas as interfaces de bicamada. No entanto, a situação é diferente para CisC, que também tem vários grupos funcionais polares e uma funcionalidade de amônio terciária carregada positivamente no centro da molécula, mas é mais flexível do que essas drogas e parece ser atraída por uma interface de membrana (ver Figura 1 ) Além disso, CisC tem uma depressão de ligação pronunciada de cerca de & # x022123 kcal / mol em 14 & # x02264 |z| & # x02264 17 & # x000C5. Isso sugere que, ao contrário de SotC e MoxZ, ele se acumulará na interface de água & # x02014 da membrana. A presença da calha de ligação também aumentará inadvertidamente uma barreira que um medicamento precisará superar para atravessar uma membrana de & # x0007E5 para 8 kcal / mol (ver Figura 1B). Esses cálculos sugerem custos energéticos bastante altos, mas surpreendentemente diferentes, para atravessar a membrana para essa coleção de moléculas ionizadas.

figura 1. Translocação ionizada do medicamento através de uma membrana POPC. (UMA) Instantâneos representativos de uma central (z = 0) janelas de amostragem guarda-chuva para d-sotalol catiônico (SotC), cisaprida catiônica (CisC) e moxifloxacina zwitteriônica (MoxZ). Moléculas de drogas junto com átomos de lipídio P (laranja), íons K & # 43 (roxo) e Cl & # x02212 (ciano) são mostrados em uma representação de preenchimento de espaço. Outros elementos são coloridos da seguinte forma: C & # x02014gray, H & # x02014white, O & # x02014red, N & # x02014blue, S & # x02014yellow. Moléculas de água são mostradas como tubos e caudas lipídicas como wireframes. (B) Perfis de PMF para cruzamento de membrana POPC para 3 drogas mostradas em (UMA). Barras de erro representam medidas de assimetria. (C) Estruturas químicas dessas drogas desenhadas usando o programa MarvinSketch.

Modelos de d-Sotalol

Realizamos uma análise mais detalhada dos diferentes estados de protonação do d-sotalol, com foco na energética do seu cruzamento de membrana. Como muitos outros medicamentos em solução aquosa, o d-sotalol pode existir em vários estados de protonação, dependendo do pH da solução e de outros fatores, como a proximidade de resíduos específicos de proteínas. Dados da literatura indicam que pKuma-valores para d-sotalol são 8,3 e 9,8 atribuídos à desprotonação de sulfonamida e funcionalidades secundárias de amônio, respectivamente (Foster e Carr, 1992 Hancu et al., 2014). Isso indica que em pH fisiológico 7,4, SotC é a forma predominante (cerca de 89%), enquanto a desprotonação da funcionalidade sulfonamida leva a uma segunda forma SotZ dominante (cerca de 11%). Em um pH mais básico, a funcionalidade secundária de amônio também se desprotona, levando a uma forma aniônica de carga negativa SotA (Figura 2).

Figura 2. Estados de protonação do d-sotalol. As estruturas químicas foram desenhadas usando o programa ChemDraw. Asterisco (*) indica átomo C quiral.

No entanto, existe ainda outra possibilidade, em que a desprotonação do grupo amônio secundário ocorre primeiro, levando a uma forma neutra de d-sotalol (SotN). Na verdade, é provável que haja um equilíbrio, e possivelmente uma interconversão, entre as formas SotN e SotZ, nas quais qualquer uma é favorecida, dependendo da polaridade do meio circundante. Esperamos que uma forma SotN substancialmente menos polar seja favorecida no ambiente hidrofóbico do interior da membrana lipídica com base em nossas simulações MoxZ discutidas acima, enquanto um SotZ mais polar pode ser favorecido em solução aquosa. Infelizmente, não há dados experimentais para resolver esse problema para d-sotalol. Realizamos uma série de cálculos de QM de solvente implícito, que parecem indicar uma ligeira preferência por SotN mesmo em água a granel (consulte o texto suplementar para obter mais informações), mas sua precisão é muito incerta. No entanto, um estudo experimental recente usando uma combinação de titulação potenciométrica e medições espectrofotométricas sugeriu que cerca de 90% da forma zwitteriônica e 10% da forma neutra da moxifloxacina está presente na faixa de pH fisiológica, e que apenas uma forma neutra contribui para a partição do medicamento em um não -ambiente polar de membranas lipídicas ou 1-octanol frequentemente usado como mimético de membrana (Langlois et al., 2005). Isso sugere que uma forma neutra de uma droga é provavelmente aquela que sofre uma translocação de membrana não assistida.

Uma vez que estamos particularmente interessados ​​no acesso lipofílico de drogas cardiotóxicas conhecidas por bloquear o hERG, desenvolvemos modelos compatíveis com CHARMM (Klauda et al., 2010) de d-sotalol nas formas carregada (SotC) e neutra (SotN). Os momentos de dipolo QM e MM para essas formas de d-sotalol e interações de drogas & # x02014 água sondadas para as otimizações do modelo são mostrados nas Figuras 3A, B para SotN e SotC, respectivamente. Cargas CHARMM otimizadas (Tabela S3) fornecem boa concordância com os valores de dipolo alvo QM. Os momentos de dipolo MM otimizados apontam na mesma direção (& # x0003C1 & # x000B0 diferença no ângulo entre QM e MM para SotC e SotN) e estão cada um dentro de 20% de diferença em magnitude (SotN 6% e SotC 14%). As distâncias de interação com a água estavam todas dentro de 0,4 & # x000C5 dos valores alvo de QM (ver Tabelas S4, S5). O momento de dipolo é significativamente maior para SotC (17,64 Debye), do que para SotN (5,98 Debye), como é esperado para espécies carregadas vs. neutras e de acordo com os valores QM. As energias de interação com a água também estavam de acordo com os valores de QM com root mean square (RMS) e erros máximos de 0,8 e 1,5 kcal / mol para SotN (Tabela S5), bem como 1,6 e 3,0 kcal / mol (ver Tabela S4) para SotC, respectivamente. Nenhum parâmetro interno (ligação, ângulo, ângulo diédrico) precisava ser otimizado para SotC, enquanto para SotN havia uma alta pontuação de penalidade para o ângulo de ligação C2-N1-C3 (mostrado pela seta azul na Figura 3C), e a otimização produziu um diferença de 0,86 & # x000B0 (ou seja, & # x0003C1 & # x000B0 conforme necessário) entre os valores MM e QM. Também para SotN, 7 otimizações de parâmetro de ângulo diédrico produziram uma melhora marcante sobre as suposições iniciais de CGENFF (ilustradas na Figura 3C para ângulo diédrico SotN C8-C3-N1-C2 destacado em rosa, com todos os perfis de varredura diédricos mostrados na Figura S2), com mínimos de energia de torção dentro de & # x0007E0,5 kcal / mol dos valores de QM. Para comparação, os parâmetros diédricos CGENFF brutos com altas penalidades produziram diferenças mínimas de energia QM, às vezes tão altas & # x0007E2 kcal / mol. Esses parâmetros otimizados representam uma melhoria significativa em relação aos palpites iniciais e devem produzir energéticos computados mais precisos a partir de simulações de MD.

Figura 3. Otimização do parâmetro de campo de força CHARMM de d-sotalol. Os momentos de dipolo QM (seta azul) e MM (seta vermelha) para neutro, SotN (UMA), e cobrado, SotC (B), as formas de d-sotalol são comparadas e suas interações de água otimizadas QM são mostradas por linhas azuis tracejadas. Uma amostra de otimização do ângulo diédrico C8-C3-N1-C2 (as ligações são destacadas em roxo na molécula SotN) é mostrada em (C), com varredura de energia QM computada de referência em azul, varredura de energia CGENFF não otimizada em verde e varredura de energia MM otimizada em vermelho, demonstrando uma melhora acentuada. Asterisco (*) indica átomo C quiral (C1).

Neste momento, não fomos capazes de desenvolver modelos empíricos das formas SotZ e SotA da droga (Figura 2), uma vez que um tipo de átomo de nitrogênio de sulfonamida carregado negativamente não existe nos campos de força biomoleculares CHARMM ou generalizados (CGENFF). A fração dessas formas em solução aquosa ou outro meio é incerta, mas com base em uma barreira de energia livre muito alta para translocação de moxifloxacina zwitteriônica (Figura 1 e discussão acima), bem como os momentos de dipolo muito grandes para SotZ e SotA (ver Tabela S1 e Texto suplementar), não esperamos que contribuam substancialmente para a difusão passiva de d-sotalol através de uma membrana lipídica ou para o acesso lipofílico dessa droga ao hERG ou a outros alvos proteicos.

Devemos também mencionar que o sotalol tem um centro quiral no átomo de C1 (mostrado por um asterisco nas Figuras 2, 3C), e neste estudo focamos apenas no enantiômero S, d-sotalol. No entanto, os parâmetros de campo de força desenvolvidos também podem ser usados ​​para o enantiômero R, l-sotalol, que também será considerado em nossos estudos subsequentes.

Solvação e orientação de d-Sotalol através da membrana

Usamos nossos modelos SotC e SotN para investigar suas interações com uma membrana lipídica à medida que se movem usando simulações US MD. Para essas simulações, aplicamos amostragem extensa, especialmente importante para impedir a reorientação do medicamento no interior da membrana (consulte o texto complementar para obter mais informações). Também realizamos essas simulações com dois pacotes de modelagem biomolecular populares, NAMD e CHARMM, com o primeiro sendo mais eficiente computacionalmente em nosso cluster de GPU (Unidade de Processamento de Gráficos). No entanto, CHARMM permite o uso de P21 simetria para levar em conta as prováveis ​​mudanças nas áreas dos folhetos da bicamada superior e inferior à medida que a droga se move através da membrana, embaralhando as moléculas de lipídios entre elas conforme isso acontece. Estabelecemos que as propriedades da membrana lipídica de nossos sistemas simulados estão de acordo com os dados experimentais neste caso (ver texto suplementar).

Em seguida, começamos a investigar as interações da membrana & # x02014 droga, primeiro, olhando para os instantâneos do sistema equilibrado no centro da membrana (z = 0 & # x000C5) e região interfacial água / membrana |z| = 14 & # x000C5, correspondendo ao mínimo de energia livre para SotN (consulte a Figura 4). Pode ser visto claramente que ambas as moléculas de fármaco carregadas e neutras podem se adaptar a orientações diferentes em relação à membrana normal e podem ser solvatadas por moléculas de água e grupos de cabeça de lipídio, mesmo no interior da membrana para SotC de acordo com nosso multifármaco CHARMM simulações mostradas na Figura 1 e discutidas acima. Curiosamente, que em instantâneos de simulação NAMD mostrados na Figura 4, observamos que SotC enquanto segurado em torno do centro da membrana (z = 0) pode adotar diferentes orientações de longa duração (ver abaixo) & # x0201Cgrabbing & # x0201D moléculas de água e grupos de cabeça de lipídeo da interface da membrana superior ou inferior, mas não os observou fazendo conexões interfaciais com ambos os folhetos, como foi observado em nosso Simulações CHARMM (Figura 1).

Figura 4. Instantâneos representativos de d-sotalol carregado (SotC) e neutro (SotN) movendo-se através de uma membrana POPC a partir de simulações de DM de amostragem guarda-chuva. Centro de massa de referência d-sotalol (COM) z as posições em relação à membrana COM são mostradas na parte superior. Consulte a legenda da Figura 1 para obter informações sobre representação molecular e coloração. Duas estruturas para z = 0 para cada medicamento representam instantâneos finais do sistema de duas simulações independentes com uma orientação inicial de medicamento diferente (consulte o texto suplementar para obter mais informações).

Em seguida, realizamos uma análise quantitativa da solvatação do fármaco mostrada na Figura 5. Enquanto SotC e SotN são encontrados em regiões de água bruta, para |z| & # x0003E 25 & # x000C5 (& # x0007E5 & # x000C5 além dos grupos fosfato), eles são solvatados por & # x0007E5.5 e 5 moléculas de água, respectivamente. Definimos a região interfacial como 15 & # x0003C |z| & # x0003C 25 & # x000C5, onde o limite 15 & # x000C5 foi estabelecido com base em uma espessura hidrofóbica de POPC determinada experimentalmente de 28,8 & # x000B1 0,6 & # x000C5 (Kucerka et al., 2011). A coordenação da água permanece a mesma do bulk, até que o fármaco atinja o interior da membrana, onde observamos uma queda maior no número de moléculas de água dissolvendo o SotN. No centro da bicamada, em z = 0 & # x000C5, quase nenhuma molécula de água é encontrada coordenando a droga neutra, enquanto pelo menos 1,2 moléculas de água continuam a coordenar as espécies carregadas. Além disso, quando SotC é encontrado na interface ou no núcleo hidrofóbico da membrana, ele é coordenado por grupos de fosfato lipídico e carbonila, enquanto SotN permanece virtualmente não coordenado por esses grupos funcionais no núcleo da membrana e tem uma coordenação semelhante por carbonila O e menores por átomos de fosfato O na região interfacial (Figura 5).

Figura 5. Análise de solvatação de d-sotalol a partir de simulações de DM de amostragem guarda-chuva. Os números de solvatação de átomos de oxigênio de água ou lipídio dentro da distância de corte de 4,25 & # x000C5 de átomos não-hidrogênio de SotC ou SotN foram calculados com base em perfis de função de distribuição radial integrada (RDF). Consulte a Figura S6 para alguns perfis RDF representativos. As barras de erro mostradas em todos os gráficos são calculadas a partir das assimetrias de perfil.

Tal solvatação resulta na orientação preferencial de SotC e SotN em relação à bicamada normal (coincidindo com o z eixo) como mostrado na Figura 6. Não há orientação preferencial de ambas as drogas na água a granel como esperado, o que é exemplificado pela média & # x003B8 sendo em torno de 90 & # x000B0 e o parâmetro de ordem sendo 0 (ver Figura 6 e painéis superiores direitos nas Figuras S7, S8 para séries temporais). Há uma forte preferência para que o vetor N1 & # x02026 S de ambas as drogas seja alinhado com o eixo z na região interfacial externa, ou seja, a 20 & # x0003C |z| & # x0003C 25 & # x000C5, embora haja alguma tendência para as drogas ficarem perpendiculares à membrana normal, ou seja, no plano da membrana (com o parâmetro de ordem S & # x0003C 0) nas regiões da interface interna e do núcleo externo em 10 & # x0003C |z| & # x0003C 20 & # x000C5 (consulte as Figuras S7, S8 para séries temporais). Na região central interna (| z | & # x0003C 10 & # x000C5) as drogas tornam-se novamente alinhadas ou anti-alinhadas com o z-eixo. Curiosamente, a orientação de SotN e SotC nas regiões interfaciais internas e centrais parecem ser opostas & # x02014 com SotC favorecendo a orientação paralela e SotN & # x02014antiparalela com a membrana normal para as posições de drogas com o negativo z-valores (Figura 6). Isso resulta de diferentes afinidades relativas de grupos funcionais SotC e SotN: o grupo amônio catiônico em SotC atrai fortemente as moléculas de água e grupos de cabeça de lipídeo, enquanto sua desprotonação torna sua funcionalidade sulfonamida um atrator melhor levando a reorientação deste grupo funcional para estar mais perto de a interface da membrana. Essas interações levam a uma rotação prejudicada (ver Figuras S7, S8) na escala de tempo das simulações de DM que realizamos aqui (10 & # x0201315 ns para cada droga z) levando a dificuldades de amostragem da termodinâmica de drogas e # x02014 interações de membrana discutidas abaixo (consulte o texto suplementar para obter mais detalhes).

Figura 6. Análise de d-sotalol caindo durante simulações de DM de amostragem guarda-chuva. (UMA) Distribuição do ângulo polar médio & # x003B8 para o vetor N1 & # x02026 S d-sotalol em relação ao z eixo para drogas carregadas (SotC, azul) e neutras (SotN, vermelho) movendo-se através da membrana POPC. (B) Perfis de parâmetros de pedido correspondentes para este vetor em relação ao z eixo. As barras de erro mostradas em todos os gráficos são calculadas a partir das assimetrias de perfil. Consulte as Figuras S7, S8 para algumas séries temporais representativas & # x003B8 (N1 & # x02026 S).

D-Sotalol Energética e Protonação através da Membrana

Calculamos perfis de energia livre para SotC e SotN movendo-se através de membranas POPC com base na análise das flutuações de posição da droga em torno de z posições em simulações US MD conforme descrito acima. Esses perfis são mostrados na Figura 7A para as simulações NAMD e CHARMM. Para SotN, as diferenças entre as energias livres NAMD e CHARMM estão dentro das incertezas (mostradas como barras de erro na Figura 7A), obtidas como medidas de assimetrias de perfil (ver Figura S9 e texto suplementar). No entanto, para SotC a barreira de energia livre é & # x0007E3 kcal / mol menor para CHARMM (11,2 & # x000B1 1,1 kcal / mol) em comparação com NAMD (14,4 & # x000B1 0,1 kcal / mol). Essa redução de energia livre junto com um perfil de energia livre plana para |z| & # x0003C 3 & # x000C5 pode ser devido a P21 transformações de grupo de pontos usadas em simulações CHARMM. Isso também está de acordo com as conexões interfaciais para ambas as interfaces de bicamada vistas nessas simulações (consulte a Figura 1 e a discussão acima). No entanto, assimetrias relativamente grandes de até & # x0007E2 kcal / mol (Figura S9) nos impedem de uma atribuição inequívoca dessa diferença.

Figura 7. Análise da termodinâmica de d-sotalol a partir de simulações de DM de amostragem guarda-chuva. (UMA) Perfis de energia livre ou potencial de força média (PMF) para d-sotalol carregado (SotC, azul e ciano) e neutro (SotN, vermelho e laranja) movendo-se através de uma membrana POPC. Em simulações CHARMM (ciano para SotC e laranja para SotN) P21 simetria foi usada. Veja o texto para mais detalhes. (B) d-sotalol pKuma turnos calculados a partir de PMFs em (UMA).

Se compararmos os perfis de energia livre SotC e SotN mostrados na Figura 7A, veremos diferenças como pico central substancialmente mais alto para SotC, por exemplo, 14,4 vs. 5,4 kcal / mol para SotN de simulações de NAMD, bem como a presença de uma interface profunda mínimo de & # x022122,8 kcal / mol para SotN em |z| = 14 & # x000C5, semelhante ao observado para cisaprida catiônica (Figura 1 e discussão acima). Esse mínimo indica uma acumulação substancial de fármaco neutro na interface água-membrana. Curiosamente, não existe praticamente tal mínimo para SotC, embora, um vale raso & # x0007E-1 kcal / mol possa ser visto em um perfil de PMF não simetrizado na Figura S9. A diferença substancial nas alturas dos picos para SotC e SotN não é inesperada, no entanto, e também foi observada para cadeias laterais de aminoácidos básicos em nossas simulações anteriores (Li et al., 2008, 2013). Isso pode ser explicado por diferentes mecanismos moleculares que regem a permeação de SotC e SotN: deformações de membrana substanciais para o primeiro e desidratação de droga quase completa para o último (Vorobyov et al., 2010, 2014 Li et al., 2012, 2013). Com base na diferença de energia livre entre as formas de drogas carregadas e neutras, também podemos aproximar pKuma deslocamento e, portanto, forma de protonação preferida de uma droga através da membrana:

Onde kB é Boltzmann constante, T& # x02014 temperatura absoluta e & # x00394C (z) são energias livres específicas de posição para d-sotalol neutro e carregado. & # X00394p correspondenteKuma perfis são mostrados na Figura 7B e indicam uma descida rápida & # x00394pKuma muda logo depois que a droga entra em contato com a membrana. Perto do centro da membrana & # x00394pKuma atinge cerca de & # x022126.5 para NAMD e & # x022124.5 para cálculos baseados em CHARMM, com a última estimativa sendo menor devido a uma barreira de energia livre SotC menor & # x0007E3 kcal / mol discutida acima. Qualitativamente, ambos os resultados são semelhantes e indicam rápida desprotonação do medicamento logo após o início do movimento de um medicamento através da membrana. Na verdade, considerando seu primeiro pKuma de 8,3, mesmo chegar tão perto quanto 20 & # x000C5 do centro da membrana já levará à desprotonação do medicamento. No entanto, deve-se notar que não consideramos um possível papel de uma forma de d-sotalol zwitteriônica, SotZ, neste equilíbrio.

Partição e permeações de membrana de água d-Sotalol: conexão com experimentos

Em seguida, precisamos tentar conectar nossas descobertas a observáveis ​​experimentais, como água e # x02014 coeficiente de partição de membrana K e taxa de permeabilidade P. Todos os dados relevantes estão resumidos na Tabela 1. Há uma estimativa experimental para água & # x02014dimiristoilfosfatidilcolina (DMPC) membrana K& # x02032 (wat & # x02192 mem) de 2,50 obtido a 303 K (Redman-Furey e Antinore, 1991). Este é um valor aparente, que leva em consideração uma fração dependente do pH de espécies de drogas ativas por membrana nessas condições. No entanto, como sabemos que apenas SotN deve se acumular na membrana, podemos calcular uma intrínseca K-valor em pH experimental = 7,2 usando fármaco p aquosoKuma = 8,37 e equação de Henderson-Hasselbach para obter K(wat & # x02192 mem) = 2,50 * 10 (8,37 & # x022127,20) = 37,0. E a energia livre de particionamento correspondente é & # x00394G(wat & # x02192 mem) = & # x02212RT em K(wat & # x02192 mem) = & # x022122,17 kcal / mol. Essas estimativas, novamente, não levam em consideração a presença da forma SotZ no equilíbrio de protonação da droga, que provavelmente aumentará ainda mais K-valor e diminuição correspondente & # x00394G. No entanto, podemos comparar as estimativas experimentais com os valores que calculamos a partir dos perfis de energia livre da NAMD US usando as Equações (3) e (4). Estimado K(wat & # x02192 mem) e & # x00394G(wat & # x02192 mem) valores para SotN de 13,4 & # x000B1 8,6 e & # x022121.6 & # x000B1 0,4 kcal / mol (consulte também a Tabela 1), respectivamente, estão em boa concordância com o experimento considerando também um lipídio diferente ( POPC vs. DMPC) e temperatura (310 vs. 303 K) usados ​​em simulações e experimentos. As estimativas das simulações CHARMM (Tabela S6) são semelhantes, dentro de um erro de valores NAMD. Como esperado, SotC não se acumula na membrana, com K(wat & # x02192 mem) e & # x00394G(wat & # x02192 mem) de 0,69 & # x000B1 0,36 e 0,23 & # x000B1 0,0,28 kcal / mol, respectivamente (Tabela 1).

tabela 1. Dados de partição e permeabilidade de membrana de água de simulações de MD de amostragem guarda-chuva para translocação carregada (SotC) e neutra (SotN) de d-sotalol através de uma membrana POPC usando NAMD.

As simulações de MD de partição de membrana de água são um bom teste da precisão do modelo de droga e podem prever a quantidade de droga que se acumula na membrana em comparação com a água bruta. No entanto, ele não considera a cinética do movimento do fármaco através de uma membrana, que também é essencial para prever sua farmacologia e toxicologia. Taxas de permeabilidade, P, fornecem estimativas correspondentes e são medidas experimentalmente usando diferentes linhas de células, como caco-2 ou sistemas de membrana artificial, como PAMPA (Parallel Artificial Membrane Permeability Assay) (Bermejo et al., 2004). Estimativas experimentais para d-sotalol P estão disponíveis em um estudo recente (Liu et al., 2012) com um PAMPA P-valor de 3,2 & # x000D7 10 & # x022127 cm / s. Uma comparação direta entre experimental e computado P valores são conhecidos por serem desafiadores, com muitos fatores complicadores impedindo a avaliação quantitativa direta de valores absolutos (Carpenter et al., 2014 Di Meo et al., 2016 Bennion et al., 2017). No entanto, calculamos P estimativas para SotC e SotN usando a Equação (8), como foi feito em nosso estudo anterior (Vorobyov et al., 2014) com base em energia livre e perfis de coeficiente de difusão. Os últimos, mostrados na Figura 8, foram obtidos com base nos tempos de correlação e flutuações médias de COM da droga em z direção usando a Equação (5), como também foi feito anteriormente (Vorobyov et al., 2014). Os perfis de coeficientes de difusão calculados indicam uma queda rápida de 10 vezes dos coeficientes de difusão para SotC e SotN conforme as moléculas de drogas começam a interagir com as membranas lipídicas, semelhante a muitas observações anteriores (Carpenter et al., 2014 Vorobyov et al., 2014). Curiosamente, os coeficientes de difusão para SotC e SotN são semelhantes, tanto na água quanto no interior da membrana (Figura 8 e Tabela 1), apesar da diferença na carga líquida e das interações de droga & # x02014membrana muito diferentes. Computado P-valores, apresentados na Tabela 1 como log P de & # x022128.57 para SotC e & # x022124.43 para SotN abrangem uma estimativa experimental de & # x022126.50. Com base apenas nesses valores, não podemos comentar sobre a precisão de nossa previsão, e a comparação com os valores de outras moléculas de drogas (desejavelmente, com funcionalidades semelhantes), como foi feito em um estudo recente (Bennion et al., 2017) seria o melhor. O que nossos valores calculados indicam, porém, que uma droga neutra é cerca de 4 ordens de magnitude mais permeável em comparação com uma catiônica, e que ambos os valores estão dentro de algumas ordens de magnitude de uma permeabilidade observada experimentalmente.

Figura 8. Análise da difusão de d-sotalol a partir de simulações de DM de amostragem guarda-chuva. Perfis de coeficiente de difusão são calculados conforme descrito no texto. As barras de erro mostradas são calculadas a partir de assimetrias de perfil.

D-Sotalol & # x02014 Interações de membrana: Efeito de lipídios aniônicos

Até agora, consideramos apenas a partição de d-sotalol através de uma membrana POPC usando simulações US MD para uma única molécula de droga. No entanto, também testamos se a composição da membrana lipídica afeta as interações medicamentosas e # x02014lipídicas. Na verdade, a membrana lipídica dos cardiomiócitos é conhecida por hospedar vários tipos de lipídios: além da fosfatidilcolina zwitteriônica dominante e da fosfatidiletanolamina, ela também tem uma fração substancial de lipídios aniônicos & # x02014fosfatidilserina, fosfatidilinositol e ácido fosfatídico humano [6 & # x 013% et al 02013 ., 1995) ou 17 & # x0201318% em células cardíacas felinas (Leskova e Kryzhanovsky, 2011) com base no conteúdo total de fosfolipídios]. Espera-se que os lipídios aniônicos aumentem a afinidade de ligação à membrana para formas de drogas catiônicas e outros cátions, como foi evidenciado por nosso estudo anterior, onde vimos um aumento na ligação interfacial para um análogo de cadeia lateral de arginina carregado positivamente, metil guanidínio, na presença de um aniônico fosfatidilglicerol lipídico (Vorobyov e Allen, 2011). O possível efeito dos lipídios aniônicos na ligação neutra do medicamento é menos claro e também vale a pena ser testado. Portanto, realizamos simulações de SotC e SotN em membranas lipídicas contendo 15% de POPS e 85% de POPC, respectivamente, e comparamos os resultados às simulações de drogas correspondentes com membranas de POPC puras.

Usamos simulações imparciais de 500 ou 1000 ns de MD com múltiplas (15 & # x0201316) moléculas de fármaco inicialmente colocadas em solução aquosa a granel, correspondendo a & # x0007E40 mM de concentração de fármaco. A maioria das moléculas SotN se liga à membrana lipídica em 200 ns para a simulação com POPC puro e cerca de 400 ns com uma mistura de POPC / POPS (ver Figura S11). A concentração aquosa de equilíbrio de SotN cai para & # x0007E8 mM para POPC / POPS e & # x0007E5 mM para um sistema somente POPC. Para sistemas contendo SotC, a maioria das moléculas de fármaco permanecem em solução aquosa ao longo das simulações com apenas & # x0007E4 (de 15) interagindo com a membrana, independentemente da composição lipídica (Figura S11). Os sistemas equilibrados são mostrados na Figura 9C, demonstrando ligação substancial à membrana de SotN, mas não de SotC. As distribuições de probabilidade de drogas dessas simulações, calculadas com base em dados de simulação após o equilíbrio (que foi alcançado em 200 ou 400 ns), são mostradas na Figura 9A. Esses dados confirmam a imagem que demonstra ligação interfacial substancial para SotN com máximos de probabilidade bem definidos em torno de |z| = 15 & # x000C5 para sistemas POPC e POPC / POPS. Nenhuma ligação interfacial foi detectada para sistemas contendo SotC (Figura 9A). No sistema sotalol catiônico com POPS presente, há um acúmulo ligeiramente aumentado da densidade do fármaco em |z| faixa de 15 & # x0201330 & # x000C5 em comparação com um sistema apenas com POPC. Isso pode ser devido à atração esperada entre grupos de cabeça de lipídio aniônico de POPS e frações SotC carregadas positivamente. No entanto, o efeito é pequeno e, portanto, é improvável que seja fisiologicamente significativo neste caso.

Figura 9. Análise da partição de d-sotalol na presença de lipídios aniônicos de simulações de DM imparciais. (UMA) Densidade de probabilidade e (B) perfis de energia livre ou potencial de força média (PMF) para d-sotalol carregado (SotC) e neutro (SotN) movendo-se através de uma bicamada 100% de lipídio POPC (ciano e amarelo para SotC e SotN, respectivamente) ou uma bicamada composta por um 85 % POPC e mistura de lipídios 15% POPS (verde e magenta para SotC e SotN, respectivamente). (C) Instantâneos moleculares de sistemas equilibrados SotN & # 43POPC, SotC & # 43POPC, SotC & # 43POPC / POPS após 500 ns e sistema SotN & # 43POPC / POPS após 1000 ns de simulações imparciais de MD no supercomputador Anton 2. Os átomos de P dos lipídios POPC e POPS são mostrados como bolas laranja e verdes, respectivamente. Consulte a legenda da Figura 1 para outras representações moleculares e informações de coloração.

As distribuições de probabilidade mostradas na Figura 9A podem ser convertidas em perfis de energia livre como & # x00394G(z) = & # x02013kBT ln & # x003C1 (z), onde & # x003C1 é a densidade de probabilidade, kB é Boltzmann constante, e T é a temperatura absoluta (veja também a Equação 4 análoga acima). Esses perfis são mostrados na Figura 9B e estão em geral de acordo com aqueles das simulações US MD mostradas na Figura 7A anteriormente. Como esperado, não observamos SotC localizado próximo ao centro da membrana durante 500 ns de simulações de MD imparciais e, portanto, perfis de energia livre não são definidos nesta região. No entanto, observamos que a inclinação do perfil é mais acentuada na presença de POPS, sugerindo uma maior barreira de translocação e, portanto, translocação mais lenta neste caso. As moléculas SotN foram distribuídas por toda a membrana e, portanto, pudemos calcular perfis de energia livre completos, incluindo picos centrais. Curiosamente, existem vales de ligação interfacial mais rasos (por 0,5 & # x020130,6 kcal / mol em |z| = 14 & # x0201315 & # x000C5), pico central mais alto (por & # x0007E1.1 kcal / mol) e, portanto, barreiras de translocação maiores na presença de POPS, indicando ligação de membrana menos favorável e taxas de translocação mais lentas para SotN.Após a comparação dos perfis de energia livre SotN de simulações US e não tendenciosas de MD, mostrado na Figura 7A, 9B, respectivamente, observamos um pico de energia livre central substancialmente menor (por 3,7 kcal / mol) e ligação interfacial mais rasa (por 0,6 kcal / mol) em simulações imparciais. Existem vários fatores que podem contribuir para essas diferenças, incluindo moléculas de drogas múltiplas, remendo de membrana maior e presença de campo elétrico aplicado em simulações de MD não enviesadas, todos os quais podem possivelmente levar a barreiras de permeação menores. Uma elucidação detalhada desses e de outros fatores está além do escopo deste estudo e será investigada em nossos trabalhos subsequentes.


Caracterização de Interações Lípido-Proteína e Modulação Mediada por Lípido da Função de Proteína de Membrana através de Simulação Molecular

A membrana celular constitui um dos compartimentos mais fundamentais de uma célula viva, onde processos-chave, como transporte seletivo de material e troca de informações entre a célula e seu ambiente, são mediados por proteínas intimamente associadas à membrana. A heterogeneidade da composição lipídica das membranas biológicas e o efeito das moléculas lipídicas na estrutura, dinâmica e função das proteínas da membrana são agora amplamente reconhecidas. A caracterização dessas interações lipídio-proteína funcionalmente importantes com técnicas experimentais é, no entanto, ainda proibitivamente desafiadora. Simulações de dinâmica molecular (MD) oferecem uma abordagem complementar poderosa com resoluções temporais e espaciais suficientes para obter informações estruturais de nível atômico e energética sobre as interações lipídio-proteína. Nesta revisão, pretendemos fornecer uma ampla pesquisa de simulações de DM com foco na exploração de interações lipídio-proteína e na caracterização da estrutura e dinâmica de proteínas moduladas por lipídios que tiveram sucesso em fornecer novos insights sobre o mecanismo de função das proteínas de membrana.

Bonecos

As proteínas se envolvem com os lipídios em ...

As proteínas se envolvem com os lipídios de diversos modos, muitos dos quais têm significado funcional. ...

Técnicas experimentais que geram informações ...

Técnicas experimentais que fornecem informações sobre as interações proteína-lipídio. (A) Cristalografia de elétrons mostrando mediada por lipídios ...

Estruturas representativas de proteínas de membrana ...

Estruturas representativas de proteínas de membrana (azul) resolvidas experimentalmente com vários tipos de lipídios ...

Exemplos de resoluções / representações comuns usadas ...

Exemplos de resoluções / representações comuns usadas na investigação de interações lipídio-proteína. O Superior…

Escopo dos métodos para descrever ...

Âmbito dos métodos de descrição da dinâmica dos processos químicos e biológicos. Eficaz…

Simulações iniciais de bicamadas lipídicas.…

Simulações iniciais de bicamadas lipídicas. (A) Instantâneo de um átomo unido (UA), modelo não resolvido ...

Ilustração de uma melhoria importante ...

Ilustração de uma melhoria fundamental nas simulações de bicamadas lipídicas resultantes de mudanças ...

(A) Representações CG de ...

(A) Representações CG de lipídios comuns em MARTINI, sobrepostas no AA correspondente ...

Ligação espontânea e inserção de ...

Ligação espontânea e inserção do domínio do fator VII GLA nas membranas aniônicas ...

Métodos para montar proteínas em ...

Métodos de montagem de proteínas em membranas. Proteínas, grupos de cabeça lipídica e caudas lipídicas ...

Canais de membrana representativos cobertos por ...

Canais de membrana representativos cobertos na Seção 3.1. Os canais mostrados da esquerda para ...

Conformações representativas ( α ,…

Conformações representativas ( α , β , γ , δ , e ε ...

PIP 2 moléculas acessam diferentes ...

PIP 2 moléculas acessam diferentes regiões do canal KCNQ2 dependendo da proteína ...

Partição de membrana e o facilitado ...

Partição da membrana e ligação facilitada de anestésicos aos locais de modulação de ...

Paisagem de energia livre de PIP ...

Paisagem de energia livre de PIP 2 Interação -Kir2.2. (A) Amostragem guarda-chuva de troca de réplica ...

Troca lipídica entre a membrana exposta ...

Troca lipídica entre os bolsos expostos à membrana de MscS e a bicamada após o bloqueio. ...

TREK-2 conformacional induzido por estiramento bicamada ...

O estiramento da bicamada induziu a mudança conformacional de TREK-2 entre os dois estados principais. (A) A ...

Envolvimento direto de fosfolipídios em ...

Envolvimento direto de fosfolipídios na translocação de íons através da membrana, mediada por íntima ...

Transportadores de membrana representativos cobertos por ...

Transportadores de membrana representativos abordados na Seção 3.2. Os transportadores mostrados da esquerda para ...

Entrada de lipídios no lúmen ...

Entrada de lipídios no lúmen de Pgp em seus estados voltado para dentro e voltado para fora. ...

O papel dos lipídios nas reações de transferência de H + do H ...

Receptores representativos de membrana integral cobertos ...

Receptores representativos de membrana integral cobertos na Seção 3.3. Os receptores mostrados à esquerda ...

Dinâmica estrutural modulada por lipídios da membrana ...

Dinâmica estrutural modulada por lipídios dos receptores de membrana. (A) Distribuição de probabilidade normalizada de colesterol em torno de ...

Mecanismo proposto de integrina de dentro para fora ...

Mecanismo proposto de ativação de integrina de dentro para fora pelo talin. A figura ilustra a proposta…

Ligação da quinase EGFR a ...

Ligação da quinase EGFR à membrana aniônica. (A) Superfície de potencial eletrostático de ...

Proteínas periféricas representativas discutidas em ...

Proteínas periféricas representativas discutidas na Seção 4. As proteínas Ras são reguladores-chave em ...

Resultados da formação espontânea de bicamada ...

Resultados da formação espontânea de bicamada e associação proteína-membrana a partir de simulações de CG de nove ...

Ligação à membrana espontânea de CYP3A4.…

Ligação à membrana espontânea de CYP3A4. (Topo) Instantâneos tirados em diferentes momentos em ...

Conformação ligada à membrana de fosfolipases, ...

Conformação ligada à membrana de fosfolipases e as reações críticas que elas catalisam. Ligação de membrana ...

Modos de ligação de (A) PIB-bound ...

Modos de ligação de (A) domínio G ligado a GDP e (B) domínio G de H-Ras ligado a GTP observado por ...

Simulações de MD revelando curvaturas de membrana ...

Simulações de MD revelando curvaturas de membrana induzidas pelo domínio N-BAR. (A) Instantâneos de ...

Brotamento da membrana causado por α…

Brotamento da membrana causado por α sinucleína. (A) Vista de cima para baixo do raio começando ...

Exemplo de uma tensão refinada ...

Exemplo de uma estrutura complexa de sensor de tensão refinado (VS) / VsTX1, mostrando um t = ...

Modelo de ligação mediada por membrana de ...

Modelo de ligação mediada por membrana de ProTx-II aos canais de Na +. (A) Superfície ProTx-II ...

Conformações representativas de A β ...

Conformações representativas de A β interações tetrâmero e tetrâmero-membrana. As imagens representam o ...

(A) Distribuição das distâncias lipídio-proteína ...

(A) Distribuição das distâncias lipídio-proteína entre lipídios com ácido graxo poliinsaturado (PUFA) e ...

Marburg VP40 passando por substancial conformação ...

Marburg VP40 passando por rearranjos conformacionais substanciais ao se ligar à membrana. (A-C) Instantâneos ...

Instantâneos de um 4 μ…

Instantâneos de um 4 µ Simulação CG da montagem de um ...

Lípidos especiais que modulam a estrutura da proteína ...

Lípidos especiais que modulam a estrutura e função das proteínas. Esfingomielina, fosfatidilinositol 4,5-bifosfato (PIP2), fosfatidilglicerol (PG), ...

Modulação do colesterol de humanos β ...

Modulação do colesterol de humanos β 2AR caracterizado por simulações de MD. (A) Ligação de colesterol ...

Perfis de densidade do grupo de cabeça de lipídios em torno de ...

Perfis de densidade do grupo principal de lipídios em torno da proteína para (A) todos os fosfolipídios, (B) PE, ...

Sítios de ligação de PS putativos para ...

Sítios de ligação de PS putativos para o domínio do fator de coagulação X GLA (FX-GLA). Ca 2 + ...

Simulações de CG descrevem a difusão ...

Simulações de CG descrevem a difusão de CDL em uma bicamada POPC / CDL mista e ...

Formação de vias respiratórias mediada por CDL ...

Formação de supercomplexos respiratórios mediada por CDL. (A) Vista do sistema contendo CDL após ...

Interação do CDL com o mitocondrial ...

Interação do CDL com o portador mitocondrial ADP / ATP (AAC). (A) A densidade de probabilidade média ao longo do tempo ...

Interação de domínio PIP-PH examinada por ...

Interação do domínio PIP-PH examinada por métodos de energia livre e multiescala. (A) Energia livre ...

Modelagem computacional de OprH em ...

Modelagem computacional de OprH em uma bicamada LPS. Estruturas químicas do lipídeo A, ...

Perfis de espessura de membrana perto de dez ...

Perfis de espessura de membrana próximos a dez proteínas de membrana diferentes de simulações de CG. Para cada…

Folheto assimetria de mobilidade lipídica ...

Folheto assimetria de mobilidade lipídica perto de NanC e OmpF. Razão dos coeficientes de difusão ...


Como a entalpia, a entropia e a energia livre de Gibbs estão relacionadas?

Em um processo realizado em volume constante (por exemplo, em um tubo selado), o conteúdo de calor de um sistema é igual à energia interna (E), já que nenhum trabalho de PV (volume de pressão) é feito. Mas, em um processo de pressão constante, o sistema também gasta energia para fazer o trabalho fotovoltaico.

Portanto, o conteúdo total de calor de um sistema a pressão constante é equivalente à energia interna (E) mais a energia PV (produto de volume de pressão). Isso é chamado de entalpia e é representado pelo símbolo H. Assim, a entalpia pode ser definida pela equação,

Em palavras mais simples, a entalpia é o conteúdo total de calor de um sistema. Ele reflete o número e os tipos de ligações químicas nos reagentes e produtos. Como a energia interna, a entalpia também é função do estado e, portanto, não é possível quantificar a entalpia absoluta. No entanto, uma mudança na entalpia (∆H) que acompanha e evita um processo pode ser medida com precisão. Assim,

(onde p = produtos r = reagentes)

A unidade de ∆H é joules / mol (ou calorias / mol)

As reações que são acompanhadas pela liberação de energia térmica são chamadas de reações exotérmicas e tímicas. Nesses casos, há mudança negativa na entalpia (-∆H) de reagentes para produtos. Por exemplo, na combustão de glicose em CO2 + H2O, grande quantidade de calor é liberada. Portanto, esta é uma reação exotérmica com -∆H. o derretimento do gelo em água líquida e sua subsequente vaporização em vapores de água absorvem calor considerável dos arredores, portanto, esta é uma reação endotérmica com + ∆H.

Entropia (S):

Entropia é uma expressão quantitativa para a aleatoriedade ou desordem em um sistema e é representada pelo símbolo S. A entropia já foi discutida com alguns detalhes ao descrever a Segunda Lei da Termodinâmica anteriormente. De acordo com esta lei, & # 8216a entropia do universo tende para um máximo & # 8217.

Qualquer mudança na entropia ou desordem que acompanha um processo do início ao fim é representada por ∆S. Quando os produtos de uma reação são menos complexos ou mais desordenados que os reagentes, diz-se que a reação prossegue com ganho de entropia (+ ∆S) ou vice-versa (-∆S). Em todas as reações espontâneas, como oxidação da glicose ou derretimento do gelo, o ∆S é positivo.

Energia Livre de Gibbs (G):

A energia livre é o componente da energia total de um sistema que está disponível para trabalhar em temperatura e pressão constantes e é representada pelo símbolo G. É chamada de energia livre de Gibbs em homenagem a Josiah Willard Gibbs (1839-1903), um matemático americano, matemático e físico-químico que desenvolveu a teoria da termodinâmica química na década de 1870 na Universidade de Yale e também o conceito de energia livre.

Como a energia livre de Gibbs também é uma quantidade termodinâmica, não é possível quantificar seu valor absoluto. No entanto, uma mudança na energia livre de Gibbs (∆G) que acompanha um processo pode ser medida com precisão. A unidade de energia livre de Gibbs é joules / mol (ou calorias / mol).

A energia livre de Gibbs (G) pode ser definida combinando a entalpia (H), entropia (S), junto com a temperatura Kelvin (T), conforme mostrado na seguinte equação,

Tal como acontece com a entalpia (H) e entropia (S), não podemos quantificar a energia livre absoluta, mas apenas as diferenças na energia livre (ou seja, ∆G), a equação acima torna-se,

∆G é a quantidade que é usada para descrever se um processo é espontâneo ou não. Processos com mudança negativa de energia livre (-∆G) são energeticamente viáveis ​​e podem ocorrer espontaneamente.

Como a energia livre dos produtos é menor do que a dos reagentes, as reações com ∆G negativo (& lt 0) também são conhecidas como reações exergônicas ou reações de produção de energia. Oxidação de glicose em CO2 + H2O, é um exemplo de reação exergônica que tem mudança negativa de energia livre (-∆G). Da mesma forma, a hidrólise de moléculas e tímulas de ATP é uma reação exergônica.

Por outro lado, processos com uma mudança positiva de energia livre (+ ∆G) não são ener & timidamente viáveis ​​e não irão prosseguir sem uma entrada de energia. As reações com um ∆G positivo e tímido (ou seja, ∆G & gt 0) são conhecidas como reações endergônicas ou reações que consomem energia. A conversão de glicose + Pi em glicose-6-fosfato acompanha uma mudança positiva de energia livre e, portanto, é uma reação endergônica.

As sínteses de macromoléculas como proteínas e ácidos nucléicos a partir de seus componentes monoméricos simples também requerem entrada de energia e são, portanto, endergônicas com + ∆G. A síntese de ATP durante a fosforilação oxidativa, cuja ∆G aparente é tão alta quanto 67 kJ mol -1, também é um processo endergônico.

Em sistemas biológicos, muitas vezes a energia termodinamicamente desfavorável que requer reações endergônicas os acopla a outras reações que liberam energia livre (refilações exergônicas), de modo que todo o processo é exergônico.

A mudança de energia livre (∆G) de uma reação química é uma função de seu deslocamento do equilíbrio. & # 8220 Quanto mais longe uma reação está suspensa do equilíbrio, mais energia livre está disponível à medida que a reação prossegue em direção ao equilíbrio & # 8221. Quando uma reação está em equilíbrio, ∆G é zero e nenhum trabalho adicional pode ser feito.

A magnitude das mudanças de energia livre é principalmente uma função do conjunto particular de condições para aquela reação. Portanto, as mudanças de energia livre em reações químicas são comparadas em condições de reação padrão. A mudança de energia livre padrão (∆G ° e # 8217) representa a mudança de energia livre de uma reação que ocorre a pH 7 e 25 ° C sob condições em que ambos os reagentes e produtos estão em concentração unitária, ou seja, 1M.

A mudança real de energia livre (∆G) e a mudança padrão de energia livre (∆G ° & # 8217) são duas quantidades diferentes que não necessariamente coincidem. O AG ° & # 8217 é uma constante característica de cada reação específica e está diretamente relacionada à constante de equilíbrio (Keq).


Noz usada nozes

Massa da noz-pecã queimada 1,3 g
Mudança de temperatura de 100mL de água 19 graus C
Calorias necessárias para produzir mudança de temperatura em 100mL de água 1900 calorias
Calorias por grama contidas na noz-pecã 1357.1

  1. Qual é a relação entre matéria e energia? Quanto mais importa, mais energia.
  2. O que chamamos de energia armazenada e onde a energia é armazenada em compostos como a glicose? Nós o chamamos de glicogênio e é armazenado nas ligações.
  3. Discuta o que aconteceu com a energia armazenada na noz? Foi liberado pelo calor.
  4. Por que a massa do less após a queima? Os óleos da noz evaporaram.
  5. Como nossos corpos fazem uso desse processo? Eles quebram a glicose para formar uma energia conhecida como glicogênio.

Erros podem ter ocorrido se nem todos os óleos evaporaram durante o processo de queima da noz-pecã. Além disso, se você não usou a quantidade correta de água, isso pode ter causado uma medição imprecisa.

Discussão e conclusão:

A temperatura da lata com 100mL de água mudou com a energia armazenada na noz-pecã. A temperatura da água começou em 22 graus C e conforme a noz-pecã queimava, ela liberava a energia e aquecia a água a 41 ° C. Além disso, a massa da noz-pecã antes de ser queimada era de 1,4 ge após a queima foi de 0,1 g. Uma caloria é igual ao calor necessário para alterar a temperatura de 1 grama de água em 1 grau C. Neste experimento, a mudança de temperatura foi de 19 graus C, o que significa que 1900 calorias foram produzidas para mudar a temperatura da água. Com a massa da noz antes de queimar e a quantidade de calorias necessárias para mudar a temperatura me deu a informação para descobrir que minha noz-pecã tinha 1.357,1 calorias.


& lambda-Repressor

O repressor lambda é outra proteína de dobramento rápido que estudamos usando simulações de dinâmica molecular. O repressor & lambda tem mais do que o dobro do tamanho do capacete de vilina e processa uma topologia nativa mais complicada, ou seja, um feixe de cinco hélices. Portanto, é consideravelmente mais desafiador e computacionalmente intenso para simular do que os casos anteriores (domínio WW e capacete de vilão). Apesar de seu tamanho moderadamente grande, o tempo de dobramento conhecido experimentalmente para alguns de seus mutantes é inferior a 15 microssegundos. A simulação do repressor lambda em solvente explícito envolve um sistema contendo mais de 74.000 átomos e requer 10-20 microssegundos para observar eventos de dobramento completos.

Simulação de amostragem aprimorada

Nós nos concentramos em um mutante de dobra rápida do & lambda-repressor, & lambda-HG, com um tempo de dobra de 15 microssegundos em experimentos de salto de temperatura. Por meio de um método de têmpera recentemente desenvolvido (ver Zhang e Ma, J. Chem. Phys. 132: 244101 (2010)), observamos dobra e desdobramento reversíveis do repressor & lambda em uma trajetória de 10 microssegundos (ver filme à direita) . O estado dobrado é classificado como o cluster mais populoso, sem qualquer conhecimento prévio da estrutura cristalina na análise de cluster subsequente. Além disso, o caminho que leva ao dobramento completo da proteína pode ser seguido com base nesta análise de agrupamento. Devido ao método de amostragem aprimorado usado no estudo atual, as vias de dobramento observadas podem não ser as mais prováveis. No entanto, eles representam um dos muitos caminhos físicos na paisagem dobrável. Além de acelerar a busca no espaço conformacional, o método de amostragem aprimorado também cobre uma ampla faixa de temperaturas na simulação, permitindo o cálculo da dependência da temperatura de certas características estruturais, dada a amostragem suficiente (ver figura abaixo).Esses resultados destacam o potencial deste método de amostragem aprimorado e a precisão do modelo físico subjacente (campo de força) no estudo de uma proteína helicoidal relativamente grande. As simulações também revelaram que o dobramento do repressor & lambda não é um processo simples de dois estados como proposto para a maioria das proteínas de dobramento rápido.

Dependência da temperatura da distribuição do histograma do raio de giração e da raiz do desvio quadrático médio.

Simulação de temperatura constante

Simulação de salto de pressão

Passagem do estado de transição observada em uma janela de tempo de 2 microssegundos. Clique para ver uma trajetória de dobra.

2 microssegundos medidos por experimentos de salto de temperatura em mutantes de dobramento e repressor lambda. Também concorda com o tempo de passagem do estado de transição observado em proteínas de dobramento mais lento por espectroscopia de molécula única. Em resumo, nossas simulações fornecem a explicação em nível atômico para caminhos de dobra lenta e rápida induzida por salto de pressão. Eles também esclarecem como as proteínas passam por estados de transição (veja a figura abaixo) e quanto tempo leva para que as proteínas passem por estados de transição no processo de dobramento.

Rearranjos moleculares observados na simulação quando a proteína passa por estados de transição no processo de dobramento. Em cada ponto de tempo, os resíduos dobrados são coloridos de azul.