渗透压物质在蛋白质折叠过程中的结构与热力学效应

《JACS Au》：Osmolyte Structural and Thermodynamic Effects Across the Protein Folding Landscape

本文通过粗粒度模型和原子级模拟结合，分析了尿素和TMAO对β-片层SH3和α螺旋BdpA折叠平衡的影响，发现溶剂与蛋白质相互作用随折叠程度变化，且与溶剂可及表面积相关性较低。通过最小距离分布函数和Kirkwood-Buff理论计算，揭示了溶剂在蛋白质表面和溶剂壳中的分布规律，并验证了与实验数据的吻合性，为复杂体系溶剂效应研究提供了新方法。

　　本研究通过开发一种新颖的计算流程，结合粗粒化与原子尺度模拟，以及利用最小距离分布函数（MDDFs）和基尔伍德-布夫溶剂理论（Kirkwood–Buff solvation theory），对尿素（urea）和三甲胺-N-氧化物（TMAO）在β-折叠结构的SRC同源结构域（SH3）和α-螺旋结构的蛋白A的B域（BdpA）的折叠过程中，其对结构和热力学的偏好相互作用进行了深入分析。该研究揭示了这些偏好相互作用与去折叠状态的表面积之间存在高度相关性，即使在去折叠状态下暴露的表面化学性质与天然状态不同。尿素通常作为变性剂，而TMAO则作为稳定剂，但它们对蛋白质折叠的影响并非完全由暴露的表面化学性质决定，而是可以通过折叠过程中各个状态的偏好相互作用和转移自由能来更精确地理解。

为了更全面地分析溶剂对蛋白质折叠的影响，研究者首先对SH3和BdpA的折叠过程进行了模拟。SH3是一种典型的β-折叠结构，其折叠机制较为简单，而BdpA则具有较为复杂的α-螺旋结构。研究中通过结构基模（SBMs）模拟了这些蛋白质的折叠景观，以获得其在不同溶剂环境下的结构变化。SBMs模拟的折叠状态通过ELViM方法进行了可视化，将蛋白质构象投射到二维空间，以便更好地理解其折叠行为和去折叠状态之间的差异。此外，研究者还使用了多种技术，如具体热（specific heat）和天然接触分数（fraction of native contacts）等，来评估折叠状态的多样性。

在尿素和TMAO对折叠状态的影响方面，研究者发现尿素倾向于与去折叠状态结合，而TMAO则倾向于被排除。这种差异在不同折叠状态中表现不一，尤其是对于去折叠状态的表面积较大时，尿素的偏好相互作用更为显著。尿素与蛋白质之间的相互作用主要体现在氢键和非特异性相互作用上，而TMAO则主要通过其亲水性和亲脂性之间的平衡来影响蛋白质的稳定性。通过计算MDDFs，研究者能够识别出不同残基在尿素和TMAO作用下的分布特性，并据此分析它们对蛋白质折叠的影响。

研究还发现，尿素和TMAO对蛋白质折叠的偏好相互作用在不同状态之间表现出显著的差异。例如，在SH3的去折叠状态中，尿素的偏好相互作用显著增强，而TMAO则表现出相反的趋势。这种趋势与蛋白质暴露的表面积和特定化学基团有关。对于BdpA，尿素对部分去折叠状态的影响尤为显著，而TMAO则在某些去折叠状态下表现出与天然状态相似的偏好相互作用。这表明，不同蛋白质结构对溶剂的响应存在差异，需要针对不同的折叠状态进行详细的分析。

此外，研究还通过计算转移自由能，评估了尿素和TMAO对蛋白质折叠过程的影响。通过比较不同溶剂浓度下的折叠状态，研究者能够更准确地预测溶剂对蛋白质稳定性的影响。例如，在尿素浓度为0.5 mol L?1时，SH3的去折叠状态显示出显著的稳定性，而BdpA的某些去折叠状态则表现出与天然状态相似的偏好相互作用。这些结果不仅验证了现有的理论模型，还为理解蛋白质折叠过程中溶剂的作用提供了新的视角。

研究还强调了在分析溶剂对蛋白质折叠影响时，需要注意的一些关键因素。例如，溶剂的浓度、蛋白质的折叠路径、以及去折叠状态的表面积等，都会对偏好相互作用和转移自由能产生影响。通过综合考虑这些因素，研究者能够更全面地理解尿素和TMAO对蛋白质折叠的调控作用。此外，研究还指出了未来可能的研究方向，包括扩展该方法到其他复杂的分子系统，以及进一步探讨不同残基类型对溶剂相互作用的具体贡献。

总的来说，本研究通过开发一种新的计算方法，结合粗粒化与原子尺度模拟，以及利用MDDFs和基尔伍德-布夫理论，深入分析了尿素和TMAO在蛋白质折叠过程中的偏好相互作用和热力学影响。这些发现不仅有助于理解蛋白质折叠过程中溶剂的作用，还为蛋白质工程和溶剂设计提供了重要的理论基础。通过详细分析不同折叠状态的偏好相互作用和转移自由能，研究者能够更精确地预测溶剂对蛋白质稳定性的调控作用，并为未来研究提供了新的思路和方法。