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Publicação
Improving pKa calculations of membrane inserting amino acids using replica exchange CpHMD simulations
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
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Resumo(s)
O pH é um dos parâmetros fisiológicos mais importantes, influenciando as propriedades dos solutos, alterando a distribuição da ocupação de protões lábeis. Caso estes se encontrem em grupos químicos relevantes para a estabilidade conformacional, uma mudança no estado de protonação poderá conduzir a uma transição conformacional significativa. Os principais tipos de biomoléculas contêm grupos tituláveis em zonas estruturalmente importantes, logo uma mudança no seu estado de protonação, e consequentemente na carga, afeta a função das biomoléculas. O facto do pH estar intimamente implicado na maioria dos processos bioquímicos ilustra bem o caráter relevante do pH para a vida, estando também envolvido em doenças como o cancro ou o Alzheimer. Métodos de dinâmica molecular a pH constante (CpHMD) costumam ser utilizados para modelar sistemas onde a captura correcta do acoplamento das conformações com mudanças no estado de protonação é necessária. Vários métodos de CpHMD foram desenvolvidos e implementados nos mais diversos campos de forças. O CpHMD usado neste trabalho denomina-se titulação estocástica devido aos estados de protonação discretos serem amostrados e aceites pelo critério de Metropolis. Este método de CpHMD foi usado para estudar os valores de pKa de aminoácidos tituláveis na interface de uma membrana lipídica de fosfatidilcolina. A mudança no ambiente electrostático em redor do resíduo dita a variação do seu pKa. Ao inserir na membrana apolar, os amino´acidos tendem a estabilizar a sua forma neutra, de tal modo que, a nossa metodologia sentiu dificuldades a amostrar suficientes estados ionizados para ser possível calcular o pKa em zonas mais inseridas com a confiança desejada. Geralmente quando se estuda um sistema onde figuram barreiras cinéticas difíceis de transpor usando apenas dinâmica molecular, os métodos de amostragem aumentada são uma solução viável. De entre as técnicas mais comuns, o replica exchange (RE) parece ser a mais adequada ao nosso sistema. Métodos como metadynamics ou umbrella sampling, poderiam auxiliar no aumento da amostragem de estados inseridos contudo provavelmente representam desafios superiores em termos de implementação no contexto
do CpHMD. Assim sendo, desenvolvemos o nosso método de RE baseadas em pH (pHRE), complementando o nosso método de CpHMD, tal como já tinha sido desenvolvido por outros grupos na literatura. Nesta metodologia, cada réplica é simulada a um pH único e trocas entre pares de pHs são testadas periodicamente. O critério de aceitação da troca baseia-se na diferença entre os valores de pH dos pares de simulações, bem como na diferença entre estados de protonação dos grupos tituláveis. Neste trabalho, aplicámos a nova metodologia de pHRE aos pentapéptidos anteriormente estudados, numa tentativa de obter valores de pKa dos resíduos tituláveis em zonas inseridas que não tenham sido possíveis de determinar face à falta de amostragem. O objectivo foi concluído com sucesso uma vez que o método de pHRE permite que todos os valores de pH amostrem conformações com inserções semelhantes. Os valores de pH com preferência para o estado carregado, mais moroso de amostrar em configurações inseridas, e que mais dificilmente atingiriam estas inserções em simulações de CpHMD, conseguem desta forma aumentar a qualidade da amostragem nestas zonas. A melhoria da amostragem está portanto diretamente relacionada com a mistura das réplicas que, por sua vez, poderá ser maximizada diminuindo o espaçamento entre os valores de pH escolhidos ou aumentando a periodicidade das tentativas de troca entre replicados. Contudo, aumentar a frequência de trocas poderá ter um efeito secundário nefasto, tendo em conta que caso uma troca entre replicados afete a probabilidade da troca seguinte, pode favorecer ou desfavorecer um estado de protonação particular. Os melhores resultados deste trabalho foram obtidos simulando 4 valores de pH e com um tRE de 20 ps. Porém, dado que o sistema
apenas tinha um resíduo a titular, todas as simulações de pHRE apresentaram uma boa eficiência a nível de mistura de réplicas, apesar do tRE de 100 ps divergir em algumas zonas de inserção das restantes, o que sugere que ainda não terá convergido. De notar, que em dois dos resíduos não foi possível acelerar a amostragem, ficando estas excepções a dever-se ao leque de valores de pH simulados ter sido demasiado limitado. Um novo método para definir o nível de inserção foi também introduzido neste trabalho. Este foi comparado com os métodos alternativos mais usuais que utilizam todos os lípidos da membrana ou apenas o mais próximo. Usando todos os lípidos, a inserção medida será tão sobrestimada quanto a deformação local causada na membrana durante esse processo. Calculando a inserção apenas com o lípido mais próximo, é possível contornar a deformação, mas um novo problema surge quando o desvio que é provocado nesta referência única não representa corretamente a irregularidade introduzida na membrana. O novo método aqui proposto, faz uso de um cutoff até ao qual todos os lípidos são contabilizados. Desta forma, é possível obter valores de inserção correlacionados com o estado de solvatação e minimizar as imprecisões associadas com a troca do lípido mais próximo. Apesar da melhor descrição das interações na zona da interface, este modo de calcular a inserção tem pouca influência nos perfis de pKa. O pHRE consegue claramente melhorar a amostragem do CpHMD, bem como os perfis de pKa associados. No futuro, esta metodologia de amostragem aumentada será adoptada, mesmo para estudar processos bioquímicos dependentes do pH cujas limitações de amostragem não sejam tão evidentes quanto as existentes na interface de uma membrana.
PH is one of the most important solution parameters since it influences the properties of solute molecules with labile hydrogen atoms. It plays a major role in most biochemical processes by, among other, inducing protein conformational changes and affecting protein–lipid interactions. Constant-pH molecular dynamics (CpHMD) methods have been used to model such systems since they are able to correctly capture the conformational/protonation coupling. To investigate the pKa values of titrable amino acids at the water/membrane interface, a previous CpHMD study [1] have shown that, upon insertion, the titrable sites are prone to adopt a neutral state. In that work, we encountered some difficulties to sample ionized conformations in inserted regions with CpHMD, since most residues retained their neutral state upon insertion/desolvation in the timescale of our simulations. When facing kinetic traps in molecular dynamics simulations, enhanced sampling techniques are a widely used solution. Since our sampling problems are related with a favored protonation state, we implemented a pH-based replica exchange (pHRE)[2]. In this method, a unique pH value is assigned to each simulation replica and attempts to exchange the simulated pH value are periodically performed between replica pairs. The acceptance criterion is dictated by the difference between the exchanging pairs of pH values and protonation states of titrable sites. Here, we have used the pHRE methodology, a newly developed method to calculate insertion, and more rigorous criteria to define the acceptable protonation sampling, to provide a more accurate description of the membrane influence on the pKa profiles of titrable amino acids. A more thorough characterization of protein–membrane interactions, membrane deformation and solvation effects is obtained by using a cutoff based insertion method. Since in pHRE, due to replica mixing, all pH values sample similar insertion regions, a larger amount of inserted conformations in the ionized state are obtained. To further improve pHRE sample capability, a high frequency of exchange attempts should be selected. Our efficient pHRE results outperformed previous CpHMD ones, granting more sampling in less simulation time. In the future, pHRE will eventually replace CpHMD as our go-to method to study pH dependent phenomena.
PH is one of the most important solution parameters since it influences the properties of solute molecules with labile hydrogen atoms. It plays a major role in most biochemical processes by, among other, inducing protein conformational changes and affecting protein–lipid interactions. Constant-pH molecular dynamics (CpHMD) methods have been used to model such systems since they are able to correctly capture the conformational/protonation coupling. To investigate the pKa values of titrable amino acids at the water/membrane interface, a previous CpHMD study [1] have shown that, upon insertion, the titrable sites are prone to adopt a neutral state. In that work, we encountered some difficulties to sample ionized conformations in inserted regions with CpHMD, since most residues retained their neutral state upon insertion/desolvation in the timescale of our simulations. When facing kinetic traps in molecular dynamics simulations, enhanced sampling techniques are a widely used solution. Since our sampling problems are related with a favored protonation state, we implemented a pH-based replica exchange (pHRE)[2]. In this method, a unique pH value is assigned to each simulation replica and attempts to exchange the simulated pH value are periodically performed between replica pairs. The acceptance criterion is dictated by the difference between the exchanging pairs of pH values and protonation states of titrable sites. Here, we have used the pHRE methodology, a newly developed method to calculate insertion, and more rigorous criteria to define the acceptable protonation sampling, to provide a more accurate description of the membrane influence on the pKa profiles of titrable amino acids. A more thorough characterization of protein–membrane interactions, membrane deformation and solvation effects is obtained by using a cutoff based insertion method. Since in pHRE, due to replica mixing, all pH values sample similar insertion regions, a larger amount of inserted conformations in the ionized state are obtained. To further improve pHRE sample capability, a high frequency of exchange attempts should be selected. Our efficient pHRE results outperformed previous CpHMD ones, granting more sampling in less simulation time. In the future, pHRE will eventually replace CpHMD as our go-to method to study pH dependent phenomena.
Descrição
Tese de mestrado em Bioquímica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2017
Palavras-chave
Troca de replicas Pentapéptidos Aminoácidos tituláveis Dinâmica molecular a pH constante Perfis de pKa Interface membranar Teses de mestrado - 2017