Summary

Sintesi di amminoacidi modificati con carbonili reattivi in silico per valutare gli effetti strutturali utilizzando simulazioni di dinamica molecolare

Published: April 26, 2024
doi:

Summary

Qui, descriviamo un protocollo per l’ottimizzazione e la parametrizzazione di residui amminoacidici modificati con specie carboniliche reattive, adattabili a sistemi proteici. Le fasi del protocollo includono la progettazione e l’ottimizzazione della struttura, l’assegnazione delle cariche, la costruzione dei parametri e la preparazione dei sistemi proteici.

Abstract

La carbonilazione delle proteine da parte delle aldeidi reattive derivate dalla perossidazione lipidica porta alla reticolazione, all’oligomerizzazione e all’aggregazione delle proteine, causando danni intracellulari, alterazione delle funzioni cellulari e, infine, morte cellulare. È stato descritto nell’invecchiamento e in diverse condizioni croniche legate all’età. Tuttavia, la base dei cambiamenti strutturali legati alla perdita di funzione nei bersagli proteici non è ancora ben compresa. Quindi, viene descritto un percorso per la costruzione in silico di nuovi parametri per amminoacidi carbonilati con specie carboniliche reattive derivate dall’ossidazione degli acidi grassi. Gli addotti di Michael per Cys, His e Lys con 4-idrossi-2-nonenale (HNE), 4-idrossi-2-esenale (HHE) e una forma ad anello furanico per 4-Oxo-2-nonenale (ONE), sono stati costruiti, mentre la malondialdeide (MDA) è stata direttamente attaccata a ciascun residuo. Il protocollo descrive i dettagli per la costruzione, l’ottimizzazione della geometria, l’assegnazione delle cariche, i legami mancanti, gli angoli, i parametri degli angoli diedri e la sua convalida per ogni struttura di residuo modificata. Di conseguenza, gli effetti strutturali indotti dalla carbonilazione con questi derivati lipidici sono stati misurati mediante simulazioni di dinamica molecolare su diversi sistemi proteici come l’enzima tioredossina, l’albumina sierica bovina e il dominio Zu-5-ankyrin di membrana che impiegano la deviazione quadratica media (RMSD), la fluttuazione quadratica media (RMSF), la previsione secondaria strutturale (DSSP) e l’analisi dell’area superficiale accessibile al solvente (SASA). tra gli altri.

Introduction

Nella costante ricerca della comprensione del comportamento molecolare delle proteine con modificazioni ossidative, la chimica computazionale è diventata un pilastro fondamentale nell’ampio campo della ricerca scientifica. Questo si basa sull’uso di modelli teorici in grado di interpretare i fenomeni fisici nei sistemi elettronici, utilizzando equazioni matematiche per descrivere il comportamento atomico delle molecole. All’interno di questo panorama, le simulazioni computazionali di proteine si distinguono come strumenti cruciali per analizzare il comportamento atomico dei sistemi molecolari. Sulla base della valutazione del comportamento strutturale, dei calcoli energetici e degli stati conformazionali1, questi metodi diventano alleati strategici per prevedere il comportamento dei sistemi biomolecolari.

Queste simulazioni sono specializzate nello studio dei cambiamenti strutturali e nella valutazione della perdita o dell’aumento delle funzioni biologiche nei sistemi proteici. Tuttavia, gli approcci computazionali hanno mostrato limitazioni significative quando applicati a sistemi proteici contenenti residui modificati formati da modifiche post-traduzionali covalenti nella sequenza. Questo perché molti metodi disponibili mancano di risorse con parametri adattabili a campi di forza compatibili con i più comuni pacchetti di programmi per simulazioni di dinamica molecolare delle proteine 2,3,4,5,6. Pertanto, la standardizzazione dei parametri adattivi del campo di forza compatibili con il software computazionale è essenziale per facilitare l’accoppiamento preciso di topologie e coordinate atomiche con l’equazione che governa l’energia potenziale del sistema7.

In risposta a queste sfide, è stato sviluppato un protocollo adattabile a nuovi residui di amminoacidi modificati con aldeidi derivate dalla perossidazione lipidica utilizzando metodi ab initio . In questo senso, l’ottimizzazione della geometria strutturale dei nuovi residui consente l’assegnazione di cariche adattative a nuovi parametri di legame, angolo e diedro che possono essere eseguiti in campi di forza generali come l’AMBER. La successiva validazione di questi parametri permette di determinare la consistenza e la robustezza del metodo applicabile alle simulazioni di dinamica molecolare.

Uno dei notevoli punti di forza di questo metodo risiede nella sua capacità di adattarsi a diverse modifiche post-traduzionali, dalla carbonilazione alla fosforilazione, all’acetilazione e alla metilazione, tra le altre. Questa versatilità non si limita solo ai sistemi proteici, ma si estende alle strutture macromolecolari, consentendo l’accoppiamento con topologie atomiche e coordinate. Al contrario, studi precedenti rivelano che la parametrizzazione standard delle modifiche post-traduzionali è adatta solo a un tipo specifico di modifica e può essere ottenuta solo da repository pubblicati, privi della capacità di creare nuove strutture8.

Attualmente, le sfide nella previsione e nella progettazione della struttura delle proteine stanno diventando più evidenti quando si modellano strutture con modifiche post-traduzionali. La scarsità di parametri che descrivono le alterazioni in specifici siti di amminoacidi sottolinea l’urgente necessità di sviluppare e applicare metodi computazionali che possano essere adattati a parametrizzazioni standard. Lo scopo di questo protocollo è quello di fornire una via per la costruzione in silico di nuovi parametri per amminoacidi modificati covalentemente con specie carboniliche reattive derivate dall’ossidazione degli acidi grassi. Questi amminoacidi modificati sono riconosciuti dal campo di forza ambrato generale (GAFF) e possono, quindi, essere utilizzati per valutare in silico gli effetti strutturali e funzionali che questo tipo di carbonilazione ha sulle loro proteine bersaglio.

Protocol

1. Progettazione e ottimizzazione del nuovo amminoacido modificato NOTA: Questa fase prevede il disegno delle strutture dei residui modificati e l’ottimizzazione della loro energia. Progettazione delle strutture modificate e ottimizzazione della loro struttura.Utilizzare un pacchetto software di chimica computazionale per disegnare le molecole di amminoacidi legate alle aldeidi reattive derivate dalla perossidazione lipidica, cioè con HNE, HHE, MDA e ONE. Un…

Representative Results

Per illustrare l’attuazione del protocollo e valutarne i risultati, verranno prese in considerazione le seguenti analisi. Il set di dati generato dall’assegnazione di nuovi parametri ai residui di amminoacidi modificati è stato costruito sulla base dell’ottimizzazione delle strutture elettroniche, che sono state supportate per carichi parziali di RESP. La Figura 9 mostra la conformazione strutturale di uno dei residui amminoacidici ottimizzati con l’assegnazione dei parametri. <p class=…

Discussion

Uno dei passaggi critici nello sviluppo del protocollo di parametrizzazione AMBER è stata l’ottimizzazione quantistica dei nuovi residui amminoacidici modificati con i derivati della perossidazione lipidica, a causa della variabilità energetica correlata alla minimizzazione e al modo di assegnare le cariche RESP nell’anticamera AMBER. A tal fine, i metodi di ottimizzazione ab initio con Hartree-Fock (HF/6-31G) e la teoria semiempirica del funzionale della densità (DFT; B3LYP/6-31G e M062X/6-31G) per valutare …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato sostenuto dalla sovvenzione di ricerca codice 1107-844-67943 del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación (Minciencias) e dell’Università di Cartagena (Colombia) per la sovvenzione a sostegno dei gruppi di ricerca 2021 e Acta 017-2022.

Materials

AmberTools16 or Upper The Amber Project Amber is a suite of biomolecular simulation programs
Gaussian 09 or Upper Gaussian Inc Draw and optimize structures
Linux Ubuntu GNU/Linux Platform for AmberTools
NVIDIA GPUs GTX 1080 or Upper Nvidia Compatible with PMEMD

References

  1. Cornell, W. D., et al. A second generation force field for the simulation of proteins, nucleic acids, and organic molecules. J Am Chem Soc. 117 (19), 5179-5197 (1995).
  2. Wang, J., Wolf, R. M., Caldwell, J. W., Kollman, P. A., Case, D. A. Development and testing of a general amber force field. J Comput Chem. 25 (9), 1157-1174 (2004).
  3. Brooks, B. R., et al. CHARMM: A program for macromolecular energy, minimization, and dynamics calculations. J Comput Chem. 4 (2), 187-217 (1983).
  4. Mayo, S. L., Olafson, B. D., Goddard, W. A. DREIDING: a generic force field for molecular simulations. J Phys Chem. 94 (26), 8897-8909 (1990).
  5. Daura, X., Mark, A. E., van Gunsteren, W. F. Parametrization of aliphatic CHn united atoms of GROMOS96 force field. J Comput Chem. 19 (5), 535-547 (1998).
  6. Robertson, M. J., Tirado-Rives, J., Jorgensen, W. L. Improved peptide and protein torsional energetics with the OPLS-AA force field. J Chem Theory Comput. 11 (7), 3499-3509 (2015).
  7. Guvench, O., MacKerell, A. D. Comparison of protein force fields for molecular dynamics simulations. Methods Mol Biol. 443, 63-88 (2008).
  8. Petrov, D., Margreitter, C., Grandits, M., Oostenbrink, C., Zagrovic, B. A systematic framework for molecular dynamics simulations of protein post-translational modifications. PLoS Comput Biol. 9 (7), e1003154 (2013).
  9. Alviz-Amador, A., et al. Development and benchmark to obtain AMBER parameters dataset for non-standard amino acids modified with 4-hydroxy-2-nonenal. Data Brief. 21, 2581-2589 (2018).
  10. Pineda-Alemán, R., et al. Cysteine carbonylation with reactive carbonyl species from lipid peroxidation induce local structural changes on thioredoxin active site. J Mol Graph Model. 124, 108533 (2023).
  11. Alviz-Amador, A., et al. Effect of 4-HNE modification on ZU5-ANK domain and the formation of their complex with β-Spectrin: A molecular dynamics simulation study. J Chem Info Model. 60 (2), 805-820 (2020).
  12. Zhou, A., Schauperl, M., Nerenberg, P. S. Benchmarking electronic structure methods for accurate fixed-charge electrostatic models. J Chem Info Model. 60 (1), 249-258 (2020).
  13. Gęgotek, A., Skrzydlewska, E. Biological effect of protein modifications by lipid peroxidation products. Che Phys Lipids. 221, 46-52 (2019).
  14. Moldogazieva, N. T., Zavadskiy, S. P., Astakhov, D. V., Terentiev, A. A. Lipid peroxidation: Reactive carbonyl species, protein/DNA adducts, and signaling switches in oxidative stress and cancer. Biochem Biophys Res Comm. 687, 149167 (2023).

Play Video

Cite This Article
Pineda-Alemán, R., Cabarcas-Herrera, C., Alviz-Amador, A., Pérez-Gonzalez, H., Rodríguez-Cavallo, E., Méndez-Cuadro, D. Synthesizing Amino Acids Modified with Reactive Carbonyls in Silico to Assess Structural Effects Using Molecular Dynamics Simulations . J. Vis. Exp. (206), e66605, doi:10.3791/66605 (2024).

View Video