Environment induced conformational transition in peptides

Abstract

Birer moleküler makine olan proteinler, üç boyutlu doğal yapılarına katlanmadaki yeteneklerine rağmen, çevresel etkiler doğru ayarlandığı takdirde dizili birikimler oluştururlar. Solüsyon içinde, yüzeylerde veya arayüzeylerde görülen birikimler ya da etkileşimlerde peptitlerin amfifilik doğasının rolü önemlidir. Bu rol hücre zarlarından geçişte veya bu zarlarda birikmede de görülebilir. Çoğu durumda, peptitlerin birikmesi veya hidrofobik/hidrofilik arayüzeylerle etkileşimi, moleküllerin şekillerinde değişime sebep olur. Bu durum genelde hidrofobik/hidrofilik rezidülerin ayrılmasıyla birlikte görülür. Arayüzeylerde görülen konformasyon değişimi, birikme ve ayrılmanın en bilinir örneği amiloid birikimiyle görülen proteinlerdeki hatalı katlanmadır. Ya da daha genel tabirle arayüzey veya birikme etkisiyle yüksek miktarda beta plaklarının oluşumudur. Hem peptit birikmelerindeki yapının hem de peptit-tabanlı malzemelerin oluşumunu kontrol edebilmek ve bu süreçleri daha iyi anlamak için ilgili etkileşimlerin, harekete geçirici kuvvetlerin, yolakların ve birleşim mekanizmalarını anlamak şarttır.Bu tezde, peptit tabanlı sistemlerde katlanma, birikim ve ayrılmanın birbirleriyle etkileşimine mikroskopik yapısal ve termodinamik açıdan bakma amacıyla moleküler dinamik simülasyonlarını kullandık. çevrenin etkisiyle gerçekleşen yapısal değişiklikleri göstermek amacıyla ilk model sistemimiz olan fenilalanin dipeptidi (FF) üzerine odaklandık. Sadece iki aminoasit uzunluğundaki sekansına sahip olmasına rağmen tek boyutlu nanotüp oluşturabiliyor. Bu nanotüplerdeki moleküllerde su yığını içindeki yapıların aksine cis-benzeri yapılar görülmektedir. Hem su yığınındaki hem de siklohekzan/su arayüzeyindeki FF molekülünü moleküler dinamik simülasyonları ile tahlil ederek hidrofobik/hidrofilik arayüzeylerin trans'tan cis'e yapısal değişimi tetiklediklerini gösterdik. Dahası, moleküler arayüzeyin bile benzer yapısal değişiklikler yaratacağını kanıtladık ve makroskopik ve moleküler arayüzeyler arasındaki farkları ve benzerlikleri tartıştık. Ardından, zaman ve ebat ölçeklerindeki engelleri aşarak moleküler simülasyonlar yardımıyla peptitlerdeki birikimi gözlemlemek için, düşük çözünürlüklü (DÇ) model geliştirdik. Bu Dç model FF'de görülen farklı yapısal davranışları temsil edebilmekte, yani FF'nin iki farklı ortamdaki yapısal farklılıklarını doğru bir şekilde betimleyebilmektedir. Trans'tan cis'e yapısal değişim gibi süreçleri doğru temsil edebilmenin termodinamik kuvvetlerle yakından alakalı olduğunu gösterdik. Doğru ayrılma davranışını temsil edebilmek için de çözünme serbest enerjilerini kullanmanın gerekliliğini gösterdik.İkinci çalışmada tasarlanan sentetik bir molekül olan LK peptitlerine geçtik. Burada, hidrojen bağları, hidrofobik ve elektrostatik etkileşimlerin içsel olarak dağınık peptite sebep olduğunu ortaya koyduk. Tek başına su yığını içinde belirli bir ikincil yapıya sahip olmayan bu molekülün makroskopik ve moleküler arayüzeylerde hedeflenen alfa-heliks ikincil yapısını geçtiği görüldü. Böylece arayüzeyin varlığı molekülün yapısal faz uzayında bir popülasyon kayması yaratmış oldu. Ortalama kuvvetin potansiyelini birikim ebatının bir fonksiyonu olarak hesapladık ve deneysel çalışmalarla uyumlu olarak LK peptidinin solüsyon içinde dörtlü bir yapıda stabil kaldığını gözlemledik.Bulgularımız peptitlerde birikim, katlanma ve ayrılmanın birlikteliğinin doğasına ilişkin zorluklara vurgu yaptı. Moleküler dinamik simülasyonlarının atomistik ölçekte bu fenomenleri harekete geçiren kuvvetlerin tahlilini sağladığı ve bunların deneysel teknikleri tamamladığını göstermiş olduk.

Proteins are fascinating molecular machines with their ability to fold into unique 3-dimensional structures identified as their native states. Despite their surprisingly robust folding capability, proteins and peptides exhibit a strong tendency to form ordered aggregates if the environmental conditions are correctly tuned. The amphiphilic nature of peptides plays an important role in enabling aggregation in aqueous environment or at interfaces and surfaces or by allowing peptides to penetrate through or aggregate in membranes. In many cases the aggregation or the interaction of a peptide with a hydrophobic/hydrophilic interface triggers a conformational change in the molecule, which is usually coupled to the partitioning of the hydrophobic/hydrophilic residues of the peptide. Well known examples of the interplay of conformational change and aggregation or partitioning at interfaces are the misfolding of proteins upon amyloid aggregation, or more generally the induction of higher beta-sheet content by aggregation or by the presence of an interface. In order to better understand and ultimately control structure formation in peptide aggregates and peptide-based materials, knowledge of the relevant interactions, driving forces, pathways and assembly mechanisms is essential.In this thesis we utilize molecular dynamics simulations to provide microscopic structural and thermodynamic insight into the interplay of folding, aggregation and partitioning in peptide based systems. In order to illustrate environment driven conformational change, the first model system we have focused on is phenylalanine dipeptide (FF). With its only two aminoacid long sequence, this molecule forms one-dimensional nanotubes, in which the molecules adopt a cis-like conformation unlike their preferred state in water. Here, by analyzing molecular dynamics simulations of FF in bulk water and cyclohexane/water interface, we demonstrate how the hydrophobic/hydrophilic interface triggers the trans-to-cis conformational change. Moreover, we demonstrate that even a molecular interface can lead to a similar conformational change, and discuss the similarities and differences between macroscopic and molecular interfaces. Next, in order to overcome the time and length scale barriers in observing aggregation of peptides in molecular simulations, we develop a coarse-grained (CG) model capable of representing the conformational behavior of FF. Our CG model is unique in its ability to capture the correct representation of the target molecule in two different environments. We show that correct representation of a structural change, such as a trans-to-cis conformational switch, relies on thermodynamic driving forces. Hence, a solvation free energy based tuning is required to capture the correct partitioning behavior.In the second study we switch to the LK peptide which is a designed synthetic molecule. We demonstrate how the interplay of hydrogen bonding, hydrophobic interactions, and electrostatics leads to an intrinsically disordered peptide. When isolated in bulk water it lacks a well defined secondary structure and only in the presence of a macroscopic or molecular interface its targeted $/alpha$-helical secondary structure can be realized. In the case of LK the presence of an interface leads to a population shift in the conformational phase space of the molecule. We also calculate the potential of mean force as a function of aggregate size and demonstate that in agreement with experimental findings tetramers of LK are the stable form in solution.Our findings highlight the challenges associated with the coupled nature of aggregation, folding and partitioning for peptides. We show that molecular dynamics simulations provide atomistic resolution analysis of the driving forces for such phenomena, perfectly complementing experimental techniques.