트리메틸아민 N 간의 전자 변동 차이

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 19417(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

세포 내 작은 유기분자는 단백질의 기능을 조절하는 데 중요하다고 여겨져 왔지만, 생리학적 조건, 즉 희석 수용액(0.18 mol L−1)에서는 분자 기능의 물리화학적 기원인 이들의 전자적 변동과 분자간 상호작용이 중요하다. , 정확성과 효율성을 모두 갖춘 관찰 방법이 부족하여 명확하게 밝혀진 적이 없습니다. 여기서, 희석된 수성 트리메틸아민 N-산화물(TMAO) 및 tert-부틸 알코올(TBA) 용액에서의 상호작용의 시간 전개는 단편 분자 이론으로 가속화된 순순한 분자 역학 시뮬레이션을 통해 분석되었습니다. TMAO와 TBA는 유사한 구조를 가지고 있지만 단백질을 안정화하고 불안정하게 만드는 생리학적 기능은 반대인 것으로 알려져 있습니다. TMAO는 친수성 그룹 근처의 물 분자와 안정적인 분극 및 전하 이동 상호 작용을 유도하고, CH3- 그룹 근처에서도 물 분자를 포착하는 것으로 확인되었습니다. 이는 단백질 안정화에 영향을 미칩니다. 솔루션 역학을 이해하면 차세대 의학의 인공 샤페론 설계에 기여할 것입니다.

세포 내 작은 유기 용질은 단백질에 다양한 영향을 미칩니다. 예를 들어, N+O- 및 메틸(CH3-) 그룹으로 구성된 트리메틸아민 N-산화물(TMAO, 그림 S1a)은 심해 어류에서 발견되었으며 단백질의 생리적 기능을 보존하는 알려진 삼투질입니다1 . 그 효과는 종종 Hofmeister 시리즈에서 물을 구조화할 수 있는 (CH3)4 N+ 및 PO43−와 같은 이온과 비교됩니다2. 그러나 삼투압 보존 메커니즘은 여전히 ​​논쟁 중이다. 제안된 설명에는 TMAO와 단백질 사이의 매력적인 직접 상호 작용 또는 분자 집합체로서 수용액의 구조적 변화를 통한 간접적인 상호 작용이 포함됩니다. TMAO가 단백질의 생리적 기능 보존을 가능하게 하는 메커니즘이 밝혀지면 인공 샤페론의 개발을 가속화하고 죽상경화증의 메커니즘을 이해함으로써 차세대 의학에 근본적인 과학적 기여를 할 수 있을 것입니다.

TMAO 수용액의 생물물리학적 화학 및 용액 역학은 실험5,6,7,8,9,10,11,12,13,14 관점에서 광범위하게 조사되었습니다. 진동 및 핵 자기 공명 분광학은 TMAO의 N+O- 및 CH3- 그룹 모두 용액에서 물 분자의 역학을 느리게 하고 N+O- 그룹은 물 분자를 포획하는 주목할만한 능력을 가지고 있음을 나타냅니다5,6,7, 10,11,13. 이러한 결과는 고전적인 힘장을 기반으로 한 분자 역학 시뮬레이션을 통해 신중하게 논의되었습니다. 그러나 결과는 역장의 선택에 따라 달라진다는 것은 잘 알려져 있습니다. 따라서 실험 결과를 정확하게 설명하고 삼투압 조절 능력을 인위적으로 설계하기 위해서는 ab initio 분자 역학(AIMD) 시뮬레이션이 필수적입니다. 밀도 함수 이론을 사용한 여러 피코초 이하 Born-Oppenheimer AIMD 시뮬레이션이 있었지만 이전 연구에서는 분자 기능의 물리화학적 기원인 분자간 상호 작용을 밝히지 못했습니다. 또한 이전 AIMD 시뮬레이션의 높은 계산 비용으로 인해 대상 시스템은 작은 크기로 제한되었으며 농도(0.5 mol L-1 이상)는 자연 조건(예: 심해 어류의 농도)보다 훨씬 높았습니다. ).

본 연구의 목적은 현실적인 농도 조건을 사용하여 TMAO 수용액에서 전자적 변동과 분자간 상호 작용의 시간적 변화를 명확히 하는 것입니다. 이를 위해 우리는 용질-용매 상호 작용에 초점을 맞추고 수천 개의 원자를 포함하는 시스템에 대해 나노초 단위 AIMD 시뮬레이션을 수행하는 데 특히 적합한 ab initio 효과적인 단편 전위-분자 역학 시뮬레이션(EFP-MD)을 적용했습니다25,26,27 ,28,29,30, 묽은 TMAO 수용액(0.18 mol L−1)의 경우. 비교를 위해 단백질 변성제로 알려진 tert-부틸 알코올의 희석 수용액(TBA, 그림 S1b)도 조사되었습니다.