Differenza di fluttuazione elettronica tra trimetilammina N

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 19417 (2022) Citare questo articolo

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Sebbene le piccole molecole organiche nelle cellule siano state considerate importanti per controllare le funzioni delle proteine, la loro fluttuazione elettronica e l'interazione intermolecolare, che è l'origine fisico-chimica delle funzioni molecolari, in condizioni fisiologiche, cioè soluzioni acquose diluite (0,18 mol L−1) , non è mai stato chiarito a causa della mancanza di metodi di osservazione accurati ed efficienti. Qui, le evoluzioni temporali delle interazioni nelle soluzioni acquose diluite di trimetilammina N-ossido (TMAO) e alcol tert-butilico (TBA) sono state analizzate tramite simulazioni di dinamica molecolare ab initio accelerate con la teoria molecolare dei frammenti. È noto che TMAO e TBA hanno strutture simili, ma funzioni fisiologiche opposte per stabilizzare e destabilizzare le proteine. È stato chiarito che il TMAO induce polarizzazione stabile e interazioni di trasferimento di carica con le molecole d'acqua vicine al gruppo idrofilo e che le molecole d'acqua vengono catturate anche vicino al gruppo CH3–. Questi dovrebbero influenzare la stabilizzazione delle proteine. Comprendere le dinamiche della soluzione contribuirà alla progettazione di chaperoni artificiali nella medicina di prossima generazione.

Piccoli soluti organici nelle cellule hanno vari effetti sulle proteine. Ad esempio, la trimetilammina N-ossido (TMAO, Fig. S1a), che consiste di gruppi N+O− e metile (CH3–), è stata trovata nei pesci di acque profonde ed è un noto osmolita che preserva le funzioni fisiologiche delle proteine1 . Gli effetti vengono spesso confrontati con gli ioni come (CH3)4 N+ e PO43− che sono più capaci di strutturare l'acqua della serie Hofmeister2. Tuttavia, il meccanismo di conservazione della pressione osmotica è ancora oggetto di dibattito; le spiegazioni proposte includono un'interessante interazione diretta tra TMAO e proteine2 o interazioni indirette tramite cambiamenti strutturali di una soluzione acquosa come aggregato molecolare3,4. Se il meccanismo attraverso il quale il TMAO consente la conservazione funzionale fisiologica nelle proteine ​​fosse chiarito, fornirebbe contributi scientifici fondamentali, ad esempio, alla prossima generazione di medicina accelerando lo sviluppo di chaperoni artificiali e comprendendo il meccanismo dell’aterosclerosi.

La chimica biofisica e la dinamica delle soluzioni acquose di TMAO sono state ampiamente studiate da punti di vista sperimentali5,6,7,8,9,10,11,12,13,14. La spettroscopia di risonanza magnetica vibrazionale e nucleare ha indicato che entrambi i gruppi N+O− e CH3– del TMAO rallentano la dinamica delle molecole d'acqua in una soluzione e che i gruppi N+O− hanno una notevole capacità di catturare le molecole d'acqua5,6,7, 10,11,13. Questi risultati sono stati attentamente discussi mediante simulazioni di dinamica molecolare basate su campi di forza classici3,15,16,17,18. Tuttavia, è noto che i risultati dipendono dalla scelta del campo di forza. Pertanto, le simulazioni di dinamica molecolare ab initio (AIMD) sono essenziali per spiegare con precisione i risultati sperimentali e progettare artificialmente la capacità di regolazione della pressione osmotica. Sebbene siano state effettuate diverse simulazioni AIMD di Born-Oppenheimer di ordine inferiore al picosecondo con la teoria del funzionale densità19,20,21,22,23,24, studi precedenti non hanno rivelato l'interazione intermolecolare, che è l'origine fisico-chimica delle funzioni molecolari. Inoltre, a causa degli elevati costi computazionali delle precedenti simulazioni AIMD, i sistemi target erano limitati a dimensioni ridotte e le concentrazioni (oltre 0,5 mol L−1) erano molto più elevate rispetto alle condizioni naturali (cioè quelle nei pesci di acque profonde ).

Lo scopo di questo studio è chiarire la fluttuazione elettronica e l'evoluzione temporale delle interazioni intermolecolari nella soluzione acquosa di TMAO con una condizione realistica di concentrazione. A questo scopo, ci siamo concentrati sulle interazioni soluto-solvente e abbiamo applicato la simulazione ab initio della dinamica molecolare del potenziale del frammento efficace (EFP-MD), che è particolarmente adatta per eseguire simulazioni AIMD di ordine nanosecondo per sistemi contenenti diverse migliaia di atomi25,26,27 ,28,29,30, per soluzioni acquose diluite di TMAO (0,18 mol L−1). A titolo di confronto, è stata studiata anche una soluzione acquosa diluita di alcol terz-butilico (TBA, Fig. S1b), noto come denaturante proteico5,6,16.