Diferença de flutuação eletrônica entre trimetilamina N

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 19417 (2022) Citar este artigo

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Embora pequenas moléculas orgânicas nas células tenham sido consideradas importantes para controlar as funções das proteínas, sua flutuação eletrônica e a interação intermolecular, que é a origem físico-química das funções moleculares, em condições fisiológicas, ou seja, soluções aquosas diluídas (0,18 mol L-1). , nunca foi esclarecido devido à falta de métodos de observação com precisão e eficiência. Aqui, as evoluções temporais das interações em soluções aquosas diluídas de N-óxido de trimetilamina (TMAO) e álcool terc-butílico (TBA) foram analisadas por meio de simulações de dinâmica molecular ab initio aceleradas com a teoria molecular de fragmentos. Sabe-se que TMAO e TBA têm estruturas semelhantes, mas funções fisiológicas opostas para estabilizar e desestabilizar proteínas. Foi esclarecido que TMAO induziu polarização estável e interações de transferência de carga com moléculas de água perto do grupo hidrofílico, e moléculas de água foram capturadas mesmo perto do grupo CH3–. Aqueles devem afetar a estabilização da proteína. Compreender a dinâmica da solução contribuirá para o design de chaperonas artificiais na medicina de próxima geração.

Pequenos solutos orgânicos nas células têm vários efeitos nas proteínas. Por exemplo, o N-óxido de trimetilamina (TMAO, Fig. S1a), que consiste em grupos N+O− e metil (CH3–), foi encontrado em peixes de águas profundas e é um osmólito conhecido que preserva as funções fisiológicas das proteínas1 . Os efeitos são frequentemente comparados com os íons como (CH3)4 N+ e PO43− que são mais capazes de estruturar a água na série Hofmeister2. No entanto, o mecanismo de preservação da pressão osmótica ainda está em debate; as explicações propostas incluem uma interação direta atraente entre TMAO e proteínas2 ou interações indiretas por meio de mudanças estruturais de uma solução aquosa como um agregado molecular3,4. Se o mecanismo pelo qual o TMAO permite a preservação funcional fisiológica em proteínas for esclarecido, isso traria contribuições científicas fundamentais para, por exemplo, a próxima geração de medicamentos ao acelerar o desenvolvimento de chaperonas artificiais e compreender o mecanismo da aterosclerose.

A química biofísica e a dinâmica de solução de soluções aquosas de TMAO foram extensivamente investigadas do ponto de vista experimental5,6,7,8,9,10,11,12,13,14. A espectroscopia vibracional e de ressonância magnética nuclear indicou que os grupos N+O− e CH3– do TMAO retardam a dinâmica das moléculas de água em uma solução e que os grupos N+O− têm uma capacidade notável de capturar moléculas de água5,6,7, 10,11,13. Esses resultados foram cuidadosamente discutidos por simulações de dinâmica molecular baseadas em campos de força clássicos3,15,16,17,18. No entanto, é sabido que os resultados dependem da escolha do campo de força. Assim, simulações de dinâmica molecular ab initio (AIMD) são essenciais para explicar os resultados experimentais com precisão e projetar a capacidade de regulação da pressão osmótica artificialmente. Embora existam várias simulações de Born-Oppenheimer AIMD de ordem subpicosegundo com a teoria do funcional da densidade19,20,21,22,23,24, estudos anteriores não revelaram a interação intermolecular, que é a origem físico-química das funções moleculares. Além disso, devido aos altos custos computacionais das simulações AIMD anteriores, os sistemas-alvo foram limitados a tamanhos pequenos e as concentrações (acima de 0,5 mol L−1) foram muito maiores do que as condições naturais (ou seja, aquelas em peixes de profundidade ).

O objetivo deste estudo é esclarecer a flutuação eletrônica e a evolução temporal das interações intermoleculares em solução aquosa de TMAO com uma condição realista de concentração. Para esse propósito, focamos nas interações soluto-solvente e aplicamos a simulação de dinâmica molecular potencial de fragmento eficaz ab initio (EFP-MD), que é particularmente adequada para realizar simulações AIMD de ordem de nanossegundos para sistemas contendo vários milhares de átomos25,26,27 ,28,29,30, para soluções aquosas diluídas de TMAO (0,18 mol L−1). Para comparação, uma solução aquosa diluída de álcool terc-butílico (TBA, Fig. S1b), conhecida como desnaturante de proteínas5,6,16, também foi investigada.