原文
，卷:10(1)

• 查看PDF
• 下载

阿尔茨海默淀粉样蛋白b肽Ab40和Ab42反应位点的计算预测

*通信:

丹尼尔Glossman-Mitnik环境与能源部，纳米宇宙虚拟实验室，吉娃娃工业园区，墨西哥
电话:+ 526144391151;电子邮件: (电子邮件保护)

摘要

阿尔茨海默病是一种晚期神经综合征，与细胞外老年斑的存在有关。细胞外老年斑主要由40-42个氨基酸残基组成，其中多肽被鉴定为b肽。化学反应理论与MEDT(分子电子密度理论)和概念DFT一起被用来确定描述符，允许预测反应的部位阿尔茨海默amyloid - peptide Ab40和Ab42通过QM:MM计算与ONIOM方法。

关键字

老年痴呆症;淀粉样蛋白b-peptides;Ab40;Ab42;计算化学;分子建模;DFT概念;化学反应理论

简介

氨基酸的氨基之间的非酶促反应，肽蛋白质和还原性碳水化合物被称为糖基化。一系列的反应导致AGEs(晚期糖基化终产物)的形成。这些分子与某些疾病有关，如糖尿病、帕金森症和阿尔茨海默病。蛋白质的非酶糖基化与糖尿病的重要原因有关阿尔茨海默以及糖尿病并发症。我们认识到糖基化包括蛋白质中赖氨酸的电子氨基的反应。

氨基直接的化学环境控制糖基化反应。几年前，[1，2研究了几个肽A的b40和Ab42类。它们的基本结构肽DAEFRHDSGYEVHHQKLVF-FAEDVGSNKGAIILGLMVGGVVIA。这两者的主要区别肽是c端二肽的缺失或存在(例如两个疏水残基Ile41-Ala42)。该二肽已被描述为对a有显著作用b(1-40)和Ab(1-42)寡聚率及机理。因此，了解每一种的分子细节是至关重要的物种在早期Ab组合中进行连贯的治疗设计，以抑制阿尔茨海默病。

因此，有必要开发一种计算和理论工具，以帮助预测不同Ab的理想糖基化位点肽因为它们可以帮助AGE抑制剂的发展[3.］．这项工作的目标是研究糖基化的位点肽通过计算各种概念DFT描述子，如Fukui函数指数、亲核和亲电Parr函数以及压缩对偶描述子Df(r) [4］．由于首选糖基化位点与质子化反应的位点相同，计算结果将允许我们定性地预测两种多肽之间赖氨酸残基的pKa变化。

理论框架

由于这项工作是一个正在进行的项目的一部分，理论背景与以前的研究相似[5-11]，为了完整起见，将在这里展示。化学势米在DFT的理论背景下被很好地定义为:在哪里c表示电负性[12，13］．另一方面，全球硬度h是:通过有限差分近似，两个表达式可以写成:c=0.5 (I+A)和h=(我)。I和A分别代表电离势和电子亲和度。的亲电性索引w被定义为[14］:w＝米²/ 2h= (I + 1)²/ 4(我)。

电接受(w⁺)及电捐(w)权力表述为:[15]w⁺=(我+ 3)²/16(I A)和w=我(3 +)²/16(I A).的较大值w⁺值对应于接受电荷的能力增强，而较小的w值使其成为更好的电子供体。推荐的净亲电性定义如下[16]对w+和w作比较:Dw=w+ (w)=w++w，即给电功率和受电功率的关系。

设置和计算方法

按照我们之前工作的思路，[5-11]淀粉样b肽的分子结构从现成的PDB结构开始优化)，[17]以及利用Avogadro 1.2.0程序寻找最稳定的构象[18，19]通过分子力学的随机采样技术，并通过一般AMBER力场考虑所有扭转角度[20.］．

中性的能量，积极的和消极的肽均在通过ONIOM方法进行的QM:MM计算框架内获得[21]，根据SMD的溶剂化情况进行IEF-PCM计算模型［22］．对于QM区域，MN12SX密度泛函[23]与Def2TZVP基集相关联[24，25］．所有的onom计算都是用高斯09 [26]系列节目。

结果与讨论

表1表示电离势I和电子亲和度A(以eV为单位)，以及全局电负性c，总化学硬度h，全局亲电性w，electrodonating权力,(w)，电接受功率(w⁺)，以及优化的淀粉样b肽A构象的净亲电性Dwb40和Ab42采用ONIOM方法(MN12SX/Def2TZVP:Amber)，以水为溶剂，用IEF-PCM模型的SMD参数化模拟。

表1。电离势I和电子亲和度A (eV)，整体电负性c，总化学硬度h，整体亲电性w，电供能，(w)，电接受功率(w⁺)，以及优化的淀粉样b肽A构象的净亲电性Dwb40和Ab42采用ONIOM方法(MN12SX/Def2TZVP:Amber)，以水为溶剂，用IEF-PCM模型的SMD参数化模拟。

在一个分子内，浓缩的福奎函数可以用来定义每个原子的化学反应性。压缩后的Fukui函数如下:对于亲核攻击，对于亲电攻击，f_k=问_k(N)问_k(N 1)，对于激进攻击，问在哪里_k表示分子对k原子的总电荷。缩合对偶描述子的定义为［27，28］．我们可以从Fukui函数给出的分析中注意到，双重描述符符号对于描述分子中亲电或亲核攻击方向上的反应位点是重要的。这意味着亲核攻击的理想反应位点将是与Df相关的位点_k>0，而亲电攻击的情况下，方向偏向Df_k< 0 (27-29］．

2014年，Domingo提出了Parr函数P(r) [30.，31，由以下表达式给出:P (r) = r^{钢筋混凝土}_年代(r)(亲电攻击)和P⁺= r (r)^{类风湿性关节炎}_年代(r)(亲核攻击)，分别与给定分子的自由基阳离子或阴离子的r原子上的原子自旋密度(ASD)有关。分子中每个自由基阳离子和自由基阴离子原子上的ASD产生局部亲核磷_k亲电性P⁺_k中性分子的Parr函数[32］．

表2为压缩的Fukui函数f_k，缩合对偶描述子dfk和亲电Parr函数P_kf除以A淀粉样体赖氨酸残基氨基的N个原子b40和Ab42肽采用niom方法(MN12SX/Def2TZVP:Amber)，以水为溶剂，用IEF-PCM的SMD参数化模拟模型载于表2．

表2。压缩福井函数fk，压缩对偶描述符D f_k亲电Parr函数P_kf除以淀粉样蛋白Ab40和A的赖氨酸残基氨基的N个原子b42肽以水为溶剂，采用IEF-PCM模型的SMD参数化模拟，采用ONIOM方法(MN12SX/Def2TZVP:Amber)进行计算。MPA: Mulliken种群分析- hpa: Hirshfeld种群分析。

从考试的结果来看表1和表2，可以得出两种多肽的化学反应性没有显著差异。然而，糖基化位点也是质子化的首选位点。因此，Lys残基的pKa也依赖于肽构象结构。此外，不同构象的pKa趋势可以根据局部超柔软性(LHS)来预测，LHS是一个局部反应性描述符，已被定义，因此可以根据分子的大小来测量局部反应性[33, 34]。方程表示为LHS D f (r)/h²df (r) S²式中，S代表全球软度[4，35，36］．

由于局部超柔度可以在原子位置上被压缩，因此可以简单地用LHS的f来计算⁺_kf_k(我)²．

通过考虑压缩对偶描述子Df的值_k从表2和化学硬度的值h从表1，可以预测A的Lys残基的pKab42会比A对应位置的pKa略高b40.这种差异可归因于c端二肽的存在，并可能与A的机制和速率有关b(1-40)和Ab(1-42)寡聚化。

结论

本文研究了阿尔茨海默病淀粉样蛋白b的反应位点肽一个b40和Ab应用化学反应理论、概念DFT和分子电子密度理论(MEDT)预测确定了42个。淀粉样b肽是细胞外老年斑的主要成分，老年斑是阿尔茨海默病的一个迹象。此外，本文还研究了A的结构和参与情况b40和Ab42肽糖基化、糖基化位点、寡聚率和机制等方面的研究，以了解它们在阿尔茨海默病中的作用。在一定程度上，确定化学反应位点的动机是为了了解AGE抑制剂的发展。

化学反应位点的确定是通过使用水作为溶剂的onom方法进行QM:MM计算而实现的。该方法还用于计算正极、负极和中性肽的能量。在QM区域选择MN12SX密度泛函，在MM区域考虑琥珀力场，并按照高斯09程序进行计算。

从本工作中提出的全部结果可以看出，淀粉样蛋白b-肽A的相互作用位点b40和Ab42可以用基于dft的反应性描述符进行预测，如电负性、整体化学硬度、整体亲电性、给电和电接受功率、净亲电性以及Fukui函数、压缩对偶描述符、Parr函数和局部超软LHS。这些描述符被用于描述并成功地描述了首选的反应位点，并为这些分子的反应性以及两种肽的相应Lys残基的pKa变化提供了有力的解释。

确认

这项工作得到了CIMAV, SC和国家科学技术委员会(CONACYT，墨西哥)的部分支持，包括基础科学研究拨款219566/2014和国外休假拨款265217/2016。Daniel Glossman-Mitnik在巴利阿里群岛大学担任休假研究员期间进行了这项工作，感谢该大学的支持。这项工作由教育部共同资助经济竞争力(MINECO)和欧洲区域发展基金(FEDER) (CTQ2014-55835-R)。

参考文献

1. 李志强，李志强，李志强，等。野生型和氧化型植物的分子动力学比较研究阿尔茨海默淀粉样β-肽Aβ(1-40)和Aβ(1-42)。中国化学工程学报，2008;29(3):344 - 344。
2. Lee C, Ham S.淀粉样蛋白的特征?beta protein misfolding from molecular dynamics simulations with explicit water. J Comput chem. 2011;32(2):349-55.
3. Riek R, Güntert P, Döbeli H，等。核磁共振水溶液中的研究未能确定两种单体形式之间的显着构象差异阿尔茨海默肽斑块差异很大?competence, Aβ (1-40) ox and Aβ (1-42) ox. Eur J Biochem. 2001;268(22):5930-6.
4. 帕尔RG。原子和分子的密度泛函理论。在量子化学的视野1980 (pp. 5-15)。荷兰施普林格。
5. 用M06计算柚皮素化学反应性的比较家庭密度泛函。化学通报，2013;7(1):155-61。
6. Martínez-Araya JI，萨尔加多-莫拉?n G, grossman - mitnik D. oxicams概念DFT指数和化学反应性的计算纳米化学报告。中国化学工程学报，2013;29(4):457 - 457。
7. 罗丹明B分子化学反应性质的计算研究。计算机科学进展。2013;18:816-25。
8. Martínez-Araya JI, Salgado-Morán G，舌斯曼-米特尼克D.计算营养学:基于概念DFT的类黄酮柚皮化学反应性研究。化学学报。2013;2013:1-8。
9. DFT化学反应性理论在prunin类黄酮研究中的应用。中国生物医学工程学报，2014,3(4):344 - 344。
10. 天然产物的计算化学:用M06计算异纳灵素化学反应性的比较家庭密度泛函。J Mol模型。2014; 20(7): 2316。
11. Frau J, Muñoz F，光士曼-米特尼克D.顺式和反式白藜芦醇化学反应性的分子电子密度理论研究。分子。2016;21(12):1650。
12. 杨伟。化学反应性边界电子理论的密度泛函方法。我是化学社会。106(14): 4049 - 1984; 50。
13. 葛林斯，德普罗夫特，朗格纳克，概念密度泛函理论。化学通报2003;103(5):1793-874。
14. 刘世峰，刘志刚，刘志刚。我是化学社会。1999; 121:1922-4。
15. Gázquez杨晓明，王晓明，王晓明。电给电接受电源。中国物理学报，2007;26(10):366 - 366。
16. Chattaraj PK, Chakraborty A, Giri S.网亲电性。中国化学工程学报，2009;26(3):344 - 344。
17. Berman H, Henrick K, Nakamura H.宣布全球蛋白质数据库。中国生物化学学报(自然科学版)2003;10(12):980。
18. 阿伏伽德罗(互联网)。开源分子构建器和可视化工具1.2.0版本[引用于:2016年12月02日]。检索自:[http://avogadro.openmolecules.net。]
19. Hanwell MD, Curtis DE, Lonie DC，等。Avogadro:一个先进的语义化学编辑器、可视化和分析平台。J化学通知。2012; 4(1): 17。
20. 王娟，狼RM，考德威尔JW，等。通用琥珀力场的开发与测试。计算化学，2004;25(9):1157-74。
21. 郑文伟，王晓明，王晓明，等。onom方法及其应用。化学学报，2015;26(12):564 - 564。
22. Marenich AV, Cramer CJ, Truhlar DG。普遍的溶剂化作用模型基于溶质电子密度和连续介质模型溶剂的性质由体介电常数和原子表面张力决定。化学工程学报。2009;38(6):379 - 379。
23. Peverati R, Truhlar DG。筛选交换密度泛函具有广泛的准确性化学和固体物理。物理化学学报，2012;14(47):16187-91。
24. 韦根德F, Ahlrichs R. H到Rn的分裂价、三价和四价质量的平衡基集:准确性的设计和评估。物理化学学报，2005;7(18):3297-305。
25. H到Rn的精确库仑拟合基集。物理化学学报，2006;8(9):1057-65。
26. Frisch MJ, Trucks GW, Schlegel HB，等。修订D.01。高斯公司，沃灵福德CT, 2009。
27. 莫雷尔C，大A, Toro-Labbé A.新的双描述子化学反应。化学学报(英文版);2005;
28. 莫雷尔C, Grand A, Labbé AT。使用Δf(r)描述符的理论支持。化学物理。2006年,425(4):342 - 6。
29. Gazquez杰。在化学反应理论中:密度泛函观点;查塔拉杰P. K . Ed. CRC出版社-泰勒和弗朗西斯集团:博卡拉顿，佛罗里达州，2009;第二章，第7-21页。
30. 多明戈LR, Pérez P, Sáez JA。通过亲电和亲核Parr函数理解极性有机反应的局部反应性。科学进展。2013;3(5):1486-94。
31. 查莫罗E, Pérez P，多明戈LR。用Parr函数的性质来预测有机极性反应中反应最活跃的位点。化学物理。2013; 582:141-3。
32. 李国强，杨晓明，Ríos-Gutiérrez M, Pérez P.密度泛函理论指标在有机化学反应性中的应用。分子。2016;21(6):748。
33. 艾尔斯，莫雷尔C，德普罗夫特F，葛林斯P.利用电子密度变化理解伍德沃德-霍夫曼规则。chemistry - eur J. 2007 10月5日;13(29):8240-7。
34. Cárdenas C, Rabi N, Ayers PW，等。双亲试剂的化学反应性描述符:双描述符，局部超柔软性和静电势。中国物理学报，2009;29(3):344 - 344。
35. 皮尔森RG。最大硬度原理。化学硬度。1993;1:99-124。
36. 密度泛函理论中的化学反应性指标。中国计算机科学。1999;20(1):129-54。