A Theoretical Case Study of Type I and Type II β-Turns

Authors


  • Toward Direct Determination of Conformations of Protein Building Units from Multidimensional NMR Experiments, Part IV; for part III see: Eur. Phys. J. D2002, 20, 573

Abstract

NMR chemical shielding anisotropy tensors have been computed by employing a medium size basis set and the GIAO-DFT(B3LYP) formalism of electronic structure theory for all of the atoms of type I and type II β-turn models. The models contain all possible combinations of the amino acid residues Gly, Ala, Val, and Ser, with all possible side-chain orientations where applicable in a dipeptide. The several hundred structures investigated contain either constrained or optimized ϕ, ψ, and χ dihedral angles. A statistical analysis of the resulting large database was performed and multidimensional (2D and 3D) chemical-shift/chemical-shift plots were generated. The 1Hα-13Cα, 13Cα-1Hα-13Cβ, and 13Cα-1Hα-13C′ 2D and 3D plots have the notable feature that the conformers clearly cluster in distinct regions. This allows straightforward identification of the backbone and side-chain conformations of the residues forming β-turns. Chemical shift calculations on larger For-(L-Ala)n-NH2 (n=4, 6, 8) models, containing a single type I or type II β-turn, prove that the simple models employed are adequate. A limited number of chemical shift calculations performed at the highly correlated CCSD(T) level prove the adequacy of the computational method chosen. For all nuclei, statistically averaged theoretical and experimental shifts taken from the BioMagnetic Resonance Bank (BMRB) exhibit good correlation. These results confirm and extend our previous findings that chemical shift information from selected multiple-pulse NMR experiments could be employed directly to extract folding information for polypeptides and proteins.

Abstract

A GIAO-DFT(B3LYP) formalizmus és közepes méretű bázis segítségével NMR árnyékolási tenzor számításokat végeztünk az I-es és II-es típusú β-kanyarok összes atomjára. A dipeptid β-kanyar modellek Gly, Ala, Val és Ser aminosavakat tartalmaztak az összes lehetséges kombinációban, a Val és Ser esetén a lehetséges oldallánc-orientációk figyelembe vétele mellett. A vizsgált több száz modellt rőgzített ill. optimált ϕ és ψ diéderes szögek jellemzik. Elvégeztük a létrejött hatalmas adatbázis statisztikai elemzését és több-dimenziós (2D és 3D) kémiai eltolódás- kémiai eltolódás korrelációs térképeket készítettünk. A 1Hα-13Cα és 13Cα-1Hα-13Cβ, 13Cα-1Hα-C′ 2D és 3D térképek fontos sajátsága, hogy a különböző konformerek egyértelműen elkülönült régiókat alkotnak. Ez a sajátság a β-kanyarokat alkotó aminosavak gerinc- (és sok esetben az oldallánc-) konformereinek egyértelmő meghatározását teszi lehetővé. A választott modell megfelelöségét a nagyobb For-(L-Ala)n-NH2 (n=4, 6, 8) modellekre - melyek I-es és II-es típusú β-kanyarokat tartalmaztak - végzett kémiai eltolódás számítások eredményei bizonyítják. A számítási eljárás megfelelőségét az elektronkorrelációt magas szinten figyelembe vevő GIAO-CCSD(T) szinten számított kémiai eltolódás értékek támasztják alá. Az elméleti és kísérleti (a BioMagneticResonanceBank-ban (BMRB) elhelyezett) kémiai eltolódás értékek statisztikai átlagai minden magra kiváló korrelációt mutatnak. Az új eredmények megerősítik és egyben kiterjesztik korábbi megfigyelésünket: helyesen kiválasztott több-dimenziós NMR mérésekből adódó kémiai eltolódás értékek közvetlenül alkalmazhatók polipeptidek és proteinek térszerkezetének meghatározására.

Ancillary