Estructura conformacional de pequeños péptidos conteniendo prolina usando cálculos cuánticos y de dinámica molecular

Abstract

La prolina es un aminoácido con características particulares, debidas principalmente a la restricción conformacional otorgada por el anillo prirrolidínico. En este trabajo, analizamos la estabilidad del aminoácido y su zwitterión en vacío y en medio acuoso. Se analizaron también distintos dipéptidos con y sin prolina en las conformaciones cis y trans (en vacío y en medio acuoso). Finalmente se analizaron tri y tetrapétidos relacionados con las estructuras PII de colágeno y poliglicina, también en vacío y en medio acuoso. Se utilizaron, para los sistemas en vacío, cálculos UHF utilizando la base gaussiana 3-21G. Para los sistemas en medio acuoso se realizaron simulaciones de dinámica molecular clásica. Para todos los sistemas, se realizaron además, optimizaciones de geometría a través del método de gradientes conjugados. El zwitterión resultó inestable para todas las geometrías estudiadas que incluyeron hasta cuatro moléculas de agua. Se encontró que las repulsiones entre nubes electrónicas de átomos no enlazados son las responsables de que, en dipéptidos sin prolina, la conformación trans sea prácticamente la única que se encuentra experimentalmente, mientras que para dipéptidos con prolina dichas repulsiones están presentes tanto en cis como en trans, explicando por qué se observan ambas experimentalmente. Se encontró también que la poliglicina es estable en vacío, pero se desestabiliza en medio acuoso, mientras que una hebra de colágeno se revela estable tanto en vacío como en medio acuoso.

Proline is a particular aminoacid because of the conformational restriction of the pyrroldinic ring. In this work, we analyzed normal proline and zwitterion stability, in vacuum and in aqueous solution. Several dipeptides with and without proline in trans and cis conformation were analyzed (also in vacuum and in aqueous solution). Finally, tri and tetrapeptides related to PII and collagen structures were analyzed, always in vacuum and in solution. We have used UHF calculations using the 3-21G gaussian basis set for the systems in vacuum. For the systems in aqueous solution, classic molecular dynamics simulations were performed. For all systems, geometric optimizations using conjugate gradient method were also performed. Proline’s zwitterion becomes unstable for all studied geometries and systems that included up four water molecules. Repulsion among electronic clouds of neighboring, nonbonded atoms were found responsible for the experimentally observed cis and trans conformation: dipeptides without proline appear only with the trans conformation whereas dipeptides with proline may exist in both conformations. It was also found that the polyglycine is stable in vacuum but unstable in aqueous solution, while one collagen’s strand reveals to be stable in vacuum as well as in aqueous solution.