Questo lavoro è stato sostenuto dalla sovvenzione di ricerca codice 1107-844-67943 del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación (Minciencias) e dell'Università di Cartagena (Colombia) per la sovvenzione a sostegno dei gruppi di ricerca 2021 e Acta 017-2022.

Analisi strutturale in silico della carbonilazione delle proteine da parte di derivati lipidici

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	<li>Cornell, W. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+second+generation+force+field+for+the+simulation+of+proteins,+nucleic+acids,+and+organic+molecules.">A second generation force field for the simulation of proteins, nucleic acids, and organic molecules.</a> J Am Chem Soc. 117 (19), 5179-5197 (1995).</li><li>Wang, J., Wolf, R. M., Caldwell, J. W., Kollman, P. A., Case, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+and+testing+of+a+general+amber+force+field.">Development and testing of a general amber force field.</a> J Comput Chem. 25 (9), 1157-1174 (2004).</li><li>Brooks, B. 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S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Benchmarking+electronic+structure+methods+for+accurate+fixed-charge+electrostatic+models.">Benchmarking electronic structure methods for accurate fixed-charge electrostatic models.</a> J Chem Info Model. 60 (1), 249-258 (2020).</li><li>G&#281;gotek, A., Skrzydlewska, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biological+effect+of+protein+modifications+by+lipid+peroxidation+products.">Biological effect of protein modifications by lipid peroxidation products.</a> Che Phys Lipids. 221, 46-52 (2019).</li><li>Moldogazieva, N. T., Zavadskiy, S. P., Astakhov, D. V., Terentiev, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lipid+peroxidation:+Reactive+carbonyl+species,+protein/DNA+adducts,+and+signaling+switches+in+oxidative+stress+and+cancer.">Lipid peroxidation: Reactive carbonyl species, protein/DNA adducts, and signaling switches in oxidative stress and cancer.</a> Biochem Biophys Res Comm. 687, 149167 (2023).</li></ol>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Uno dei passaggi critici nello sviluppo del protocollo di parametrizzazione AMBER è stata l'ottimizzazione quantistica dei nuovi residui amminoacidici modificati con i derivati della perossidazione lipidica, a causa della variabilità energetica correlata alla minimizzazione e al modo di assegnare le cariche RESP nell'anticamera AMBER. A tal fine, i metodi di ottimizzazione ab initio con Hartree-Fock (HF/6-31G) e la teoria semiempirica del funzionale della densità (DFT; B3LYP/6-31G e M062X/6-31G) per valutare ...

Nella costante ricerca della comprensione del comportamento molecolare delle proteine con modificazioni ossidative, la chimica computazionale è diventata un pilastro fondamentale nell'ampio campo della ricerca scientifica. Questo si basa sull'uso di modelli teorici in grado di interpretare i fenomeni fisici nei sistemi elettronici, utilizzando equazioni matematiche per descrivere il comportamento atomico delle molecole. All'interno di questo panorama, le simulazioni computazionali di proteine si distinguono come strumenti cruciali per analizzare il comportamento atomico dei sistemi molecolari. Sulla base della valutazione del comportamento strutturale, dei calcoli energetici e degli stati conformazionali1, questi metodi diventano alleati strategici per prevedere il comportamento dei sistemi biomolecolari.
Queste simulazioni sono specializzate nello studio dei cambiamenti strutturali e nella valutazione della perdita o dell'aumento delle funzioni biologiche nei sistemi proteici. Tuttavia, gli approcci computazionali hanno mostrato limitazioni significative quando applicati a sistemi proteici contenenti residui modificati formati da modifiche post-traduzionali covalenti nella sequenza. Questo perché molti metodi disponibili mancano di risorse con parametri adattabili a campi di forza compatibili con i più comuni pacchetti di programmi per simulazioni di dinamica molecolare delle proteine 2,3,4,5,6. Pertanto, la standardizzazione dei parametri adattivi del campo di forza compatibili con il software computazionale è essenziale per facilitare l'accoppiamento preciso di topologie e coordinate atomiche con l'equazione che governa l'energia potenziale del sistema7.
In risposta a queste sfide, è stato sviluppato un protocollo adattabile a nuovi residui di amminoacidi modificati con aldeidi derivate dalla perossidazione lipidica utilizzando metodi ab initio . In questo senso, l'ottimizzazione della geometria strutturale dei nuovi residui consente l'assegnazione di cariche adattative a nuovi parametri di legame, angolo e diedro che possono essere eseguiti in campi di forza generali come l'AMBER. La successiva validazione di questi parametri permette di determinare la consistenza e la robustezza del metodo applicabile alle simulazioni di dinamica molecolare.
Uno dei notevoli punti di forza di questo metodo risiede nella sua capacità di adattarsi a diverse modifiche post-traduzionali, dalla carbonilazione alla fosforilazione, all'acetilazione e alla metilazione, tra le altre. Questa versatilità non si limita solo ai sistemi proteici, ma si estende alle strutture macromolecolari, consentendo l'accoppiamento con topologie atomiche e coordinate. Al contrario, studi precedenti rivelano che la parametrizzazione standard delle modifiche post-traduzionali è adatta solo a un tipo specifico di modifica e può essere ottenuta solo da repository pubblicati, privi della capacità di creare nuove strutture8.
Attualmente, le sfide nella previsione e nella progettazione della struttura delle proteine stanno diventando più evidenti quando si modellano strutture con modifiche post-traduzionali. La scarsità di parametri che descrivono le alterazioni in specifici siti di amminoacidi sottolinea l'urgente necessità di sviluppare e applicare metodi computazionali che possano essere adattati a parametrizzazioni standard. Lo scopo di questo protocollo è quello di fornire una via per la costruzione in silico di nuovi parametri per amminoacidi modificati covalentemente con specie carboniliche reattive derivate dall'ossidazione degli acidi grassi. Questi amminoacidi modificati sono riconosciuti dal campo di forza ambrato generale (GAFF) e possono, quindi, essere utilizzati per valutare in silico gli effetti strutturali e funzionali che questo tipo di carbonilazione ha sulle loro proteine bersaglio.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>AmberTools16 or Upper</td>
			<td>The Amber Project</td>
			<td></td>
			<td>Amber is a suite of biomolecular simulation programs</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gaussian 09 or Upper</td>
			<td>Gaussian Inc</td>
			<td></td>
			<td>Draw and optimize structures</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Linux Ubuntu</td>
			<td>GNU/Linux</td>
			<td></td>
			<td>Platform for AmberTools</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NVIDIA GPUs GTX 1080 or Upper</td>
			<td>Nvidia</td>
			<td></td>
			<td>Compatible with PMEMD</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

synthesizing amino acids modified with reactive carbonyls in silico to assess structural effects using molecular dynamics simulations

La carbonilazione delle proteine da parte delle aldeidi reattive derivate dalla perossidazione lipidica porta alla reticolazione, all'oligomerizzazione e all'aggregazione delle proteine, causando danni intracellulari, alterazione delle funzioni cellulari e, infine, morte cellulare. È stato descritto nell'invecchiamento e in diverse condizioni croniche legate all'età. Tuttavia, la base dei cambiamenti strutturali legati alla perdita di funzione nei bersagli proteici non è ancora ben compresa. Quindi, viene descritto un percorso per la costruzione in silico di nuovi parametri per amminoacidi carbonilati con specie carboniliche reattive derivate dall'ossidazione degli acidi grassi. Gli addotti di Michael per Cys, His e Lys con 4-idrossi-2-nonenale (HNE), 4-idrossi-2-esenale (HHE) e una forma ad anello furanico per 4-Oxo-2-nonenale (ONE), sono stati costruiti, mentre la malondialdeide (MDA) è stata direttamente attaccata a ciascun residuo. Il protocollo descrive i dettagli per la costruzione, l'ottimizzazione della geometria, l'assegnazione delle cariche, i legami mancanti, gli angoli, i parametri degli angoli diedri e la sua convalida per ogni struttura di residuo modificata. Di conseguenza, gli effetti strutturali indotti dalla carbonilazione con questi derivati lipidici sono stati misurati mediante simulazioni di dinamica molecolare su diversi sistemi proteici come l'enzima tioredossina, l'albumina sierica bovina e il dominio Zu-5-ankyrin di membrana che impiegano la deviazione quadratica media (RMSD), la fluttuazione quadratica media (RMSF), la previsione secondaria strutturale (DSSP) e l'analisi dell'area superficiale accessibile al solvente (SASA). tra gli altri.

In the constant pursuit of understanding the molecular behavior of proteins with oxidative modifications, computational chemistry has become a fundamental pillar in the broad field of scientific research. This relies on the use of theoretical models capable of interpreting physical phenomena in electronic systems, using mathematical equations to describe the atomic behavior of molecules. Within this landscape, computational simulations of proteins stand out as crucial tools to analyze the atomic behavior of molecular systems. Based on the evaluation of structural behavior, energetic calculations, and conformational states1, these methods become strategic allies to predict the behavior of biomolecular systems.
These simulations specialize in studying structural changes and assessing the loss or gain of biological functions in protein systems. However, computational approaches have shown significant limitations when applied to protein systems containing modified residues formed by covalent post-translational modifications in the sequence. This is because many available methods lack resources with parameters adaptable to force fields that are compatible with the most common packages of programs for molecular dynamics simulations of proteins2,3,4,5,6. Therefore, the standardization of computational software-compatible force-field adaptive parameters is essential to facilitate the precise coupling of topologies and atomic coordinates with the equation governing the potential energy of the system7.
In response to these challenges, a protocol adaptable to new modified amino acid residues with aldehydes derived from lipid peroxidation has been developed using ab initio methods. In that sense, the optimization of the structural geometry of the new residues allows the assignment of adaptive charges to new bond, angle, and dihedral parameters that can be run in general force fields such as AMBER. Subsequent validation of these parameters allows the determination of the consistency and robustness of the method applicable to molecular dynamics simulations.
One of the notable strengths of this method lies in its ability to adapt to diverse post-translational modifications, from carbonylation to phosphorylation, acetylation, and methylation, among others. This versatility is not only limited to protein systems but extends to macromolecular structures, allowing coupling with atomic topologies and coordinates. In contrast, previous studies reveal that the standard parameterization of post-translational modifications is only suited to a specific type of modification and can only be obtained from published repositories, lacking the ability to create new structures8.
Currently, challenges in protein structure prediction and design are becoming more evident when modeling structures with post-translational modifications. The scarcity of parameters describing alterations at specific amino acid sites underlines the urgent need to develop and apply computational methods that can be adjusted to standard parameterizations. The aim of this protocol is to provide a route for the in silico construction of new parameters for amino acids covalently modified with reactive carbonyl species derived from fatty acid oxidation. These modified amino acids are recognized by the general amber force field (GAFF) and can, therefore, be used to evaluate in silico the structural and functional effects that this kind of carbonylation has on their target proteins.

Autore in primo piano: Creazione in silico e impatto degli amminoacidi carbonilati sulla struttura e la funzione delle proteine

Sintesi di amminoacidi modificati con carbonili reattivi in silico per valutare gli effetti strutturali utilizzando simulazioni di dinamica molecolare 

Per illustrare l'attuazione del protocollo e valutarne i risultati, verranno prese in considerazione le seguenti analisi. Il set di dati generato dall'assegnazione di nuovi parametri ai residui di amminoacidi modificati è stato costruito sulla base dell'ottimizzazione delle strutture elettroniche, che sono state supportate per carichi parziali di RESP. La Figura 9 mostra la conformazione strutturale di uno dei residui amminoacidici ottimizzati con l'assegnazione dei parametri.
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Read this Scientific Article Protocol about Author Spotlight: In Silico Creation and Impact of Carbonylated Amino Acids on Protein Structure and Function at JoVE.com

Qui, descriviamo un protocollo per l'ottimizzazione e la parametrizzazione di residui amminoacidici modificati con specie carboniliche reattive, adattabili a sistemi proteici. Le fasi del protocollo includono la progettazione e l'ottimizzazione della struttura, l'assegnazione delle cariche, la costruzione dei parametri e la preparazione dei sistemi proteici.

Protein carbonylation by reactive aldehydes derived from lipid peroxidation leads to cross-linking, oligomerization, and aggregation of proteins, causing ...

Il nostro lavoro mostra un percorso per la creazione in silico di amminoacidi carbonilati con prodotti finali di perossidazione lipidica e su come incorporarli in una proteina. Questo può aiutarci a capire come questa modificazione post-traduzionale possa alterare la funzione strutturale delle proteine carbonilate. I programmi basati su algoritmi di intelligenza artificiale sono oggi gli strumenti computazionali più potenti per prevedere la struttura terziaria delle proteine.Tuttavia, non riconoscono ancora gli amminoacidi carbonilati e quindi non possono prevedere i loro effetti sulla struttura delle proteine. Per studiare l'impatto della modificazione post-traduzionale sulla struttura e la funzione di una proteina, è disponibile un'ampia gamma di metodi parametrici che vengono combinati con approcci computazionali per accelerare e approfondire la scoperta desiderata. Ci sono sfide importanti che devono essere affrontate nello studio della modificazione post-traduzionale delle proteine, sia in vivo, in vitro, sia in silico.A livello in silico, è ancora necessario il miglioramento dei campi di forza e dei programmi di analisi dei dati, insieme alla creazione di nuovi parametri. A causa dell'aumento delle proteine carbonilate nelle infezioni metaboliche e nelle malattie legate all'invecchiamento, tra molte altre, i nostri risultati possono contribuire a comprendere il cambiamento strutturale che si verifica in questo e come questo può influenzare la funzione in silico

synthesizing-amino-acids-modified-with-reactive-carbonyls-silico-to

Research

JoVE Journal

Biochemistry

Synthesizing Amino Acids Modified with Reactive Carbonyls in Silico to Assess Structural Effects Using Molecular Dynamics Simulations

206 Views.  University of Cartagena. Il nostro lavoro mostra un percorso per la creazione in silico di amminoacidi carbonilati con prodotti finali di perossidazione lipidica e su come incorporarli in una proteina. Questo può aiutarci a capire come questa modificazione post-traduzionale possa alterare la funzione strutturale delle proteine carbonilate. I programmi basati su algoritmi di intelligenza artificiale sono oggi gli strumenti computazionali più potenti per prevedere la struttura terziaria delle proteine.Tuttavia...

Video: Autore in primo piano: Creazione in silico e impatto degli amminoacidi carbonilati sulla struttura e la funzione delle proteine

Protein carbonylation by reactive aldehydes derived from lipid peroxidation leads to cross-linking, oligomerization, and aggregation of proteins, causing intracellular damage, impaired cell functions, and, ultimately, cell death. It has been described in aging and several age-related chronic conditions. However, the basis of structural changes related to the loss of function in protein targets is still not well understood. Hence, a route to the in silico construction of new parameters for amino acids carbonylated with reactive carbonyl species derived from fatty acid oxidation is described. The Michael adducts for Cys, His, and Lys with 4-hydroxy-2-nonenal (HNE), 4-hydroxy-2-hexenal (HHE), and a furan ring form for 4-Oxo-2-nonenal (ONE), were built, while malondialdehyde (MDA) was directly attached to each residue. The protocol describes details for the construction, geometry optimization, assignment of charges, missing bonds, angles, dihedral angles parameters, and its validation for each modified residue structure. As a result, structural effects induced by the carbonylation with these lipid derivatives have been measured by molecular dynamics simulations on different protein systems such as the thioredoxin enzyme, bovine serum albumin and the membrane Zu-5-ankyrin domain employing root-mean-square deviation (RMSD), root mean square fluctuation (RMSF), structural secondary prediction (DSSP) and the solvent-accessible surface area analysis (SASA), among others.

Here, we describe a protocol for the optimization and parameterization of amino acid residues modified with reactive carbonyl species, adaptable to protein systems. The protocol steps include structure design and optimization, charge assignments, parameter construction, and preparation of protein systems.