Preferred conformations of bioactive linear RGDX and cyclic CPXC tetrapeptides

Abstract

In order to investigate the relationship between conformations and bioactivity of linear RGDX and cyclic CPXC tetrapeptides, conformational studies on these peptides have been carried out. Part I. The conformational study on Arg-Gly-Asp (RGD)-containing tetrapeptides in the unhydrated and hydrated states has been carried out using the force field ECEPP/3 and the hydration shell model. The tetrapeptides studied here are H-RGDX-OH (X = Trp, Phe, Tyr, Leu, Val, Cys, Gln, and Ser), which show the inhibitory activity for binding of fibrinogen to platelets in the order of RGDW " RGDY " RGDF " RGDL > RGDV ³ RGDC ³ RGDQ ³ RGDS. The backbone conformations B*C*C and BC*C are in common most probable for the RGD sequence of RGDX tetrapeptides in the hydrated state, in which two C7 backbone-to-backbone hydrogen bonds between the N-H of Asp and the O=C of Arg and between the N-H of Xaa and the O=C of Gly appear to be crucial to stabilize those preferred conformations. The dominant b-turns for RGDX are found to be the types V￠ and IV at Gly-Asp and Asp-Xaa sequences, respectively, which are quite similar to the types II￠ and I (or II), respectively. However, it cannot be ruled out that the extended conformations are also remarkably feasible for RGDX tetrapeptides in water by peering the distributions of backbone conformations. These calculated results are consistent with the experimental results on RGD-containing proteins and conformationally constrained RGD-containing peptides. The reason why the RGDX becomes more potent as the side-chain of X residue is more hydrophobic may be ascribed to that the more hydrophobic is the residue X, the more populated are the b-turn-like structures for RGD sequence. The hydrophobic side-chain of X residue exposed to water is likely to interact with the hydrophobic region of receptor easily. Part II. The conformational study on cyclic Ac-Cys-Pro-Xaa-Cys-NHMe (Ac-CPXC-NHMe; X = Ala, Val, Leu, Aib, Gly, His, Phe, Tyr, Asn, and Ser) peptides has been carried out using the ECEPP/3 force field and the hydration shell model in the unhydrated and hydrated states. This work has been undertaken to investigate structural implications of the CPXC sequence as the chain reversal for the initiation of protein folding and as the motif for active site of disulfide oxidoreductases. The backbone conformation DAAA is in common the most feasible for cyclic CPXC peptides in the hydrated state, which has a type I b-turn at the Pro-Xaa sequence. The proline residue and the hydrogen bond between backbones of two cystines appear to play a role in stabilizing this preferred conformation of cyclic CPXC peptides. However, the distributions of backbone conformations and b-turns may indicate that the cyclic CPXC peptide seems to exist as an ensemble of b-turns and coiled conformations. The structural similarities in CXXC motifs of oxidoreductases may imply that the redox properties is determined not only by the XX sequence of active site, but also by noncovalent interactions between the CXXC motif and surrounding residues. Nevertheless, the intrinsic stability of the cyclic CPXC motif itself for the active conformation appears to play a role in determining electrochemical properties of disulfide oxidoreductases. ; 선형의 RGDX펩타이드와 고리형의 CPXC펩타이드가 형성하는 구조와 생리활성과의 관계를 밝히기 위해, 이들 펩타이드들의 구조분석 연구를 수행하였다. Part I. 비수화상태와 수화상태에서 ECEPP/3와 hydration shell model을 사용하여 Arg-Gly-Asp (RGD) 배열을 함유하는 선형 펩타이드의 구조를 분석하였다. 본 연구에서 사용된 펩타이드들은 H-RGDX-OH (X = Trp, Phe, Tyr, Leu, Val, Cys, Gln, 그리고 Ser)로서, 이들은 피브리노겐이 혈소판에 결합하는 것을 방해하며, 그 활성은 RGDW " RGDY " RGDF > RGDL > RGDV ³ RGDC ³ RGDQ ³ RGDS의 순서이다. 수화상태에서 RGDX 펩타이드의 가장 안정화된 기본골격의 구조는 B*C*C와 BC*C 이다. 이 구조에서 Asp N-H의 질소 원자와 Arg C=O의 산소 원자 및 Xaa N-H의 질소 원자와 Gly C=O의 산소 원자 사이에 두개의 C7-수소결합이 형성되며, 이 수소결합은 기본골격의 구조를 안정화시키는데 중요한 역할을 하고 있다고 판단된다. RGDX펩타이드에서 우세한 b-turn구조는 Gly-Asp와 Asp-Xaa 서열에서 각각V￠과 IV 형태이며, 이것은 II￠와 I(또는 II) 형태와 유사하다. 그러나 수화상태에서 RGDX펩타이드들의 골격구조를 분석해보면, extended 구조를 가질 가능성도 배제할 수 없다. RGDX펩타이드에서 X잔기의 곁가지가 소수성이 강할수록 생리적으로 강한 활성을 보이는 것은 X잔기가 소수성일수록 RGD서열에서 보다 더 b-turn과 유사한 구조를 형성하기 때문이라고 판단된다. X잔기의 소수성 곁가지가 수용액에 노출되는 것이 수용체의 소수성 부분과 상호작용하기가 쉽기 때문이라고 분석된다. Part II. 비수화상태와 수화상태에서 ECEPP/3 force field와 hydration shell model을 사용하여 고리형 Ac-CPXC-NHMe (X = Ala, Val, Leu, Aib, Gly, His, Phe, Tyr, 그리고 Ser) 펩타이드들의 구조를 분석하였다. 이 연구의 목적은 단백질 folding 시작 부위에서 chain reversal을 이루거나 disulfide 산화환원효소의 중요한 활성 부위를 형성하는 CPXC펩타이드의 구조와 생리활성과의 관계를 분석하는 것이다. 수화상태에서 고리형 CPXC 펩타이드들의 골격구조는 DAAA이며, Pro-Xaa서열에서 type I b-turn을 형성한다. 두 개의 Cystine 잔기 사이의 disulfide 결합과 수소결합, 그리고 Proline 잔기의 존재가 CPXC펩타이드들의 구조를 안정화시키는데 중요한 역할을 한다고 분석된다. 그러나 골격 구조와 b-turn유형을 분석하면 고리형 CPXC 펩타이드들이 b-turn과 coil구조를 모두 가질 수 있음을 알 수 있다. 산화환원효소들에서 CXXC 부위들이 유사한 구조를 형성하는 것은 이들 효소의 산화환원 특성이 활성부위의 XX 서열에 의해서 뿐만 아니라 CXXC부위를 둘러싼 주위의 잔기들과의 비공유 상호작용으로 인한 것으로 판단된다. 이러한 연구에 의하면 활성화된 고리형 CPXC 펩타이드 구조의 근원적 안정성이 disulfide 산화환원효소들의 전기화학적 성질을 결정하는데 중요한 역할을 한다고 추측된다.