Conformational Study of the Asialo-GM1(GA1) Ganglioside

Abstract

세포막 표면에서 glycosphingolipid의 공간적 배향과 인지에 대한 당부분의 구조적 특성을 알아보기 위하여 GAl에 대한 비수화 상태와 수화 상태에서의 구조 에너지 계산을 새로운 프로그램 CONCARB를 이용하여 수행하였다. Empirical potential ECEPP/2로 에너지 계산을 하였고, 수화상태에서의 각 구조에 대한 수화자유에너지는 hydration shell model을 이용하여 계산하였다. 조화방법으로 계산된 구조 엔트로피는 각 에너지 최소치의 자유에너지에 포함시켰다. 비틀림에 대한 새로운 변수는 계산된 비틀림 에너지 장벽과 상대적 구조에너지가 대응하는 실험적인 값이나 ab initio MO 결과에 일치하도록 구하였다. GA1의 전체적 골격구조는 선형이며, 이것은 DSC 실험에서의 결과와 같았다. 수화상태에서 가장 안정한 자유 에너지 구조를 갖는 GAl의 당 연결부분 비틀림각은 ᛰ_(Ⅰcer)/Ψ_(Ⅰcer)/θ_(Ⅰcer)=63°/32°/-117°,ᛰ_(Ⅱ,Ⅰ)/Ψ_(Ⅱ,Ⅰ)=55°/-4° ᛰ_(Ⅲ,Ⅱ)/Ψ_(Ⅲ,Ⅱ)=50°/1°, 그리고 ᛰ_(Ⅳ,Ⅲ)/Ψ_(Ⅳ,Ⅲ)=51°/0°이것은 NMR실험과 HSEA 계산으로부터 얻은 구조와 잘 일치하였다. GA1 의 당 연결부분과 GA1을 구성하고 있는 당들의 비틀림각 ᛰ와 ψ값을 비교했을때, 당이 연결됨에 따라 각 당의 전체적 골격구조는 그대로 유지되었다. 이것은 바로 옆에 위치하고 있는 당간의 단거리 상호작용이 비수화 상태와 수화 상태 모두에서 GA1 의 전체적 골격구조를 안정화 시키는데 중요한 요소임을 의미한다. 그리고 서로 다른 당의 hydroxymethyl, hydroxy eroup의 수소결합과 이들의 배향이 달라짐은 중거리, 장거리 상호작용 또한 중요함을 보여준다. 수화는 이들 group의 구조에 중요하게 영향을 미치나, GAl의 전체적 골격 구조에는 커다란 변화를 주지 않는 것으로 여겨진다. 이 연구로 부터 얻은 GAl에 대한 결과들은 세포막 표면에서 ganglioside의 입체적 배향과 인지과정을 이해하는데 유용할 것으로 기대된다.;In order to investigate the significance of preferred conformations of the saccharide for the steric orientation and recognition of the glycosphingolipids at the membrane surface, the conformational free energy calculations using a new program CONCARB (CONformational study program for CARBohydrate) were carried out on the asialo-GM1(GA1;ßDGa1(1→3)ßDGA1NAc(1→4)ßDGA1(1→4)ßDGlc-O-ceramide) in the unhydrated and hydrated states. The potential parameters for energy calculations were adopted from the ECEPP/2 (Empirical Conformational Energy Program for Peptides, version 2) force field and the hydration shell model was used to Calculate the hydration free energy of each conformation in the hydrated state. The conformational entropy change calculated using a harmonic method was included in the free energy of each energy minimum. A new set of torsional parameters was obtained by fitting the computed torsional barriers and relative conformational energies to the corresponding experimental values or ab initio results. The overall backbone conformation of the GA1 is linear, which is consistent with the structure reported by high-sensitivity differential scanning calorimetry experiments. The calculated glycosidic torsion angles of the lowest free energy conformation of GA1 in the hydrated state are Φ_(Ⅰcer)/Ψ_(Ⅰcer)/θ_(Ⅰcer) = 63°/32°/-117°,Φ_(Ⅱ,Ⅰ)/Ψ_(Ⅱ,Ⅰ)=55°/-4° Φ_(Ⅲ,Ⅱ)/Ψ_(Ⅲ,Ⅱ)=50°/1°, Φ_(Ⅳ,Ⅲ)/Ψ_(Ⅳ,Ⅲ)=51°/0° which are in accord with the structures deduced from the NMR experlments and HSEA calculations. A comparison of the values of glycosidic torsion angles Φ and ψ of the GA1 and its constituent oligosaccharides indicates that the overall backbone conformation of each oligosaccharide is retained when the oligosaccharide chain becomes longer. This implies that the short-range interactions between the nearest-neighbored saccharides are of significant importance in stabilizing the overall backbone conformation of the GA1 in both the unhydrated and hydrated states. The different orientation and hydrogen bonds of hydroxymethyl and hydroxyl groups from one oligosaccharide to another suggest that the medium- and long-range interactions are also of consequence. Hydration seems to affect significantly the conformation of these groups, but not to perturb remarkably the overall backbone conformation of the GA1. The results on the conformation of the GA1 obtained from this work is expected to be useful in understanding the steric orientation and recognition of gangliosides at the membrane surface.