Unfolding Ubiquitin by force: water mediated H-bond destabilization

RESUMEN

Estudiamosel desdoblamiento forzado de una molécula de ubiquitina, usando elprotocolo de dinámica molecular “pull and wait” (PNW) a 300 K.Se implementó PNW en el programa CHARMM usando un tiempode integración de 1 fs y una constante dieléctrica de 1. La estructurasolvatada inicialmente, se colocó bajo tensión mecánica, ejerciéndosefuerzas en diferentes direcciones. El rompimiento de cinco enlacesde Hidrogeno entre los pliegues β1 y β5 que tiene lugar durante losprimeros 13 a 15 Å de extensión, marcan una barrera mecánica lacual define la máxima fuerza necesaria para el desdoblamiento. Lassimulaciones realizadas muestran que dado un tiempo adecuado, laaplicación de una fuerza pequeña puede desestabilizar los mencionadosenlaces de hidrógeno relativo a los enlaces que se pueden formar conmoléculas de agua; permitiendo la formación de enlaces de hidrógenoestables entre aguas y donadores o aceptores de la cadena principal.De esta forma, las simulaciones con PNW muestran que la tensiónmecánica no es responsable de separar los puentes de hidrógeno, estasólo los desestabiliza haciéndolos menos estables con respecto a losenlaces que se pueden formar con moléculas de agua. Simulacionesadicionales muestran que la fuerza necesaria para desestabilizarlos enlaces de hidrogeno, permitiendo su remplazo por enlaces conmoléculas de agua, depende fuertemente de la dirección de estiramiento.El protocolo de simulación que permite equilibrar a cada paso deextensión, nos evidenció eventos conducentes al desdoblamiento de lamolécula ubiquitina por fuerzas mecánicas...

ABSTRACT

Using the “pull and wait” (PNW) simulationprotocol at 300 K, we studied the unfolding of aubiquitin molecule by force. PNW was implemented inthe CHARMM program using an integration time step of1 fs and a uniform dielectric constant of 1. The ubiquitinmolecule, initially solvated, was put under mechanicalstress, exerting forces from different directions. Therupture of five hydrogen bonds between parallel strandsβ1 and β5 takes place during the extension from 13 to15 Å, defines a mechanical barrier for unfolding anddominates the point of maximum unfolding force. Thesimulations described here show that given adequatetime, a small applied force can destabilize those fiveH-bonds relative to the bonds that can be created towater molecules; allowing the formation of stableH-bonds between a single water molecule and the donorand acceptor groups of the interstrand H-bonds. Thus,simulations run with PNW show that the force is notresponsible for “ripping apart” the backbone H-bonds;it merely destabilizes them making them less stablethan the H-bonds they can make with water. Additionalsimulations show that the force necessary to destabilizethe H-bonds and allow them to be replaced by H-bondsto water molecules depends strongly on the pullingdirection. By using a simulation protocol that allowsequilibration at each extension we have been able toobserve the details of the events leading to the unfoldingof ubiquitin by mechanical force...

RESUMO

Estudamos o desdobramento forçado de uma molécula deubiquitina usando o protocolo de dinâmica molecular “pull and wait”(PNW) em 300 K. PNW foi implementado no programa CHARMMusando um tempo de integração de 1 fs e uma constante dielétrica de1. A estrutura solvatada, foi colocada sob estresse mecânico, exercendoseforças de diferentes direções. Simulações mostraram que a rupturade cinco ligações de Hidrogênio entre as dobras β1 e β5, que acontecedurante os primeiros 13 a 15 Å de extensão, define uma barreira, aqual determina a força máxima para o desdobramento. As simulaçõesmostram que, dado o tempo adequado, uma pequena força aplicadapode desestabilizar os mesmos cinco Hidrogênios relativos às ligaçõesH- que os grupos da cadeia principal podem fazer com a molécula deágua; permitindo a formação de ligações estáveis de H- entre moléculasde água e os grupos doadores e receptores da intercadeia. Desta forma,simulações que utilizam este protocolo mostram que a força nãoé utilizada para ®romper¼ as ligações H- da cadeia principal, apenasdesestabilizando-as e tornando-as menos estáveis do que as ligações queas mesmas podem fazer com a água. Simulações adicionais mostramque a força necessária para desestabilizar as ligações H- e permitir que asmesmas sejam substituídas por ligações do Hidrogênio com moléculasde água depende fortemente da direção da aplicação da força. Atravésda utilização de um protocolo de simulação que permite equilibrar emcada extensã, fomos capazes de observar os detalhes do mecanismo dedesdobramento da ubiquitina por força mecânica...