Quantum chemical modelling of sequence encoded energetics and electrostatic landscapes governing early peptide association in α- synuclein and amyloid β

Resumo Técnico: Modelagem de Química Quântica de Energética Codificada por Sequência e Paisagens Eletrostáticas na Associação Precoce de Peptídeos

Definição do Problema
O enovelamento incorreto e a agregação de proteínas são centrais para distúrbios neurodegenerativos, como a doença de Parkinson (DP) e a doença de Alzheimer (DA), impulsionados pela associação molecular precoce de peptídeos como a $\alpha$-sinucleína e a amiloide $\beta$ (A$\beta$). Embora estudos experimentais tenham caracterizado a cinética e as estruturas de fibrilas maduras, as contribuições energéticas de configurações moleculares individuais durante os estágios iniciais, heterogêneos e transitórios de associação permanecem mal resolvidas. Existe uma lacuna crítica na compreensão de como a ordem específica dos resíduos (sequência), distinta da composição geral de aminoácidos, molda as propriedades moleculares que regem esses eventos iniciais de associação. Este estudo visa isolar a contribuição da arrumação da sequência comparando segmentos peptídicos propensos à agregação com controles embaralhados de composição correspondente, determinando assim como a ordem dos resíduos influencia a energética, a organização estrutural e as paisagens eletrostáticas.

Metodologia
O estudo emprega um fluxo de trabalho computacional consistente integrando química quântica semiemperical e teoria do funcional da densidade (DFT) para modelar estados de monômero e homodímero.

• Sistemas: Segmentos propensos à agregação ($\alpha$-sinucleína: VTGVTAVAQK; A$\beta$: LVFFAEDVGS) foram comparados contra controles embaralhados de composição correspondente (AGATQTVVVK e EFLVGSDVAF, respectivamente).
• Otimização de Geometria: Estruturas de monômero e homodímero foram otimizadas usando o método GFN2-xTB (Geometria, Frequência, Não covalente extended Tight Binding, segunda geração) implementado em xTB. As estruturas de dímero foram inicialmente relaxadas usando o campo de força GFN antes da otimização final.
• Energética: Energias de associação ($\Delta E_{assoc}$) foram calculadas como a diferença entre a energia eletrônica convergida de GFN2-xTB do dímero otimizado e o dobro da energia do monômero otimizado independentemente.
• Análise de Estrutura Eletrônica: Cálculos de DFT foram realizados em monômeros otimizados via GPAW com o funcional de troca de correlação PBE e formalismo de Onda Plana Projetada (PAW) em uma grade de espaço real (espaçamento de 0,20 Å).
• Descritores:
  • Eletrostática: O Potencial Eletrostático Molecular (ESP) foi mapeado em superfícies de densidade eletrônica (0,001 e Bohr$^{-3}$) e analisado via centralização de média para visualizar paisagens relativas.
  • Distribuição de Carga: A análise de população de Hirshfeld foi usada para quantificar distribuições de carga por átomo, incluindo métricas estatísticas (média, mediana, desvio padrão) e somas resolvidas por resíduo.
  • Estrutural/Sequência: Os descritores incluíram decoração de carga de sequência (SCD), hidropatia local, comprimento de corrida hidrofóbica, raio de giração ($R_g$), distância extremidade a extremidade e assimetria.
  • Interface: Contatos intermoleculares foram quantificados por distâncias de átomos pesados ($\le$ 4,5 Å e 5,0 Å) e contatos específicos de N/O/S ($\le$ 3,5 Å).

Resultos Principais
O estudo revela que o rearranjo de resíduos produz respostas distintas e específicas de cada peptídeo tanto nos domínios energético quanto estrutural, apesar da composição de aminoácidos conservada.

1. Energética do Monômero: A ordem dos resíduos alterou significativamente a energia eletrônica dos monômeros isolados. Para A$\beta$, o controle embaralhado apresentou energia menor em ~45,33 kJ/mol em comparação com a sequência propensa à agregação. Inversamente, para a $\alpha$-sinucleína, a sequência propensa à agregação foi menor em energia por ~151,12 kJ/mol em relação ao seu controle embaralhado.
2. Energia de Associação vs. Empacotamento de Interface:
   • A$\beta$: Tanto a sequência propensa à agregação (115,617 kJ/mol) quanto o controle embaralhado (232,552 kJ/mol) exibiram energias de associação positivas, indicando que os dímeros otimizados possuíam maior energia eletrônica do que os monômeros otimizados independentemente. No entanto, a sequência propensa à agregação mostrou uma energia de associação positiva menor (por 116,935 kJ/mol) do que o controle embaralhado. Paradoxalmente, esta sequência formou menos contatos de átomos pesados (40 vs. 81) e teve uma densidade de contato menor que o controle.
   • $\alpha$-Sinucleína: O controle embaralhado exibiu uma energia de associação mais favorável (mais negativa) (-494,371 kJ/mol) do que a sequência propensa à agregação (-172,819 kJ/mol), com uma diferença de 321,552 kJ/mol. Contudo, a sequência propensa à agregação formou uma interface mais extensa, com 166 contatos de átomos pesados (vs. 105) e uma maior densidade de contatos próximos de N/O/S (15 vs. 5).
   • Conclusão: A energia de associação e o empacotamento de interface (número/densidade de contatos) não variam linearmente; eles representam medidas complementares, não equivalentes, de associação.
3. Paisagens Eletrostáticas (ESP): O rearranjo de resíduos reorganizou a distribuição espacial do ESP. Embora os pares de A$\beta$ e $\alpha$-sinucleína compartilhassem estados de carga globais semelhantes, a organização espacial específica das regiões de potencial positivo e negativo mudou significativamente entre as sequências propensas à agregação e as embaralhadas. Isso indica que a ordem da sequência dita a apresentação 3D do caráter eletrostático.
4. Distribuições de Carga de Hirshfeld: A análise de carga atômica mostrou que o rearranjo de resíduos redistribuiu principalmente as populações de carga atômica em vez de deslocar uniformemente as magnitudes de carga global. Na $\alpha$-sinucleína, a proporção de átomos positivos/negativos permaneceu quase constante, mas as distribuições de probabilidade dos valores de carga mudaram. Na A$\beta$, observou-se um deslocamento modesto no equilíbrio de átomos positivos/negativos juntamente com a redistribuição.
5. Descritores de Sequência e Estrutura:
   • A$\beta$: O rearranjo alterou a decoração de carga de sequência (SCD), o comprimento de corrida hidrofóbica (5 resíduos vs. 3) e a compacidade molecular, com o peptídeo propenso à agregação exibindo um $R_g$ de aproximadamente 10,1 Å em comparação com aproximadamente 11,0 Å para o controle embaralhado.
   • $\alpha$-Sinucleína: O rearranjo alterou principalmente a hidropatia local (a média máxima de 3 resíduos de hidropatia aumentou de ~2,6 para ~4,2 no controle), enquanto SCD, $R_g$ e assimetria permaneceram comparáveis.

Significância e Alegações
O artigo estabelece que a ordem dos resíduos é um determinante fundamental da associação peptídica precoce, independente da composição de aminoácidos. O estudo demonstra que composições idênticas podem gerar características energéticas, estruturais e eletrostáticas distintas apenas através da organização molecular dependente da sequência.

As principais alegações incluem:

• Sequência como um Determinante: O arranjo dos resíduos, não apenas a composição, governa o equilíbrio das interações intermoleculares, influenciando tanto a termodinâmica da associação quanto a geometria da interface resultante.
• Respostas Específicas de Peptídeos: As consequências moleculares do rearranjo de resíduos não são universais; a $\alpha$-sinucleína e a A$\beta$ exibem respostas contrastantes onde mudanças na ordem da sequência levam a diferentes combinações de favorabilidade energética e empacotamento de interface.
• Descritores Complementares: O estudo destaca que a energia de associação e as métricas de contato de interface capturam aspectos diferentes da associação molecular. Uma interface mais populada não necessariamente se correlaciona com uma energia de associação mais favorável, como visto nas tendências divergentes dos dois sistemas peptídicos.
• Reorganização Eletrostática: Composições idênticas de aminoácidos podem produzir ambientes eletrostáticos distintos devido à reorganização do padrão de carga e da estrutura 3D, fornecendo uma base molecular para comportamentos de associação dependentes da sequência.

O trabalho fornece um arcabouço quantitativo para identificar determinantes moleculares codificados pela sequência, sugerindo que o "código" para a agregação precoce reside na ordem linear específica dos resíduos, que dita as resultantes paisagens energéticas e eletrostáticas.