Hydrogen bonding in peptide helices - Analysis of two independent helices in the crystal structure of a peptide Boc-Val-Ala-Leu-Aib-Val-Ala-Phe-OMe

The crystal structure determination of the heptapeptide Boc-Val-Ala-Leu-Aib-Val-Ala-Phe-OMe reveals two peptide helices in the asymmetric unit, Crystal parameters are: space group P2(1), a = 10.356(2) Angstrom, b = 19.488(5) Angstrom, c = 23.756(6) Angstrom, beta = 102.25(2)degrees), V = 4685.4 Angstrom(3), Z = 4 and R = 5.7% for 7615 reflections [I>3 sigma(I)]. Both molecules adopt largely alpha-helical conformations with variations at the C-terminus, Helix type Is determined by analysing both 4-->1 and 5-->1 hydrogen-bond interactions and comparison with the results of analysis of protein structures. The presence of two 4-->1 hydrogen-bond interactions, besides four 5-->1 interact ions in both the conformations provides an opportunity to characterize bifurcated hydrogen bonds at high resolution, Comparison of the two helical conformations with related peptide structures suggests that distortions at the C-terminus are more facile than at the N-terminus.

Structure of a peptide oxazolone: 2-(1'-benzyloxycarbonylamino-1'-methylethyl)-4,4-dimethyl-5-oxazolone

C16H20N204, monoclinic, P21, a = 6.270 (1),b= 11.119(3),c= ll.640(4)A, fl= 100.7 (2)°,Dm = 1-27 (flotation), Dc = 1-26 Mg m -3, Z = 2. The structure has been refined to a final R value of 0.041 for 1584 independent counter-measured reflections. The oxazolone ring in the molecule is nearly planar. The exocyclic O atom is 0.065 A out of the plane defined by the other four atoms in the ring belonging to the lactone group. The difference in length between the two adjacent C-O bonds in the ring is small, but significant. The crystal structure is stabilized by van der Waals interactions and a N--H... N hydrogen bond.

Molecular and Electronic Structure of the Peptide Subunit of Geobacter sulfurreducens Conductive Phi from First Principles

The respiration of metal oxides by the bacterium Geobacter sulfurreducens requires the assembly of a small peptide (the GS pilin) into conductive filaments termed pili. We gained insights into the contribution of the GS pilin to the pilus conductivity by developing a homology model and performing molecular dynamics simulations of the pilin peptide in vacuo and in solution. The results were consistent with a predominantly helical peptide containing the conserved a-helix region required for pilin assembly but carrying a short carboxy-terminal random-coiled segment rather than the large globular head of other bacterial pilins. The electronic structure of the pain was also explored from first principles and revealed a biphasic charge distribution along the pilin and a low electronic HOMO-LUMO gap, even in a wet environment. The low electronic band gap was the result of strong electrostatic fields generated by the alignment of the peptide bond dipoles in the pilin's alpha-helix and by charges from ions in solution and amino acids in the protein. The electronic structure also revealed some level of orbital delocalization in regions of the pilin containing aromatic amino acids and in spatial regions of high resonance where the HOMO and LUMO states are, which could provide an optimal environment for the hopping of electrons under thermal fluctuations. Hence, the structural and electronic features of the pilin revealed in these studies support the notion of a pilin peptide environment optimized for electron conduction.

Développement de peptidomimétiques antagonistes du récepteur de l’interleukine-1β

Dans ce mémoire, je présente mes études sur la synthèse, la caractérisation et l’évaluation biologique de différentes séries d’analogues du D-heptapeptide appelé 101.10, un modulateur négatif allostérique du récepteur de l’interleukine-1β (IL-1β). Sachant que les peptides ont généralement de faibles propriétés pharmacologiques, le but de ce projet portait sur l’examen des structures nécessaires à la bioactivité, la conformation tridimensionnelle de ces derniers afin d’améliorer la droguabilité du peptide parent. Les stratégies d’optimisation du 101.10 utilisées furent : la coupure N- et C-terminale; la substitution par la proline, α-amino-γ-lactame (Agl), β-amino-γ-lactame (Bgl) et α-amino-β-hydroxy-γ-lactame (Hgl); et la rigidification du squelette à l’aide d’un bicycle, l’indolozidin-2-one (I2aa). Afin de clarifier certaines relations de structure-activité, quelques modifications furent apportées au peptide, incluant l’échange de la thréonine pour la valine, la permutation de la stéréochimie de certains résidus clés ainsi que le remplacement de certaines chaînes latérales par un méthyle. Pour pallier aux difficultés de reproductibilité des résultats avec des échantillons provenant de différentes sources, des études sur l’identité du contre-anion et la pureté du peptide furent conduites. Afin d’évaluer l’effet des modifications sur la conformation aqueuse et l’activité biologique du peptide, des analyses de dichroïsme circulaire et des tests in vitro mesurant l’inhibition de certains effets de l’IL-1β furent effectués. Ces essais cellulaires comportaient l’inhibition de la prolifération de cellules immunes et de l’activation des voies de signalisation inflammatoires du facteur nucléaire κB (NF-κB) et de la protéine kinase activée par mitogène (MAPK), toutes deux stimulées par l’IL-1β. La compilation de ces données a permis de déceler certaines tendances entre la structure, la conformation et l’activité anti-IL-1β des peptidomimétiques.

Crystal and molecular structure of Boc-Phe-Val-OMe; comparison of the peptide conformation with its dehydro analogue

The crystal structure of the peptide Boc-Phe-Val-OMe determined by X-ray diffraction methods is reported in this paper. The crystals grown from aqueous methanol are orthorhombic, space group P2(1)2(1)2(1), a = 11.843(2), b = 21.493(4), c = 26.676(4)Angstrom and V = 6790 Angstrom(3). Data were collected on a CAD4 diffractometer using MoK2 radiation (lambda = 0.7107 Angstrom) up to Bragg angle theta = 26 degrees. The structure was solved by direct methods and refined by a least-squares procedure to an R value of 6.8% for 3288 observed reflections. There are three crystallographically independent peptide molecules in the asymmetric unit. All the three molecules exhibit extended conformation. The sidechain of the Val(2) residue shows two different conformations. The conformation of the peptide Boc-Phe-Val-OMe is compared with the conformation of Ac-Delta Phe-Val-OH. It is observed that while Boc-Phe-Val-OMe exhibits an extended conformation, Ac-Delta Phe-Val-OH shows a folded conformation. The results of this comparison highlight the conformation constraining property of the Delta Phe residue. Interestingly, even though Boc-Phe-Val-OMe and Ac-Delta Phe-Val-OH are conformationally different, they exhibit similar packing patterns in the solid state. (C) Munksgaard 1995.

The two-dimensional IR nonlinear spectroscopy of a cyclic penta-peptide in relation to its three-dimensional structure

A form of two-dimensional (2D) vibrational spectroscopy, which uses two ultrafast IR laser pulses, is used to examine the structure of a cyclic penta-peptide in solution. Spectrally resolved cross peaks occur in the off-diagonal region of the 2D IR spectrum of the amide I region, analogous to those in 2D NMR spectroscopy. These cross peaks measure the coupling between the different amide groups in the structure. Their intensities and polarizations relate directly to the three-dimensional structure of the peptide. With the help of a model coupling Hamiltonian, supplemented by density functional calculations, the spectra of this penta-peptide can be regenerated from the known solution phase structure. This 2D-IR measurement, with an intrinsic time resolution of less than 1 ps, could be used in all time regimes of interest in biology.

Computer determination of peptide conformations in water: different roads to structure.

Fragments of proteins (short peptides) that "fold" suggest a mechanism of how complete conformational search in protein folding is avoided. We used a computational method to determine structures of two foldable peptides in explicit water: RVEW and CSVTC. The optimization starts from random structures and no experimental constraints are used. In agreement with NMR data, the simulations find a hydrophobic pair (Val/Trp) in REVW. The structure of CSVTC is induced by a surface water that bridges two amide hydrogens, a drive to structure hypothesized by Ben-Naim [Ben-Naim, A. (1990) J. Chem. Phys. 93, 8196-8210] that is largely ignored in studies of folding. Tendency to structure in short peptide chains suggests a mechanism for the formation of short-range nucleation sites in protein folding.

First Structural View of a Peptide Interacting with the Nucleotide Binding Domain of Heat Shock Protein 90

The involvement of Hsp90 in progression of diseases like cancer, neurological disorders and several pathogen related conditions is well established. Hsp90, therefore, has emerged as an attractive drug target for many of these diseases. Several small molecule inhibitors of Hsp90, such as geldanamycin derivatives, that display antitumor activity, have been developed and are under clinical trials. However, none of these tested inhibitors or drugs are peptide-based compounds. Here we report the first crystal structure of a peptide bound at the ATP binding site of the N-terminal domain of Hsp90. The peptide makes several specific interactions with the binding site residues, which are comparable to those made by the nucleotide and geldanamycin. A modified peptide was designed based on these interactions. Inhibition of ATPase activity of Hsp90 was observed in the presence of the modified peptide. This study provides an alternative approach and a lead peptide molecule for the rational design of effective inhibitors of Hsp90 function.

Peptide IC-20, encoded by skin kininogen-1 of the European yellow-bellied toad, Bombina variegata, antagonizes bradykinin-induced arterial smooth muscle relaxation

The objectives were to determine if the skin secretion of the European yellow-bellied toad (Bombina variegata), in common with other related species, contains a bradykinin inhibitor peptide and to isolate and structurally characterize this peptide. Materials and Methods: Lyophilized skin secretion obtained from this toad was subjected to reverse phase HPLC fractionation with subsequent bioassay of fractions for antagonism of the bradykinin activity using an isolated rat tail artery smooth muscle preparation. Subsequently, the primary structure of the peptide was established by a combination of microsequencing, mass spectroscopy, and molecular cloning, following which a synthetic replicate was chemically synthesised for bioassay. Results: A single peptide of molecular mass 2300.92 Da was resolved in HPLC fractions of skin secretion and its primary structure determined as IYNAIWP-KH-NK-KPGLL-. Database interrogation with this sequence indicated that this peptide was encoded by skin kininogen-1 previously cloned from B. variegata. The blank cycles were occupied by cysteinyl (C) residues and the peptide was located toward the C-terminus of the skin kininogen, and flanked N-terminally by a classical -KR- propeptide convertase processing site. The peptide was named IC-20 in accordance (I = N-terminal isoleucine, C = C-terminal cysteine, 20 = number of residues). Like the natural peptide, its synthetic replicate displayed an antagonism of bradykinin-induced arterial smooth muscle relaxation. Conclusion: IC-20 represents a novel bradykinin antagonizing peptide from amphibian skin secretions and is the third such peptide found to be co-encoded with bradykinins within skin kininogens.

A PEPTIDE FROM THE CAUDAL NEUROSECRETORY-SYSTEM OF THE DOGFISH SCYLIORHINUS-CANICULA THAT IS STRUCTURALLY RELATED TO UROTENSIN-I

Using reversed-phase HPLC in combination with a radioimmunoassay for ovine corticotropin-releasing hormone (CRH), a peptide with CRH-like immunoreactivity was isolated in pure form from an extract of the caudal spinal cord region of the spotted dogfish, Scyliorhinus canicula. The primary structure of the peptide was established as Pro-Ala-Glu-Thr-Pro-Asn-Ser-Leu-Asp-Leu(10)-Thr-Phe-His-Leu-Leu-Arg-Glu-Met-Ile-Glu(20)-Ile-Ala-Lys-His-Glu-Asn-Gln-Gln-Met-Gln(30)-Ala-Asp-Ser-Asn-Arg-Arg-Ile-Met-Asp-Thr(40)-Ile . NH2. This amino acid sequence shows moderate structural similarity to Catostomus urotensin I (51%) and to human CRH (56%). The data provide, therefore, chemical evidence to support the conclusions of earlier immunohistochemical studies that the diffuse caudal neurosecretory system of elasmobranchs produces a peptide that is immunochemically related to teleost urotensin I peptides. However, the primary structure of urotensin I has been poorly conserved during evolution. (C) 1995 Academic Press, Inc.

Synthèse et caractérisation physicochimique de peptides de polyglutamines

Neuf maladies neurodégénératives sont le produit de l’expression de gènes mutés, dans lesquels le codon CAG est répété au-delà d’un seuil pathologique. Ceci produit des protéines mutantes dans lesquelles sont insérés des segments de polyglutamines (polyGln), qui perdent leur activité et acquièrent une nouvelle fonction, ce qui est toxique pour le neurone. Ces altérations sont attribuables aux propriétés particulières de la polyGln. En effet, ces dernières possèdent la capacité de s’assembler pour former des corps d’inclusion intracellulaires. Cette propension à l’agrégation de la polyGln rend difficile l’étude de ces pathologies. C’est ainsi que l’utilisation de peptides peut s’avérer une approche avantageuse. Toutefois, la synthèse de polyGln est associée à de nombreuses délétions et nécessite l’ajout de groupements chargés afin de permettre leur purification. Cependant, ce prérequis donne lieu à des interactions électrostatiques qui biaisent la structure et la cinétique d’agrégation de ces peptides, en plus d’interférer avec l’évaluation d’éventuels agents thérapeutiques. L’objectif du projet est de développer un système permettant l’étude de la polyGln en s’affranchissant des effets de charges. Pour ce faire, deux approches ont été explorées, la première utilise la polyGln non chargée et la seconde utilise une structure polyGln-morpholine ayant des charges labiles en fonction du pH. Ces peptides ont été produits en utilisant une approche linéaire de synthèse peptidique sur support solide avec protection maximale des chaînes latérales. La purification a été effectuée par chromatographie de haute performance en phase inverse en milieu acide. Ces stratégies ont permis de produire des peptides de polyGln de grande pureté avec des rendements acceptables. Une procédure de solubilisation des peptides alliant sonication et lyophilisation a été développée afin d’étudier chacun de ces peptides à l’aide de diverses techniques physicochimiques, telles que la diffusion de la lumière, la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire, Raman et UV-visible, le dichroïsme circulaire et la microscopie optique polarisée. La polyGln non chargée solubilisée dans le trifluoroéthanol-eau a montré que la taille des particules et la vitesse d’agrégation sont proportionnelles à la fraction volumique en eau. De plus, la structure secondaire en solution est à prédominance alpha et semble être peu sensible à la fraction d’eau jusqu’à un certain seuil (25%) après lequel la structure aléatoire prédomine. L’analyse des agrégats à l’état solide montre des structures hélicoïdales > aléatoires et ont les caractéristiques des fibrilles amyloïdes. Le peptide de polyGln-morpholines a un pKa de 7,3 en milieu aqueux. Il demeure en solution lorsque le pH < pKa et à faible force ionique, alors qu’il s’autoassemble lorsque ces conditions ne sont pas respectées. Ceci suggère que la répulsion électrostatique est responsable de la stabilisation du peptide en solution. La dimension fractale nous indique que le peptide forme des agrégats compacts dont les constituants ont une taille de 2,5 nm, compatibles avec une conformation aléatoire compacte, en coude bêta ou hélicoïdale. Ceci est en accord avec l’étude structurale des peptides en solution qui a montré des espèces aléatoires > bêta > alpha. De plus, en RMN, l’élargissement des signaux du 1Hγ en cours d’agrégation suggère une interaction via les chaînes latérales. Les analyses en phase solide ont plutôt montré une prédominance de structures bêta et alpha. L’inhibition de l’agrégation à pH 8 varie selon rouge de Congo > tréhalose, alors que le peptide liant la polyGln 1 et la thioflavine T ne semble pas avoir d’effet. Ces approches ont donc permis pour la première fois de s’affranchir des effets de charges auparavant inhérents à l’étude de la polyGln en solution et par conséquent d’obtenir des informations inédites quant à la solubilité, la structure et la cinétique d’agrégation. Enfin, le dispositif à charges labiles permet d’évaluer l’efficacité d’éventuels agents thérapeutiques à pH quasi physiologique.

Quantification de la relation séquence-activité de l’ARN par prédiction de structure tridimensionnelle

Dans un premier temps, nous avons modélisé la structure d’une famille d’ARN avec une grammaire de graphes afin d’identifier les séquences qui en font partie. Plusieurs autres méthodes de modélisation ont été développées, telles que des grammaires stochastiques hors-contexte, des modèles de covariance, des profils de structures secondaires et des réseaux de contraintes. Ces méthodes de modélisation se basent sur la structure secondaire classique comparativement à nos grammaires de graphes qui se basent sur les motifs cycliques de nucléotides. Pour exemplifier notre modèle, nous avons utilisé la boucle E du ribosome qui contient le motif Sarcin-Ricin qui a été largement étudié depuis sa découverte par cristallographie aux rayons X au début des années 90. Nous avons construit une grammaire de graphes pour la structure du motif Sarcin-Ricin et avons dérivé toutes les séquences qui peuvent s’y replier. La pertinence biologique de ces séquences a été confirmée par une comparaison des séquences d’un alignement de plus de 800 séquences ribosomiques bactériennes. Cette comparaison a soulevée des alignements alternatifs pour quelques unes des séquences que nous avons supportés par des prédictions de structures secondaires et tertiaires. Les motifs cycliques de nucléotides ont été observés par les membres de notre laboratoire dans l'ARN dont la structure tertiaire a été résolue expérimentalement. Une étude des séquences et des structures tertiaires de chaque cycle composant la structure du Sarcin-Ricin a révélé que l'espace des séquences dépend grandement des interactions entre tous les nucléotides à proximité dans l’espace tridimensionnel, c’est-à-dire pas uniquement entre deux paires de bases adjacentes. Le nombre de séquences générées par la grammaire de graphes est plus petit que ceux des méthodes basées sur la structure secondaire classique. Cela suggère l’importance du contexte pour la relation entre la séquence et la structure, d’où l’utilisation d’une grammaire de graphes contextuelle plus expressive que les grammaires hors-contexte. Les grammaires de graphes que nous avons développées ne tiennent compte que de la structure tertiaire et négligent les interactions de groupes chimiques spécifiques avec des éléments extra-moléculaires, comme d’autres macromolécules ou ligands. Dans un deuxième temps et pour tenir compte de ces interactions, nous avons développé un modèle qui tient compte de la position des groupes chimiques à la surface des structures tertiaires. L’hypothèse étant que les groupes chimiques à des positions conservées dans des séquences prédéterminées actives, qui sont déplacés dans des séquences inactives pour une fonction précise, ont de plus grandes chances d’être impliqués dans des interactions avec des facteurs. En poursuivant avec l’exemple de la boucle E, nous avons cherché les groupes de cette boucle qui pourraient être impliqués dans des interactions avec des facteurs d'élongation. Une fois les groupes identifiés, on peut prédire par modélisation tridimensionnelle les séquences qui positionnent correctement ces groupes dans leurs structures tertiaires. Il existe quelques modèles pour adresser ce problème, telles que des descripteurs de molécules, des matrices d’adjacences de nucléotides et ceux basé sur la thermodynamique. Cependant, tous ces modèles utilisent une représentation trop simplifiée de la structure d’ARN, ce qui limite leur applicabilité. Nous avons appliqué notre modèle sur les structures tertiaires d’un ensemble de variants d’une séquence d’une instance du Sarcin-Ricin d’un ribosome bactérien. L’équipe de Wool à l’université de Chicago a déjà étudié cette instance expérimentalement en testant la viabilité de 12 variants. Ils ont déterminé 4 variants viables et 8 létaux. Nous avons utilisé cet ensemble de 12 séquences pour l’entraînement de notre modèle et nous avons déterminé un ensemble de propriétés essentielles à leur fonction biologique. Pour chaque variant de l’ensemble d’entraînement nous avons construit des modèles de structures tertiaires. Nous avons ensuite mesuré les charges partielles des atomes exposés sur la surface et encodé cette information dans des vecteurs. Nous avons utilisé l’analyse des composantes principales pour transformer les vecteurs en un ensemble de variables non corrélées, qu’on appelle les composantes principales. En utilisant la distance Euclidienne pondérée et l’algorithme du plus proche voisin, nous avons appliqué la technique du « Leave-One-Out Cross-Validation » pour choisir les meilleurs paramètres pour prédire l’activité d’une nouvelle séquence en la faisant correspondre à ces composantes principales. Finalement, nous avons confirmé le pouvoir prédictif du modèle à l’aide d’un nouvel ensemble de 8 variants dont la viabilité à été vérifiée expérimentalement dans notre laboratoire. En conclusion, les grammaires de graphes permettent de modéliser la relation entre la séquence et la structure d’un élément structural d’ARN, comme la boucle E contenant le motif Sarcin-Ricin du ribosome. Les applications vont de la correction à l’aide à l'alignement de séquences jusqu’au design de séquences ayant une structure prédéterminée. Nous avons également développé un modèle pour tenir compte des interactions spécifiques liées à une fonction biologique donnée, soit avec des facteurs environnants. Notre modèle est basé sur la conservation de l'exposition des groupes chimiques qui sont impliqués dans ces interactions. Ce modèle nous a permis de prédire l’activité biologique d’un ensemble de variants de la boucle E du ribosome qui se lie à des facteurs d'élongation.

Self-assembly of peptide nanotubes in an organic solvent

The self-assembly of a modified fragment of the amyloid beta peptide, based on sequence A beta(16-20), KLVFF, extended to give AAKLVFF is studied in methanol. Self-assembly into peptide nanotubes is observed, as confirmed by electron microscopy and small-angle X-ray scattering. The secondary structure of the peptide is probed by FTIR and circular dichroism, and UV/visible spectroscopy provides evidence for the important role of aromatic interactions between phenylalanine residues in driving beta-sheet self-assembly. The beta-sheets wrap helically to form the nanotubes, the nanotube wall comprising four wrapped beta-sheets. At higher concentration, the peptide nanotubes form a nematic phase that exhibits spontaneous flow alignment as observed by small-angle neutron scattering.

Self-assembly of an amyloid peptide fragment–PEG conjugate: lyotropic phase formation and influence of PEG crystallization

The self-assembly of PEGylated peptides containing a modified sequence from the amyloid beta peptide, YYKLVFF, has been studied in aqueous solution. Two PEG molar masses, PEG1k and PEG3k, were used in the conjugates. It is shown that both YYKLVFF–PEG hybrids form fibrils comprising a peptide core and a PEG corona. The fibrils are much longer for YYKLVFF–PEG1k, pointing to an influence of PEG chain length. The beta-sheet secondary structure of the peptide is retained in the conjugate. Lyotropic liquid crystal phases, specifically nematic and hexagonal columnar phases, are formed at sufficiently high concentration. Flow alignment of these mesophases was investigated by small-angle neutron scattering with in situ steady shearing in a Couette cell. On drying, PEG crystallization occurs leading to characteristic peaks in the X-ray diffraction pattern, and to lamellar structures imaged by atomic force microscopy. The X-ray diffraction pattern retains features of the cross-beta pattern from the beta-sheet structure, showing that this is not disrupted by PEG crystallization.

Self-assembly of PEGylated peptide conjugates containing a modified amyloid β-peptide fragment

The self-assembly of PEGylated peptides containing a modified sequence from the amyloid beta peptide, FEK LVFF, has been studied in aqueous solution. PEG molar masses PEG1k, PEG2k, and PEG10k were used in the conjugates. It is shown that the three FFK LVFF-PEG hybrids form fibrils comprising a FFKLVFF core and a PEG corona. The beta-sheet secondary structure of the peptide is retained in the FFK LVFF fibril core. At sufficiently high concentrations, FEK LVFF-PEG1k and FEK LVFF-PEG2k form a nema tic phase, while PEG10k-FEK LVFF exhibits a hexagonal columnar phase. Simultaneous small angle neutron scattering/shear flow experiments were performed to study the shear flow alignment of the nematic and hexagonal liquid crystal phases. On drying, PEG crystallization occurs without disruption of the FFK LVFF beta-sheet structure leading to characteristic peaks in the X-ray diffraction pattern and FTIR spectra. The stability of beta-sheet structures was also studied in blends of FFKLVFF-PEG conjugates with poly(acrylic acid) (PAA). While PEG crystallization is only observed up to 25% PAA content in the blends, the FFK LVFF beta-sheet structure is retained up to 75% PAA.