Molecular orbital calculations on the conformation of polypeptides and proteins

Abstract

An extensive comparison of empirical and quantum-mechanical computations on the conformation of the glycyl and alanyl residues indicates substantial differences between the two. The quantummechanical computations impose less restrictions upon the “allowed” or “preferred” conformational space than do the empirical ones. In the case of the alanyl residue they even introduce new zones of conformational stability, overlooked by the majority of the empirical computations. The experimental data coming from crystallographic studies on lysozyme, myoglobin and a number of smaller compounds are in better agreement with the quantum-mechanical results than with the empirical ones. Recent quantum-mechanical calculations on the conformational maps of the four aromatic residues of proteins having shown that these maps are, as far as their general contours are concerned, very similar to those of the alanyl residue, the conformational map for this last residue is considered as typical, roughly, for all C^β containing residues. It is shown that practically all experimentally known conformations for all the different amino-acid residues in lysozyme, myoglobin and a number of smaller compounds, fit into this scheme, the agreement being much better with the quantum-mechanical conformational map than with a typical empirical one.

Résumé

Une comparaison détaillée des résultats des calculs empiriques avec ceux des calculs quantiques sur la conformation des résidus glycyle et alanyle indique l'existence des divergences profondes entre les deux. Les calculs quantiques, menés par la méthode PCILO, imposent nettement moins de restrictions que ne le font les calculs empiriques sur l'espace conformationnel préféré de ces résidus. Dans le cas du résidu alanyle les calculs quantiques introduisent mÊme des nouvelles zones de stabilité conformationnelle qui ont échappé à la majorité des calculs empiriques et dont la signification paraÎt essentielle. Les données expérimentales provenant des études cristallographiques sur le lysozyme, la myoglobine et un certain nombre de molécules plus petites sont en meilleur accord avec les résultats des calculs quantiques qu'avec ceux des calculs empiriques. Des calculs quantiques récents sur les cartes conformationelles des quatre résidus aromatiques des protéines ayant montré que ces cartes sont, pour autant que l'on s'intéresse à leurs contours généraux, très semblables à celle du résidu alanyle, la carte conformationelle de ce dernier a été considérée comme représentant, grosso modo, tous les résidus à carbone Β. On montre que pratiquement toutes les conformations connues expérimentalement de tous les acides aminés du lysozyme, de la myoglobine et d'un certain nombre de molécules plus petites sont en accord avec cette représentation, l'accord étant bien meilleur avec la carte conformationnelle résultant des calculs quantiques qu'avec celle représentant un calcul empirique typique.

Zusammenfassung

Ein detaillierter Vergleich der Resultate empirischer und quantenmechanischer Rechnungen für die Konformation des Glycyl- und Alanyl-Restes zeigt gro\e Divergenzen. Die nicht empirischen, nach der PCILO-Methode durchgeführten Rechnungen ergeben weniger BeschrÄnkungen als die empirischen. Im Fall des Alanylrestes führen erstere sogar zu neuen Bereichen der StabilitÄt, die bei der Mehrzahl der empirischen Rechnungen nicht auftreten, obwohl sie wesentlich zu sein scheinen. Die experimentellen Angaben aus kristallographischen Studien über Lysozym, Myoglobin und eine Anzahl kleinerer Moleküle sind in besserer übereinstimmung mit den Resultaten der quantenmechanischen als mit denen der empirischen Rechnungen. Kürzlich haben quantenmechanische Berechnungen für die Konformation von vier aromatischen Proteinresten gezeigt, da\ sie im gro\en und ganzen der des Alanylrestes sehr Ähnlich sind. Deshalb wurden dessen Konformationen als in den Grundzügen typisch für alle C^β enthaltenden Reste angesehen. Schlie\lich wird gezeigt, da\ praktisch alle bekannten Konformationen für die verschiedenen AminosÄure-Reste in Lysozym, Myoglobin und einer Anzahl kleinerer Verbindungen in dieses Schema passen, wobei die übereinstimmung mit den quantenmechanischen Ergebnissen besser als mit denen rein empirischer Rechnungen ist.