An intraresidue H-bonding motif in selenocysteine and cysteine, revealed by gas phase laser spectroscopy and quantum chemistry calculations

文献情報

出版日 2020-09-01
DOI 10.1039/D0CP02825H
インパクトファクター 3.676
著者

Gildas Goldsztejn, Venkateswara Rao Mundlapati, Jérémy Donon, Benjamin Tardivel, Eric Gloaguen, Valérie Brenner, Michel Mons


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要旨

Models of protein chains containing a seleno-cysteine (Sec) residue have been investigated by gas phase laser spectroscopy in order to document the effect of the H-bonding properties of the SeH group in the folding of the Sec side chain, by comparison with recent data on Ser- and Cys-containing sequences. Experimental data, complemented by quantum chemistry calculations and natural bonding orbital (NBO) analyses, are interpreted in terms of the formation of a so-called 5γ intra-residue motif, which bridges the acceptor chalcogen atom of the side chain to the NH bond of the same residue. This local structure, in which the O/S/Se atom is close to the plane of the N-terminal side amide, is constrained by local backbone-side chain hyperconjugation effects involving the S and Se atoms. Theoretical investigations of the Cys/Sec side chain show that (i) this 5γ motif is an intrinsic feature of these residues, (ii) the corresponding H-bond is strongly non-linear and intrinsically weak, (iii) but enhanced by γ- and β-turn secondary structures, which promote a more favorable 5γ H-bonding approach and distance. The resulting H-bonds are slightly stronger in selenocysteine than in cysteine, but nearly inexistent in serine, whose side chain in contrast behaves as a H-bonding donor. The modest spectral shifts of the Cys/Sec NH stretches measured experimentally reflect the moderate strength of the 5γ H-bonding, in agreement with the correlation obtained with a NBO-based H-bond strength indicator. The evolution along the Ser, Cys and Sec series emphasizes the compromise between the several factors that control the H-bonding in a hyperconjugation-constrained geometry, among them the chalcogen van der Waals and covalent radii. It also illustrates the 5γ H-bond enhancements with the Sec and Cys residues favoured by the constraints imposed by the γ- and β-turn structures of the peptide chain.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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