Highly charged, single α-helical (SAH) domains contain a high percentage of Arg, Lys, and Glu residues. Their dynamic salt bridge pairing creates the exceptional stiffness of these helical rods, with a persistence length of more than 200 Å for the myosin VI SAH domain. With the aim of modulating the stiffness of the helical structure, we investigated the effect, using NMR spectroscopy, of substituting key charged Arg, Lys, Glu, and Asp residues by Gly or His. Results indicate that such mutations result in the transient breaking of the helix at the site of mutation but with noticeable impact on amide hydrogen exchange rates extending as far as ±2 helical turns, pointing to a substantial degree of cooperativity in SAH stability. Whereas a single Gly substitution caused transient breaks ∼20% of the time, two consecutive Gly substitutions break the helix ∼65% of the time. NMR relaxation measurements indicate that the exchange rate between an intact and a broken helix is fast (>300,000 s-1) and that for the wild-type sequence, the finite persistence length is dominated by thermal fluctuations of backbone torsion angles and H-bond lengths, not by transient helix breaking. The double mutation D27H/E28H causes a pH-dependent fraction of helix disruption, in which the helix breakage increases from 26% at pH 7.5 to 53% at pH 5.5. The ability to modulate helical integrity by pH may enable incorporation of externally tunable dynamic components in the design of molecular machines.

中文翻译：

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调节肌球蛋白-VI 单α-螺旋域的刚度

高度带电的单 α-螺旋 (SAH) 结构域包含高百分比的 Arg、Lys 和 Glu 残基。它们的动态盐桥配对使这些螺旋杆具有非凡的刚度，肌球蛋白 VI SAH 结构域的持续长度超过 200 Å。为了调节螺旋结构的刚度，我们使用 NMR 光谱研究了用 Gly 或 His 取代关键的带电 Arg、Lys、Glu 和 Asp 残基的效果。结果表明，此类突变导致突变位点螺旋的瞬时断裂，但对酰胺氢交换率的显着影响延伸至 ±2 螺旋转角，表明 SAH 稳定性具有很大程度的协同性。而单个 Gly 替代导致约 20% 的时间短暂中断，两个连续的 Gly 取代在大约 65% 的时间内破坏了螺旋。NMR弛豫测量表明完整和断裂螺旋之间的交换速度很快（> 300,000 s-1），对于野生型序列，有限的持久长度由骨架扭转角和H键的热波动决定长度，而不是通过瞬时螺旋断裂。双突变 D27H/E28H 导致螺旋断裂的 pH 依赖性部分，其中螺旋断裂从 pH 7.5 时的 26% 增加到 pH 5.5 时的 53%。通过 pH 调节螺旋完整性的能力可以在分子机器的设计中加入外部可调的动态组件。000 s-1) 和野生型序列，有限的持续长度由骨架扭转角和 H 键长度的热波动决定，而不是由瞬时螺旋断裂决定。双突变 D27H/E28H 导致螺旋断裂的 pH 依赖性部分，其中螺旋断裂从 pH 7.5 时的 26% 增加到 pH 5.5 时的 53%。通过 pH 调节螺旋完整性的能力可以在分子机器的设计中加入外部可调的动态组件。000 s-1) 和野生型序列，有限的持续长度由骨架扭转角和 H 键长度的热波动决定，而不是由瞬时螺旋断裂决定。双突变 D27H/E28H 导致螺旋断裂的 pH 依赖性部分，其中螺旋断裂从 pH 7.5 时的 26% 增加到 pH 5.5 时的 53%。通过 pH 调节螺旋完整性的能力可以在分子机器的设计中加入外部可调的动态组件。