蛋白质水合层溶剂化动力学中多时间尺度的起源：分子动力学模拟研究

为探究溶剂化动力学中观测到的多重时间尺度的微观起源，我们进行了若干计算机实验。对溶菌酶、肌红蛋白和甜蛋白Monellin这三个蛋白质-水体系进行了原子级分子动力学模拟。在这些实验中，我们对某些天然探针（色氨酸）邻近氨基酸侧链的电荷进行了突变，并冻结了侧链运动。为区分不同贡献，我们将总溶剂化能量响应按体系中存在的各种组分进行分解。这使我们能够捕捉不同自相关和交叉能量相关项之间的相互作用。冻结蛋白质运动移除了由侧链涨落引起的最慢组分，但部分慢速特征仍然存在。由此得出结论：~20-80 ps范围内的慢速组分来源于水合层中存在的慢速水分子。而超过100 ps的组分可能来源于多种因素，即氨基酸侧链中的邻近电荷、与之形成氢键的水分子，以及侧链与水之间的动态耦合运动。此外，电荷促使附近水分子形成结构有序排列，并有助于形成局域长寿命氢键网络。对溶剂化动力学中空间和时间响应的进一步分离揭示了水合层水和体相水的不同作用。我们发现水合层水分子是慢速组分的主要来源，而初始的超快衰减主要（约80%）来源于体相水。这与先前的理论观测一致。我们还尝试借助基于经典含时密度泛函理论发展的分子流体动力学理论，以半定量方式合理化我们的结果。