Understanding protein dynamical transition and proteinwater interactions from dielectric relaxation calculations

Abstract

Su içeren bir lizozom çözeltisinin dielektrik özellikleri, 150-300 K sıcaklık aralı ıiçinde 2 ns uzunlu unda ve 300 K için 4 ns uzunlu unda gerçekle tirilen molekülerdinamik simulasyonlarından hesaplandı. Sistemin statik ve frekansa ba lı dielektriksabitleri, üç bile enin (protein, su, iyonlar) kendileriyle ve birbirleriyle olan korelasyonfonksiyonlarından hesaplandı. Protein, su ve bütün çözelti için Cole-Cole grafikleriçizildi. 190 K-210 K arasında gerçekle en dinamik de i imden sonra kuvvetli birprotein-su etkile imin ba langıcı, su için çizilen Cole-Cole grafiklerinde ve frekansa ba lıdielektrik sabitlerinde 210 K üzerinde görülen protein etkisiyle kanıtlandı. Yüzeyaminoasitlerinin çatısal ve yan zincir dihedral açıları hesaplandı. Yan zincirlerinetrafındaki su molekülleri etiketlenip tek tek izlendi ve yüzeye yakın ve uzak sularınradyal da ılım fonksiyonları hesaplandı. Bu verilere dayanarak yüzey suları ve proteinetkile imine dair bir model geli tirildi. Geçi sıcaklı ında bu etkile imin yan zincirlereyüksek hareketlilik kazandırdı ı, bu hareketin yüzey sularını dı arıya iterek sularınrotasyonunu sa ladı ı ve böylece suyun tamamına beklenmedik bir elektrostatik etkiyükledi i sonucuna varıldı. Buna göre i levsel protein, daha büyük ve ayrılamaz birprotein-su sisteminin bir parçasıdır. Su molekülleri de etraftaki di er biyolojikmolekülleri proteinin varlı ından haberdar eden bilgi ta ıyıcaları olarak dü ünülebilirler.

Dielectric properties of an aqueous lysozyme solution were calculated from 2 nslong MD simulations in the temperature range of 150-300 K and an 4 ns long simulationat 300 K. Static and frequency dependent dielectric constants of the system werecalculated from auto- and cross-correlations of its three components (protein, water,ions). Cole-Cole plots for protein, water and the total solution were obtained. Emergenceof an intense protein-water interaction above the dynamical transition between 190 K and210 K was evidenced by the presence of protein effects in the water components of theCole-Cole plots and frequency dependent dielectric constants at and above 210 K.Backbone and side chain torsion angle trajectories for surface loop residues within thisrange of temperatures were calculated. Also, water molecules around side chains werelabeled and monitored individually, and radial distribution functions of water around theside chains and in the bulk water were obtained. These data were used to support a modelthat accounts for the interaction between surface water and protein components, resultingin high mobility of the side chains at the transition temperature range. The watermolecules in the vicinity of the protein surface are then propelled into the bulk for a muchdifferent electrostatic effect than is immediately expected of the known properties ofwater alone. The functional protein, therefore, exists as an integral part of a largerprotein-water system that cannot be decoupled. The water molecules may even bethought of as information carriers that make other nearby biological molecules aware ofthe presence of the protein.