Разница электронных колебаний между триметиламином N

Том 12 научных докладов, Номер статьи: 19417 (2022) Цитировать эту статью

1158 Доступов

26 Альтметрика

Подробности о метриках

Хотя небольшие органические молекулы в клетках считаются важными для контроля функций белков, их электронных колебаний и межмолекулярного взаимодействия, которое является физико-химической основой молекулярных функций, в физиологических условиях, т.е. в разбавленных водных растворах (0,18 моль/л) , так и не была выяснена из-за отсутствия методов наблюдения, обладающих как точностью, так и эффективностью. Здесь временная эволюция взаимодействий в разбавленных водных растворах N-оксида триметиламина (ТМАО) и трет-бутилового спирта (ТБК) была проанализирована с помощью ab initio молекулярно-динамического моделирования, ускоренного с помощью молекулярной теории фрагментов. Известно, что ТМАО и ТБК имеют сходную структуру, но противоположные физиологические функции по стабилизации и дестабилизации белков. Выяснилось, что ТМАО индуцирует устойчивые поляризационные взаимодействия и взаимодействия с переносом заряда с молекулами воды вблизи гидрофильной группы, причем молекулы воды захватываются даже вблизи группы CH3–. Это должно повлиять на стабилизацию белка. Понимание динамики решения будет способствовать разработке искусственных шаперонов в медицине следующего поколения.

Небольшие органические растворенные вещества в клетках оказывают различное воздействие на белки. Например, N-оксид триметиламина (ТМАО, рис. S1a), состоящий из N+O- и метильной (CH3–) групп, обнаружен у глубоководных рыб и является известным осмолитом, сохраняющим физиологические функции белков1 . Эффекты часто сравнивают с ионами типа (CH3)4 N+ и PO43-, которые более способны структурировать воду в ряду Хофмайстера2. Однако механизм сохранения осмотического давления все еще обсуждается; предлагаемые объяснения включают привлекательное прямое взаимодействие между ТМАО и белками2 или косвенные взаимодействия через структурные изменения водного раствора как молекулярного агрегата3,4. Если будет выяснен механизм, с помощью которого ТМАО обеспечивает физиологическое функциональное сохранение белков, это внесет фундаментальный научный вклад, например, в медицину следующего поколения за счет ускорения разработки искусственных шаперонов и понимания механизма атеросклероза.

Биофизическая химия и динамика растворения водных растворов ТМАО были тщательно исследованы с экспериментальных точек зрения5,6,7,8,9,10,11,12,13,14. Колебательная спектроскопия и спектроскопия ядерного магнитного резонанса показали, что группы N+O- и CH3- ТМАО замедляют динамику молекул воды в растворе и что группы N+O- обладают заметной способностью захватывать молекулы воды5,6,7. 10,11,13. Эти результаты тщательно обсуждались с помощью молекулярно-динамического моделирования, основанного на классических силовых полях3,15,16,17,18. Однако хорошо известно, что результаты зависят от выбора силового поля. Таким образом, моделирование ab initio молекулярной динамики (AIMD) важно для точного объяснения экспериментальных результатов и искусственного проектирования способности регулирования осмотического давления. Хотя было проведено несколько моделей AIMD субпикосекундного порядка Борна-Оппенгеймера с использованием теории функционала плотности19,20,21,22,23,24, предыдущие исследования не выявили межмолекулярного взаимодействия, которое является физико-химической причиной молекулярных функций. Кроме того, из-за высоких вычислительных затрат предыдущего моделирования AIMD целевые системы были ограничены небольшими размерами, а концентрации (более 0,5 моль л-1) были намного выше, чем в естественных условиях (т.е. у глубоководных рыб). ).

Целью данного исследования является выяснение электронной флуктуации и временной эволюции межмолекулярных взаимодействий в водном растворе ТМАО с реалистичными условиями концентрации. С этой целью мы сосредоточились на взаимодействиях растворенного вещества и растворителя и применили ab initio эффективное фрагментное моделирование потенциально-молекулярной динамики (EFP-MD), которое особенно подходит для выполнения AIMD-моделирования наносекундного порядка для систем, содержащих несколько тысяч атомов25,26,27 ,28,29,30 – для разбавленных водных растворов ТМАО (0,18 моль/л). Для сравнения также был исследован разбавленный водный раствор трет-бутилового спирта (TBA, рис. S1b), который известен как денатурант белка5,6,16.