Amides as models to study the hydration of proteins and peptides — spectroscopic and theoretical approach on hydration in various temperatures - Publikacja - MOST Wiedzy

Wyszukiwarka

Amides as models to study the hydration of proteins and peptides — spectroscopic and theoretical approach on hydration in various temperatures

Abstrakt

Interactions with water are one of the key factors which determine protein stability and activity in aqueous solutions. However, the protein hydration is still insufficiently understood. N-methylacetamide (NMA) is regarded as a minimal part of the peptide backbone and the relative simplicity of its structure makes it a good model for studies on protein–water interactions. In this paper, the influence of NMA and N,N-dimethylacetamide (DMA) on surrounding water molecules in a range of temperature (25–75 ◦C) is studied by means of the FTIR spectroscopy. The results of the difference HDO spectra method are compared with the results of theoretical DFT calculations of NMA and DMA aqueous complexes. Both NMA and DMA can be regarded as “structure-makers”, yet their hydration spheres are different. These molecules exhibit a mixed and mutually dependent types of hydration: hydrophilic and hydrophobic. In the case of a NMA molecule that has one methyl group less than DMA, the type of hydrophobic hydration is more important. The DMA hydration sphere is less stable: the interactions between water molecules around the methyl groups are strained. Moreover, the hydration of NMA is much more temperature dependant than in the case of DMA. The source of the differences may be hidden in the N-H· · ·H2O interaction. The delicate nature of water interactions with the peptide block models may be cautiously translated into the much more complicated interactions of proteins with their hydration shells.

Cytowania

  • 2

    CrossRef

  • 3

    Web of Science

  • 3

    Scopus

Informacje szczegółowe

Kategoria:
Publikacja w czasopiśmie
Typ:
artykuł w czasopiśmie wyróżnionym w JCR
Opublikowano w:
JOURNAL OF MOLECULAR LIQUIDS nr 278, strony 706 - 715,
ISSN: 0167-7322
Język:
angielski
Rok wydania:
2019
Opis bibliograficzny:
Panuszko A., Nowak M., Bruździak P., Stasiulewicz M., Stangret J.: Amides as models to study the hydration of proteins and peptides — spectroscopic and theoretical approach on hydration in various temperatures// JOURNAL OF MOLECULAR LIQUIDS. -Vol. 278, (2019), s.706-715
DOI:
Cyfrowy identyfikator dokumentu elektronicznego (otwiera się w nowej karcie) 10.1016/j.molliq.2019.01.086
Bibliografia: test
  1. L. Biedermannova, B. Schneider, Hydration of proteins and nucleic 462 acids: Advances in experiment and theory. A review, Biochim. Biophys. 463 Acta 1860 (2016) 1821-1835. otwiera się w nowej karcie
  2. L. Aggarwal, P. Biswas, Hydration water distribution around intrinsi- 465 cally disordered proteins, J. Phys. Chem. B 122 (2018) 4206-4218. otwiera się w nowej karcie
  3. J. N. Dahanayake, K. R. Mitchell-Koch, Entropy connects water struc- 467 ture and dynamics in protein hydration layers, Phys. Chem. Chem. otwiera się w nowej karcie
  4. Phys. 20 (2018) 14765-14777. otwiera się w nowej karcie
  5. J. T. King, K. J. Kubarych, Site-specific coupling of hydration water and 470 protein flexibility studied in solution with ultrafast 2D-IR spectroscopy, 471 otwiera się w nowej karcie
  6. J. Am. Chem. Soc. 134 (2012) 18705-18712. otwiera się w nowej karcie
  7. R. C. Remsing, E. Xi, A. J. Patel, Protein hydration thermodynamics: 473 The influence of flexibility and salt on hydrophobin II hydration, J. otwiera się w nowej karcie
  8. Phys. Chem. B. 122 (2018) 3635-3646. otwiera się w nowej karcie
  9. Amide II) and effect of solvation on the C=O stretch (Amide I) in- 520 tensity, J. Phys. Chem. 95 (1991) 2962-2967. otwiera się w nowej karcie
  10. J. M. Dudik, C. R. Johnson, S. A. Asher, UV resonance Raman studies 522 of acetone, acetamide, and N-methylacetamide: Models for the peptide 523 bond, J. Phys. Chem. 89 (1985) 3805-3814. otwiera się w nowej karcie
  11. X. G. Chen, R. Schweitzer-Stenner, N. G. Mirkin, S. A. Asher, N- 525 methylacetamide and its hydrogen-bonded water molecules are vibra- 526 tionally coupled, J. Am. Chem. Soc. 116 (1994) 11141-11142. otwiera się w nowej karcie
  12. X. G. Chen, R. Schweitzer-Stenner, S. A. Asher, N. G. Mirkin, 528
  13. S. Krimm, Vibrational assignments of trans-N-methylacetamide and 529 some of its deuterated isotopomers from band decomposition of IR, visi- 530
  14. ble, and resonance Raman spectra, J. Phys. Chem. 99 (1995) 3074-3083.
  15. S. Song, S. A. Asher, S. Krimm, K. D. Shaw, Ultraviolet resonance 532 otwiera się w nowej karcie
  16. Raman studies of trans and cis peptides: Photochemical consequences 533 of the twisted pi* excited state, J. Am. Chem. Soc. 113 (1991) 1155- 534 otwiera się w nowej karcie
  17. V. Vasylyeva, S. K. Nayak, G. Terraneo, G. Cavallo, P. Metrangolo, 536 otwiera się w nowej karcie
  18. G. Resnati, Orthogonal halogen and hydrogen bonds involving a peptide 537 bond model, CrystEngComm 16 (2014) 8102-8105.
  19. S. Woutersen, Y. Mu, G. Stock, P. Hamm, Hydrogen-bond lifetime 539 measured by time-resolved 2D-IR spectroscopy: N-methylacetamide in 540 methanol, Chemical Physics 266 (2001) 137-147. otwiera się w nowej karcie
  20. M. F. DeCamp, L. DeFlores, J. M. McCracken, A. Tokmakoff, Amide I 542 vibrational dynamics of N-methylacetamide in polar solvents: The role 543 of electrostatic interactions, J. Phys. Chem. B 109 (2005) 11016-11026. otwiera się w nowej karcie
  21. R. Schweitzer-Stenner, G. Sieler, Intermolecular coupling in liquid and 545 crystalline states of trans-N-methylacetamide investigated by polarized 546 otwiera się w nowej karcie
  22. Raman and FT-IR spectroscopies, J. Phys. Chem. A 102 (1998) 118-
  23. R. Zhang, H. Li, Y. Lei, S. Han, All-atom Molecular Dynamic simula- 549 tions and relative NMR spectra study of weak c-h o contacts in amide- 550 water systems, J. Phys. Chem. B 109 (2005) 7482-7487. otwiera się w nowej karcie
  24. V. K. Yadav, A. Chandra, First-principles simulation study of vibra- 552 tional spectral diffusion and hydrogen bond fluctuations in aqueous so- 553 lution of Nmethylacetamide, J. Phys. Chem. B 119 (2015) 9858-9867. otwiera się w nowej karcie
  25. M. H. Farag, M. F. Ruiz-Lopez, A. Bastida, G. Monard, F. Ingrosso, 555 otwiera się w nowej karcie
  26. Hydration effect on amide I infrared bands in water: An interpretation 556 based on an interaction energy decomposition scheme, J. Phys. Chem. 557 B 119 (2015) 9056-9067. otwiera się w nowej karcie
  27. J. Heyda, J. C. Vincent, D. J. Tobias, J. Dzubiella, P. Jungwirth, Ion 559 specificity at the peptide bond: Molecular Dynamics simulations of N- 560 methylacetamide in aqueous salt solutions, J. Phys. Chem. B 114 (2010) 561 1213-1220. otwiera się w nowej karcie
  28. W.-G. Han, S. Suhai, Density functional studies on N-methylacetamide- 563 water complexes, J. Phys. Chem. B 100 (1996) 3942-3949. otwiera się w nowej karcie
  29. N. T. Hunt, K. Wynne, The effect of temperature and solvation on the 565 ultrafast dynamics of N-methylacetamide, Chem. Phys. Lett. 431 (2006) otwiera się w nowej karcie
  30. N. G. Mirkin, S. Krimm, Ab initio vibrational analysis of isotopic deriva- 568 tives of aqueous hydrogen-bonded trans-N-methylacetamide, J. Mol. otwiera się w nowej karcie
  31. Struct. 377 (1996) 219-234.
  32. J. Gao, M. Freindorf, Hybrid ab initio QM/MM simulation of N- 571 methylacetamide in aqueous solution, J. Phys. Chem. A 101 (1997) otwiera się w nowej karcie
  33. A. Panuszko, E. Gojlo, J. Zielkiewicz, M. Smiechowski, J. Krakowiak, 574 otwiera się w nowej karcie
  34. J. Stangret, Hydration of simple amides. FTIR spectra of HDO and 575 theoretical studies, J. Phys. Chem. B 112 (2008) 2483-2493.
  35. B. Mennucci, J. M. Martínez, How to model solvation of peptides? 577 Insights from a quantum-mechanical and molecular dynamics study of 578 otwiera się w nowej karcie
  36. N-methylacetamide. 1. Geometries, infrared, and ultraviolet spectra in 579 water, Journal of Physical Chemistry B 109 (2005) 9818-9829.
  37. M. P. Gaigeot, R. Vuilleumier, M. Sprik, D. Borgis, Infrared spec- 581 troscopy of N-methylacetamide revisited by ab initio molecular dynam- 582 ics simulations, Journal of Chemical Theory and Computation 1 (2005) otwiera się w nowej karcie
  38. M. Buck, M. Karplus, Hydrogen bond energetics: A simulation and 585 statistical analysis of N-methyl acetamide (NMA), water, and human 586 lysozyme, Journal of Physical Chemistry B 105 (2001) 11000-11015. 587 26 otwiera się w nowej karcie
  39. Z.-Z. Yang, P. Qian, A study of N-methylacetamide in water clus- 588 ters: Based on atom-bond electronegativity equalization method fused 589 into molecular mechanics, The Journal of Chemical Physics 125 (2006) otwiera się w nowej karcie
  40. W. L. Jorgensen, J. Gao, Cis-Trans energy difference for the peptide 592 bond in the gas phase and in aqueous solution, J. Am. Chem. Soc. 110 593 (1988) 4212-4216. otwiera się w nowej karcie
  41. G. Nandini, D. N. Sathyanarayana, Ab initio studies on geometry and 595 vibrational spectra of N-methylformamide and N-methylacetamide, J. otwiera się w nowej karcie
  42. Mol. Struct.(TEOCHEM) 579 (2002) 1-9. otwiera się w nowej karcie
  43. S. Shin, A. Kurawaki, Y. Hamada, K. Shinya, K. Ohno, A. Tohara, 598 otwiera się w nowej karcie
  44. M. Sato, Conformational behavior of N-methylformamide in the gas, 599 matrix, and solution states as revealed by IR and NMR spectroscopic 600 measurements and by theoretical calculations, J. Mol. Struct. 791 (2006) 601
  45. A. C. Fantoni, W. Caminati, Rotational spectrum and ab initio calcu- 603 lations of N-methylformamide, J. Chem. Soc., Faraday Trans. 92 (1996) otwiera się w nowej karcie
  46. Y. K. Kang, H. S. Park, Internal rotation about the CN bond of amides, 606 otwiera się w nowej karcie
  47. J. Mol. Struct.(TEOCHEM) 676 (2004) 171-176. otwiera się w nowej karcie
  48. H. Torii, T. Tatsumi, M. Tasumi, Effects of hydration on the structure, 608 vibrational wavenumbers, vibrational force field and resonance raman 609 27 intensities ofN-methylacetamide, Journal of Raman Spectroscopy 29 610 (1998) 537-546. otwiera się w nowej karcie
  49. M. P. Gaigeot, Theoretical spectroscopy of floppy peptides at room 612 temperature. A DFTMD perspective: Gas and aqueous phase, Physical 613 Chemistry Chemical Physics 12 (2010) 3336-3359. otwiera się w nowej karcie
  50. F. Ingrosso, G. Monard, M. Hamdi Farag, A. Bastida, M. F. Ruiz-Lopez, 615 otwiera się w nowej karcie
  51. Importance of Polarization and Charge Transfer Effects to Model the 616 otwiera się w nowej karcie
  52. Infrared Spectra of Peptides in Solution, Journal of Chemical Theory 617 and Computation 7 (2011) 1840-1849. otwiera się w nowej karcie
  53. K. Kwac, M. Cho, Molecular dynamics simulation study of <i>N</i> 619 -methylacetamide in water. I. Amide I mode frequency fluctuation, The 620 Journal of Chemical Physics 119 (2003) 2247-2255. otwiera się w nowej karcie
  54. S. Ham, J.-H. Kim, H. Lee, M. Cho, Correlation between electronic and 622 molecular structure distortions and vibrational properties. II. Amide I 623 modes of NMAnD2O complexes, The Journal of Chemical Physics 118 624 (2003) 3491-3498. otwiera się w nowej karcie
  55. M. Falk, T. A. Ford, Infrared spectrum and structure of liquid water, 626 otwiera się w nowej karcie
  56. Can. J. Chem. 44 (1966) 1699-1707. otwiera się w nowej karcie
  57. D. F. Hornig, On the spectrum and structure of water and ionic solu- 628 tions, J. Chem. Phys. 40 (1964) 3119. otwiera się w nowej karcie
  58. J. Stangret, Solute-affected vibrational spectra of water in Ca(ClO 4 ) 2 630 aqueous solution, Spect. Lett. 21 (1988) 369-381. otwiera się w nowej karcie
  59. J. Stangret, T. Gampe, Hydration sphere of tetrabutylammonium 632 cation. FTIR of HDO spectra, J. Phys. Chem. B 103 (1988) 3778-3783. otwiera się w nowej karcie
  60. J. Stangret, T. Gampe, Ionic hydration behavior derived from infrared 634 spectra in HDO, J. Phys. Chem. A 106 (2002) 5393-5402. otwiera się w nowej karcie
  61. M. Smiechowski, J. Stangret, Vibrational spectroscopy of semiheavy 636 water (HDO) as a probe of solute hydration, Pure Appl. Chem. 82 637 (2010) 1869-1887. otwiera się w nowej karcie
  62. R. M. Badger, B. S. H. Bauer, Spectroscopic studies of the hydrogen 639 bond II the shift of the OH vibrational frequency in the formation of 640 the hydrogen bond, J. Chem. Phys. 5 (1937) 839-851. otwiera się w nowej karcie
  63. S. Bratos, J.-C. Leicknam, S. Pommeret, Relation between the OH 642 stretching frequency and the OO distance in time-resolved infrared spec- 643 troscopy of hydrogen bonding, Chem. Phys. 359 (2009) 53-57. otwiera się w nowej karcie
  64. M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Robb, 645
  65. J. R. Cheeseman, G. Scalmani, V. Barone, B. Mennucci, G. A. Pe- 646 tersson, H. Nakatsuji, M. Caricato, X. Li, H. P. Hratchian, A. F. Iz- 647 maylov, J. Bloino, G. Zheng, J. L. Sonnenberg, M. Hada, M. Ehara, 648
  66. K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, 649
  67. O. Kitao, H. Nakai, T. Vreven, J. A. Montgomery Jr., J. E. Peralta, 650
  68. F. Ogliaro, M. Bearpark, J. J. Heyd, E. Brothers, K. N. Kudin, V. N.
  69. Staroverov, R. Kobayashi, J. Normand, K. Raghavachari, A. Rendell, 652 otwiera się w nowej karcie
  70. J. C. Burant, S. S. Iyengar, J. Tomasi, M. Cossi, N. Rega, J. M. Millam, 653
  71. M. Klene, J. E. Knox, J. B. Cross, V. Bakken, C. Adamo, J. Jaramillo, 654 29 otwiera się w nowej karcie
  72. R. Gomperts, R. E. Stratmann, O. Yazyev, A. J. Austin, R. Cammi, 655
  73. C. Pomelli, J. W. Ochterski, R. L. Martin, K. Morokuma, V. G. Za- 656 krzewski, G. A. Voth, P. Salvador, J. J. Dannenberg, S. Dapprich, A. D.
  74. Daniels,Ö. Farkas, J. B. Foresman, J. V. Ortiz, J. Cioslowski, D. J. Fox, 658
  75. E. R. Johnson, S. Keinan, P. Mori-Sanchez, J. Contreras-Garcia, A. J. otwiera się w nowej karcie
  76. Cohen, W. Yang, Revealing noncovalent interactions, Journal of the 661
  77. American Chemical Society 132 (2010) 6498-6506. otwiera się w nowej karcie
  78. T. Lu, F. Chen, Multiwfn: A multifunctional wavefunction analyzer, 663 Journal of Computational Chemistry 33 (2012) 580-592. otwiera się w nowej karcie
  79. Taurine as a water structure breaker and protein stabilizer, Amino Acids 665 50 (2018) 125-140. otwiera się w nowej karcie
  80. C. Lee, W. Yang, R. G. Parr, Development of the colle-salvetti 667 correlation-energy formula into a functional of the electron density, 668 otwiera się w nowej karcie
  81. Physical Review B 37 (1988) 785-789. otwiera się w nowej karcie
  82. A. D. Becke, Density-functional thermochemistry. III. the role of exact 670 exchange, The Journal of Chemical Physics 98 (1993) 5648-5652. otwiera się w nowej karcie
  83. R. Ditchfield, W. J. Hehre, J. A. Pople, Self-consistent molecular-orbital 672 methods. IX. an extended gaussian-type basis for molecular-orbital stud- 673 ies of organic molecules, The Journal of Chemical Physics 54 (1971) otwiera się w nowej karcie
  84. M. Cossi, N. Rega, G. Scalmani, V. Barone, Energies, structures, and 676 otwiera się w nowej karcie
  85. model, Journal of Computational Chemistry 24 (2003) 669-681. otwiera się w nowej karcie
  86. V. Barone, M. Cossi, Quantum calculation of molecular energies and 679 energy gradients in solution by a conductor solvent model, Journal of 680 Physical Chemistry A 102 (1998) 1995-2001. otwiera się w nowej karcie
  87. S. Grimme, S. Ehrlich, L. Goerigk, Effect of the damping function in 682 dispersion corrected density functional theory, Journal of Computational 683 Chemistry 32 (2011) 1456-1465. otwiera się w nowej karcie
  88. D. Eisenberg, W. Kauzmann, The Structure and Properties of Water., 685 otwiera się w nowej karcie
  89. a Temperature ( o C). b Affected number, equal to the number of moles of water affected by one mole of solute. c Band position at maximum (cm −1 ). otwiera się w nowej karcie
  90. d Band position at gravity center (cm −1 ). e Full width at half-height (cm −1 ). otwiera się w nowej karcie
  91. f Integrated intensity (dm 3 · mol −1 · cm −1 ). g The most probable O· · · O dis- tance (Å). h Mean O· · · O distance (Å). otwiera się w nowej karcie
Weryfikacja:
Politechnika Gdańska

wyświetlono 84 razy

Publikacje, które mogą cię zainteresować

Meta Tagi