Vibrational Stark spectroscopy for assessing ligand-binding strengths in a protein

文献情報

出版日 2017-05-24
DOI 10.1039/C7CP01892D
インパクトファクター 3.676
著者

Padmabati Mondal, Markus Meuwly


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要旨

Nitrile groups are potentially useful spectroscopic probes in the infrared to characterize the binding and dynamics of ligands in proteins. This opens the possibility of locating and determining the binding mode of suitably labelled ligands in proteins based on optical spectroscopy, without the need for determining an X-ray structure. However, relating structure and spectroscopy requires means to accurately compute infrared spectra. This is investigated for benzonitrile (PhCN) in water, wild type (WT) and two lysozyme mutants in solution. The force field is validated by comparing with experimental data for benzonitrile in water which is the basis for computing the Stark shift and time scale for spectral diffusion of PhCN in WT and the L99A and L99G mutants of T4 lysozyme. The 1-d spectra for PhCN in WT and the two mutant proteins differ in their maximum absorption by up to 4 cm−1, which reflects the modified electrostatic environments in the three proteins. It is also tested whether extending from 1-d to 2-d infrared spectroscopy provides further discrimination in the ligand-binding modes. First, for PhCN in solution the frequency fluctuation correlation function (FFCF) decays to zero at short times whereas in the protein a pronounced static inhomogeneous component is found. Secondly, the decay time of the FFCF for the mutant to which PhCN binds most strongly has the longest decay time. It is demonstrated explicitly that the ligand-binding free energy with respect to the three protein variants correlates with the Stark shift. This makes 1-d infrared spectroscopy together with computations a valuable tool for characterizing binding modes and potentially binding locations in proteins.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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