糖胺聚糖刷中的离子配对和介电递减,The Journal of Physical Chemistry B

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糖胺聚糖刷中的离子配对和介电递减
The Journal of Physical Chemistry B ( IF 3.3 ) Pub Date : 2021-03-04 , DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c11571
James D. Sterling ₁ , Wenjuan Jiang ₂ , Wesley M. Botello-Smith ₂ , Yun L. Luo ₂

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细胞表面多糖对于生理学的许多方面都是必不可少的，它是生命的高度保守的进化特征，并且是哺乳动物先天免疫系统的重要组成部分。在这里，作为这些糖衣的简化生物物理模型，我们介绍了透明质酸和肝素刷的分子动力学模拟结果，这些结果显示了离子对，水介电常数降低和离子排斥的重要作用。与先前在生理学上相关的盐浓度下大分子拥挤的研究一样，我们的结果表明，通过在原子细节处筛选和配对单价阳离子的阴离子电荷，可以实现与电子中性的平衡。最令人惊讶的是从非极化和德鲁极化极化场获得的唐南势的逆转，与仅基于静电玻尔兹曼分配所期望的相反。刷子域中水介电常数的减少还与刷子中的硼水合驱动阳离子排斥有关。我们观察到，吸引阳离子以达到刷子电中性的主要分配能是离子对或盐桥能。钾和钠与糖胺聚糖羧酸盐和硫酸盐的配对显示相似程度的接触配对和溶剂分离配对。我们得出的结论是，在这些拥挤的大分子电刷中，离子对，Born水合和静电势能均有助于实现电子中性，因此应在均场模型中做出贡献，以准确表示电刷静电。刷子域中水介电常数的减少还与刷子中的硼水合驱动阳离子排斥有关。我们观察到，吸引阳离子以达到刷子电中性的主要分配能是离子对或盐桥能。钾和钠与糖胺聚糖羧酸盐和硫酸盐的配对显示相似程度的接触配对和溶剂分离配对。我们得出的结论是，在这些拥挤的大分子电刷中，离子对，Born水合和静电势能均有助于实现电子中性，因此应在均场模型中做出贡献，以准确表示电刷静电。刷子域中水介电常数的减少还与刷子中的硼水合驱动阳离子排斥有关。我们观察到，吸引阳离子以达到刷子电中性的主要分配能是离子对或盐桥能。钾和钠与糖胺聚糖羧酸盐和硫酸盐的配对显示相似程度的接触配对和溶剂分离配对。我们得出的结论是，在这些拥挤的大分子电刷中，离子对，Born水合和静电势能均有助于实现电子中性，因此应在均场模型中做出贡献，以准确表示电刷静电。我们观察到，吸引阳离子以达到刷子电中性的主要分配能是离子对或盐桥能。钾和钠与糖胺聚糖羧酸盐和硫酸盐的配对显示相似程度的接触配对和溶剂分离配对。我们得出的结论是，在这些拥挤的大分子电刷中，离子对，Born水合和静电势能均有助于实现电子中性，因此应在均场模型中做出贡献，以准确表示电刷静电。我们观察到，吸引阳离子以达到刷子电中性的主要分配能是离子对或盐桥能。钾和钠与糖胺聚糖羧酸盐和硫酸盐的配对显示相似程度的接触配对和溶剂分离配对。我们得出的结论是，在这些拥挤的大分子电刷中，离子对，Born水合和静电势能均有助于实现电子中性，因此应在均场模型中做出贡献，以准确表示电刷静电。

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Ion Pairing and Dielectric Decrement in Glycosaminoglycan Brushes

Cell–surface polysaccharides are essential to many aspects of physiology, serving as a highly conserved evolutionary feature of life and as an important part of the innate immune system in mammals. Here, as simplified biophysical models of these sugar coatings, we present results of molecular dynamics simulations of hyaluronic acid and heparin brushes that show important effects of ion pairing, water dielectric decrease, and coion exclusion. As in prior studies of macromolecular crowding under physiologically relevant salt concentrations, our results show equilibria with electroneutrality attained through screening and pairing of brush anionic charges by monovalent cations at the atomistic detail. Most surprising is the reversal of the Donnan potential obtained from both nonpolarizable and Drude polarizable force fields, in contrast to what would be expected based on electrostatic Boltzmann partitioning alone. Water dielectric decrement within the brush domain is also associated with Born hydration-driven cation exclusion from the brush. We observe that the primary partition energy attracting cations to attain brush electroneutrality is the ion pairing or salt-bridge energy. Potassium and sodium pairings to glycosaminoglycan carboxylates and sulfates show similar abundance of contact-pairing and solvent-separated pairing. We conclude that in these crowded macromolecular brushes, ion-pairing, Born-hydration, and electrostatic potential energies all contribute to attain electroneutrality and should therefore contribute in mean-field models to accurately represent brush electrostatics.

更新日期：2021-03-18

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