Picosecond fast motions and their involvement in the biochemical processes such as protein–ligand binding has engaged significant attention. Terahertz optical Kerr spectroscopy (OKE) has the superior potential to probe these fast motions directly. Application of OKE in protein–ligand binding study is, however, limited by the difficulty of quantitative atomistic interpretation, and the calculation of Kerr spectrum for entire solvated protein complex was considered not yet feasible, due to the lack of one consistent polarizable model for both configuration sampling and polarizability calculation. Here, we analyzed the biochemical relevance of OKE to the lysozyme–triacetylchitotriose binding based on the first OKE simulation using one consistent Drude polarizable model. An analytical multipole and induced dipole scheme was employed to calculate the off-diagonal Drude polarizability more efficiently and accurately. Further theoretical analysis revealed how the subtle twisting and stiffening of aromatic protein residues’ spatial arrangement as well as the confinement of small water clusters between ligand and protein cavity due to the ligand binding can be examined using Kerr spectroscopy. Comparison between the signals of bound complex and that of uncorrelated protein/ligand demonstrated that binding action alone has reflection in the OKE spectrum. Our study indicated OKE as a powerful terahertz probe for protein–ligand binding chemistry and dynamics.

中文翻译：

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太赫兹光学克尔光谱揭示的蛋白质-配体结合分子细节：模拟研究

皮秒快速运动及其参与蛋白质-配体结合等生化过程引起了极大的关注。太赫兹光学克尔光谱 (OKE) 具有直接探测这些快速运动的卓越潜力。然而，OKE 在蛋白质-配体结合研究中的应用受到定量原子解释困难的限制，并且由于缺乏一个一致的可极化模型，计算整个溶剂化蛋白质复合物的克尔谱被认为尚不可行。构型采样和极化率计算。在这里，我们使用一个一致的 Drude 极化模型基于第一次 OKE 模拟分析了 OKE 与溶菌酶-三乙酰壳三糖结合的生化相关性。采用分析多极和感应偶极方案来更有效和准确地计算非对角德鲁德极化率。进一步的理论分析揭示了如何使用克尔光谱检查芳香蛋白质残基空间排列的微妙扭曲和硬化以及由于配体结合而导致的配体和蛋白质腔之间小水簇的限制。结合复合物的信号与不相关的蛋白质/配体的信号之间的比较表明，单独的结合作用在 OKE 光谱中具有反射。我们的研究表明 OKE 是用于蛋白质-配体结合化学和动力学的强大太赫兹探针。进一步的理论分析揭示了如何使用克尔光谱检查芳香蛋白质残基空间排列的微妙扭曲和硬化以及由于配体结合而导致的配体和蛋白质腔之间小水簇的限制。结合复合物的信号与不相关的蛋白质/配体的信号之间的比较表明，单独的结合作用在 OKE 光谱中具有反射。我们的研究表明 OKE 是用于蛋白质-配体结合化学和动力学的强大太赫兹探针。进一步的理论分析揭示了如何使用克尔光谱检查芳香蛋白质残基空间排列的微妙扭曲和硬化以及由于配体结合而导致的配体和蛋白质腔之间小水簇的限制。结合复合物的信号与不相关的蛋白质/配体的信号之间的比较表明，单独的结合作用在 OKE 光谱中具有反射。我们的研究表明 OKE 是用于蛋白质-配体结合化学和动力学的强大太赫兹探针。结合复合物的信号与不相关的蛋白质/配体的信号之间的比较表明，单独的结合作用在 OKE 光谱中具有反射。我们的研究表明 OKE 是用于蛋白质-配体结合化学和动力学的强大太赫兹探针。结合复合物的信号与不相关的蛋白质/配体的信号之间的比较表明，单独的结合作用在 OKE 光谱中具有反射。我们的研究表明 OKE 是用于蛋白质-配体结合化学和动力学的强大太赫兹探针。