Electrostatic and hydrodynamic interactions in molecular associations

Kinetic studies on the bimolecular association reactions, where in the first step molecules have to find each other in the diffusion process, interested scientists from over a hundred years. Great contribution to this research brought eminent Polish physicist Marian Smoluchowski, professor of Jagiellonian University. In this paper, the orientational steering effect of the hydrodynamic torques on an elongated ligand approaching a cleft enzyme was studied by stopped-flow kinetic measurements and brownian dynamic simulations. The kinetics of binding of the N,N',N''-triacetylchitotriose to hen egg-white lysozyme was performed as a function of ionic strength in two pH: 3.0 and 11.5. In these pH values the vector of the electric dipole moment of this protein has two significantly different orientations. At pH 11.5, this vector is set antiparallel to the vector of dipole moment of bound ligand, while at pH 3.0 it is set perpendicular. The Brownian dynamic simulations were performed on the beads models of the enzyme and ligand, with and without inclusion of hydrodynamic interactions. These simulations showed that the ionic strength dependence of the association rate constant is qualitatively consistent with the experiment for the simulations with the hydrodynamic interactions, and qualitatively different for the simulations without these interactions.

Tematyka związana z badaniami kinetyki asocjacji cząsteczek, której pierwszym etapem jest "odnalezienie się" partnerów reakcji w procesie dyfuzji, interesuje uczonych od ponad stu lat, a wielki wkład do tych badań wniósł wybitny polski fizyk Marian Smoluchowski, profesor Uniwersytetu Jagiellońskiego. W tej pracy zbadano orientujący wpływ momentów sił hydrodynamicznych na zbliżającą się wydłużoną cząsteczkę ligandu do podłużnej kieszeni wiążącej enzymu. Najpierw wykonano pomiary kinetyki wiązania N,N',N''-triacetylochitotriozy do lizozymu białka jaja kurzego w funkcji siły jonowej za pomocą fluorymetrii zatrzymanego przepływu w dwóch pH: 3.0 i 11.5. W tych wartościach pH wektor elektrycznego momentu dipolowego lizozymu przyjmuje dwie znacznie różniące się od siebie orientacje, w pH 11.5 jest on ustawiony antyrównolegle do orientacji momentu dipolowego związanego ligandu, natomiast w pH 3.0 jest ustawiony prostopadle. Kolejnym etapem było przeprowadzenie symulacji dynamiki brownowskiej na modelu kulkowym z oraz bez uwzględniania oddziaływań hydrodynamicznych. Symulacje te pokazały, że zależność stałej szybkości asocjacji od siły jonowej jest jakościowo zgodna z eksperymentem w przypadku symulacji z uwzględnieniem oddziaływań hydrodynamicznych, natomiast jakościowo odmienna dla symulacji bez tych oddziaływań.