Ferroelectric hydration shells around proteins: Electrostatics of the protein-water interface

Journal of Physical Chemistry B

Volumn 114, Issue 28, 2010, Pages 9246-9258

  Lebard, David N ^a,b   Matyushov, Dmitry V ^a  

^a ARIZONA STATE UNIVERSITY   (United States)

^b TEMPLE UNIVERSITY   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

COMPUTER SIMULATION; ELECTRIC DIPOLE MOMENTS; ELECTRIC FURNACES; ELECTROSTATICS; FERROELECTRICITY; HYDRATES; HYDRATION;

DYNAMICAL TRANSITION; ELECTROSTATIC FLUCTUATION; ELECTROSTATIC POTENTIALS; FERROELECTRIC LAYERS; HYDRATION SHELL; LINEAR RESPONSE; LINEAR-RESPONSE THEORY; MESOPHASES; NON-GAUSSIAN; NUMERICAL SIMULATION; PROTEIN HYDRATION; WATER INTERFACE;

PROTEINS;

EID: 77954715967     PISSN: 15206106     EISSN: 15205207     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jp1006999     Document Type: Article

References (129)

1. Parak, F. G. Rep. Prog. Phys. 2003, 66, 103
2. Fenimore, P. W.; Frauenfelder, H.; McMahon, B. H.; Young, R. D. Proc. Natl. Acad. Sci. 2004, 101, 14408
3. Caliskan, G.; Briber, R.; Thirumalai, D.; Garcia-Sakai, V.; Woodson, S.; Sokolov, A. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 32
4. Doster, W. Eur. Biophys. J. 2008, 37, 591
5. Frauenfelder, H.; Chen, G.; Berendzen, J.; Fenimore, P. W.; Jansson, H.; McMahon, B. H.; Stroe, I. R.; Swenson, J.; Young, R. D. Proc. Natl. Acad. Sci. 2009, 106, 5129
6. Doster, W. Biochim. Biophys. Acta 2010, 1804, 3
7. Zanotti, J.-M.; Bellissent-Funel, M.-C.; Chen, S.-H. Europhys. Lett. 2005, 71, 91
8. Khodadadi, S.; Pawlus, S.; Roh, J. H.; Sakai, V. G.; Mamontov, E.; Sokolov, A. P. J. Chem. Phys. 2008, 128, 195106
9. Zanotti, J.-M.; Gibrat, G.; Bellissent-Funel, M.-C. Phys. Chem. Chem. Phys. 2008, 10, 4865
10. Miyazaki, Y.; Matsua, T.; Suga, H. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 8044
11. Doster, W.; Busch, S.; Gaspar, A. M.; Appavou, M.-S.; Wutke, J.; Scheer, H. Phys. Rev. Lett. 2010, 104 098101
12. Chen, S.-H.; Liu, L.; Fratini, E.; Baglioni, P.; Mamontov, E. Proc. Natl. Acad. Sci. 2006, 103, 9012
13. Kumar, P.; Yan, Z.; Xu, L.; Mazza, M. G.; Buldyrev, S. V.; Chen, S.-H.; Sastry, S.; Stanley, H. E. Phys. Rev. Lett. 2006, 97, 177802
14. Pawlus, S.; Khodadadi, S.; Sokolov, A. P. Phys. Rev. Lett. 2008, 100, 108103
15. Ngai, K. L.; Capaccioli, S.; Shinyashiki, N. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 3826
16. Khodadadi, S.; Pawlus, S.; Sokolov, A. P. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 14273
17. tr has not been entirely settled. Non-Arrhenius relaxation is seen by broad-band dielectric measurements, (20) and an α -process fits well the protein rms displacements. (4)
18. Wood, K.; Frölich, A.; Paciaroni, A.; Moulin, M.; Härtlein, M.; Zaccai, G.; Tobias, D. J.; Weik, M. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 4586
19. Chu, X.-Q.; Faraone, A.; Kim, C.; Fratini, E.; Baglioni, P.; Leao, J. B.; Chen, S.-H. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 5001
20. Schir, G.; Cupane, A.; Vitrano, E.; Bruni, F. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 9606
21. He, Y.; Ku, P. I.; Knab, J. R.; Chen, J. Y.; Markelz, A. G. Phys. Rev. Lett. 2008, 101, 178103
22. Johnson, M. E.; Malardier-Jugroot, C.; Murarka, R. K.; Head-Gordon, T. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 4082
23. Paciaroni, A.; Cinelli, S.; Onori, G. Biophys. J. 2002, 83, 1157
24. Backus, E. H. G.; Bloem, R.; Pfister, R.; Moretto, A.; Crisma, M.; Toniolo, C.; Hamm, P. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 13405
25. LeBard, D. N.; Matyushov, D. V. Phys. Rev. E 2008, 78 061901
26. Pal, S. K.; Zewail, A. H. Chem. Rev. 2004, 104, 2099
27. Ebbinghaus, S.; Kim, S. J.; Heyden, M.; Yu, X.; Heugen, U.; Gruebele, M.; Leitner, D. M.; Havenith, M. Proc. Natl. Acad. Sci. 2007, 104, 20749
28. Matyushov, D. V. Phys. Rev. E 2010, 81 021914
29. Nilsson, L.; Halle, B. Proc. Natl. Acad. Sci. 2005, 102, 13867
30. Zhang, L.; Wang, L.; Kao, Y.-T.; Qiu, W.; Yang, Y.; Okobiah, O.; Zhong, D. Proc. Natl. Acad. Sci. 2007, 104, 18461
31. Li, T.; Hassanali, A. A.; Singer, S. J. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 16121
32. Sen, S.; Andreatta, D.; Ponomarev, S. Y.; Beveridge, D. L.; Berg, M. A. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 1724
33. Jimenez, R.; Fleming, G. R.; Kumar, P. V.; Maroncelli, M. Nature 1994, 369, 471
34. Nandi, N.; Bhattacharyya, K.; Bagchi, B. Chem. Rev. 2000, 100, 2013
35. Golosov, A. A.; Karplus, M. J. Phys. Chem. B 2007, 111, 1482
36. Halle, B.; Nilsson, L. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 8210
37. Zhou, R.; Huang, X.; Margulis, C. J.; Berne, B. J. Proc. Natl. Acad. Sci. 2004, 305, 1605
38. Berne, B. J.; Weeks, J. D.; Zhou, R. Annu. Rev. Phys. Chem. 2009, 60, 85
39. Makarov, V. A.; Andrews, B. K.; Pettitt, B. M. Biopolymers 1998, 45, 469
40. Giovambattista, N.; Lopez, C. F.; Rossky, P. J.; Debenedetti, P. G. Proc. Natl. Acad. Sci. 2008, 105, 2274
41. ten Wolde, P. R.; Chandler, D. Proc. Natl. Acad. Sci. 2002, 99, 6539
42. Choudhury, N.; Pettitt, B. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 4847
43. Mittal, J.; Hummer, G. Proc. Natl. Acad. Sci. 2008, 105, 20130
44. Willard, A. P.; Chandler, D. Faraday Trans. 2009, 141, 209
45. Sarupria, S.; Garde, S. Phys. Rev. Lett. 2009, 103 037803
46. Dadarlat, V. M.; Post, C. B. Proc. Natl. Acad. Sci. 2003, 100, 14778
47. Dadarlat, V. M.; Post, C. B. Biophys. J. 2006, 91, 4544
48. Tarek, M.; Tobias, D. J. Phys. Rev. Lett. 2002, 88, 138101
49. Tournier, A. L.; Xu, J.; Smith, J. C. Biophys. J. 2003, 85, 1871
50. Tarek, M.; Tobias, D. J. Eur. Biophys J. 2008, 37, 701
51. Bergner, A.; Heugen, U.; Bründermann, E.; Schwaab, G.; Havenith, M.; Chamberlin, D. R.; Haller, E. E. Rev. Sci. Instrum. 2005, 76 063110
52. Knab, J. R.; Chen, J.-Y.; He, Y.; Markelz, A. G. Proc. IEEE 2007, 95, 1605
53. Oleinikova, A.; Sasisanker, P.; Weingärtner, H. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 8467
54. Mijovi, J.; Bian, Y.; Gross, R. A.; Chen, B. Macromolecules 2005, 38, 10812
55. Ebbinghaus, S.; Kim, S. J.; Heyden, M.; Yu, X.; Gruebele, M.; Leitner, D. M.; Havenith, M. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 2374
56. Higo, J.; Sasai, M.; Shirai, H.; Nakamura, H.; Kugimiya, T. Proc. Natl. Acad. Sci. 2001, 98, 5961
57. Kuharski, R. A.; Bader, J. S.; Chandler, D.; Sprik, M.; Klein, M. L.; Impey, R. W. J. Chem. Phys. 1988, 89, 3248
58. Blumberger, J.; Sprik, M. Theor. Chem. Acc. 2006, 115, 113
59. Matyushov, D. V. Acc. Chem. Res. 2007, 40, 294
60. Landau, L. D.; Lifshitz, E. M. Electrodynamics of continuous media; Pergamon: Oxford, 1984.
61. Palmer, R. G. Adv. Phys. 1982, 31, 669
62. Marcus, R. A. J. Phys. Chem. 1989, 93, 3078
63. Small, D. W.; Matyushov, D. V.; Voth, G. A. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 7470
64. LeBard, D. N.; Matyushov, D. V. J. Chem. Phys. 2008, 128, 155106
65. Hansen, J. P.; McDonald, I. R. Theory of Simple Liquids; Academic Press: Amsterdam, 2003.
66. LeBard, D. N.; Matyushov, D. V. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 5218
67. LeBard, D. N.; Kapko, V.; Matyushov, D. V. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 10322
68. Tan, M.-L.; Dolan, E.; Ichiye, T. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 20435
69. Marcus, R. A.; Sutin, N. Biochim. Biophys. Acta 1985, 811, 265
70. Luzar, A.; Chandler, D. Phys. Rev. Lett. 1996, 76, 928
71. Laage, D.; Hynes, J. T. Science 2006, 311, 832
72. Shenogina, N.; Keblinski, P.; Garde, S. J. Chem. Phys. 2008, 129, 155105
73. Lee, C. Y.; McCammon, J. A.; Rossky, P. J. J. Chem. Phys. 1984, 80, 4448
74. Köfinger, J.; Hummer, G.; Dellago, C. Proc. Natl. Acad. Sci. 2008, 105, 13218
75. Mikami, F.; Matsuda, K.; Kataura, H.; Maniwa, Y. ACS Nano 2009, 3, 1279
76. Fedichev, P. O.; Menshikov; L. I. Cornell University Library arXiv database. http://arxiv.org/abs/cond-mat/0601129.
77. Mazza, M. G.; Stokely, K.; Pagnotta, S. E.; Bruni, F.; Stanley, H. E.; Franzese, G. Cornell University Library arXiv database. http://arxiv.org/abs/ 0907.1810.
78. Blinc, R.; Zeks, B. Soft modes in ferroelectrics and antiferroelectrics; North-Holland Publishing Co.: Amsterdam, 1974.
79. Chandler, D. Nature 2005, 437, 640
80. Patel, A. J.; Varilly, P.; Chandler, D. J. Phys. Chem. B 2010, 114, 1632
81. Rodgers, J. M.; Weeks, J. D. Proc. Natl. Acad. Sci. 2008, 105, 19136
82. Henderson, J. R.; Lekner, J. Mol. Phys. 1978, 36, 781
83. Makarov, V. A.; Andrews, B. K.; Smith, P. E.; Pettitt, B. M. Biophys. J. 2000, 79, 2966
84. Halle, B. Philos. Trans. R. Soc. London 2004, 359, 1207
85. Kinoshita, M.; Suzuki, M. J. Chem. Phys. 2009, 130 014707
86. Qvist, J.; Persson, E.; Mattea, C.; Halle, B. Faraday Trans. 2009, 141, 131
87. Swenson, J.; Teixeira, J. J. Chem. Phys. 2010, 132 014508
88. Roberts, J. E.; Schnitker, J. J. Phys. Chem. 1995, 99, 1322
89. Rajamani, S.; Truskett, T. M.; Garde, S. Proc. Natl. Acad. Sci. 2005, 102, 9475
90. Landau, L. D.; Lifshits, E. M. Statistical Physics; Elsevier: New York, 1980; pp 44 and 260.
91. Debenedetti, P. G. Metastable Liquids: Concepts and Principles; Princeton University Press: Princeton, NJ, 1996.
92. Elber, R.; Karplus, M. Phys. Rev. Lett. 1986, 56, 394
93. Hunt, N. T.; Kattner, L.; Shanks, R. P.; Wynne, K. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 3168
94. Rudas, T.; Schröder, C.; Boresch, S.; Steinhauser, O. J. Chem. Phys. 2006, 124, 234908
95. Allen, M. P.; Tildesley, D. J. Computer Simulation of Liquids; Clarendon Press: Oxford, 1996.
96. Wei, D.; Patey, G. N. Phys. Rev. Lett. 1992, 68, 2043
97. Wei, D.; Patey, G. N.; Perera, A. Phys. Rev. E 1993, 47, 506
98. Weis, J.-J. J. Chem. Phys. 2005, 123 044503
99. Matyushov, D. V. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 10095
100. Sharma, M.; Resta, R; Car, R. Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 247401
101. LeBard, D. N.; Matyushov, D. V. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 12424
102. Paulo, P. M. R.; Lopes, J. N. C.; Costa, S. M. B. J. Phys. Chem. B 2008, 14779
103. Zaccai, G. Science 2000, 288, 1604
104. Ghorai, P. K.; Matyushov, D. V. J. Phys. Chem. A 2006, 110, 8857
105. Martin, D. R.; Matyushov, D. V. Phys. Rev. E 2008, 78 041206
106. Smith, P. E.; Brunne, R. M.; Mark, A. E.; van Gunsteren, W. F. J. Phys. Chem. 1993, 97, 2009
107. Simonson, T. Rep. Prog. Phys. 2003, 66, 737
108. Simonson, T. Photosynth. Res. 2008, 97, 21
109. Glass, D. G.; Krishnan, M.; Nutt, D. R.; Smith, J. C. J. Chem. Theory Comput. 2010, 6, 1390
110. Kim, S. J.; Born, B.; Havenith, M.; Gruebele, M. Angew. Chem., Int. Ed. 2008, 47, 6486
111. Born, B.; Kim, S. J.; Ebbinghaus, S.; Grueble, M.; Havenith, M. Faraday Discuss. 2009, 141, 161
112. Perticaroli, S.; Comez, L.; Paolantoni, M.; Sassi, P.; Lupi, L.; Fioretto, D.; Paciaroni, A.; Morresi, A. J. Phys. Chem. B 2010, 114, 8262.
113. Qin, Z.; Ervin, J.; Larios, E.; Gruebele, M.; Kihara, H. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 13040
114. Schmickler, W. Interfacial Electrochemistry; Oxford University Press: New York, 1996.
115. Kümmerle, R.; Gaillard, J.; Kyritsis, P.; Moulis, J.-M. J. Biol. Inorg. Chem. 2001, 6, 446
116. Jasaitis, A.; Rappaport, F.; Pilet, E.; Liebl, U.; Vos, M. H. Proc. Natl. Acad. Sci. 2005, 102, 10882
117. Hirst, J.; Armstrong, F. A. Anal. Chem. 1998, 70, 5062
118. Chi, Q.; Zhang, J.; Andersen, J. E. T.; Ulstrup, J. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 4669
119. Jeuken, L. J. C.; McEvoy, J. P.; Armstrong, F. A. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 2304
120. Hildebrandt, P.; Murgida, D. H. Bioelectrochem. 2002, 55, 139
121. Guo, Y.; Zhao, J.; Yin, X.; Gao, X.; Tian, Y. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 6013
122. Khostariya, D. E.; Dolidze, T. D.; Shushanyan, M.; Davis, K. L.; Waldeck, D. H.; van Eldik, R. Proc. Natl. Acad. Sci. 2010, 107, 2757
123. Monari, S.; Battistuzzi, G.; Borsari, M.; Millo, D.; Gooijer, C.; van der Zwan, G.; Ranieri, A.; Sola, M. J. Appl. Electrochem. 2008, 38, 885
124. Ranieri, A.; Battistuzzi, G.; Borsari, M.; Casalini, S.; Fontanesi, C.; Monari, S.; Siwek, M. J.; Sola, M. J. Electroanal. Chem. 2009, 626, 123
125. Blumberger, J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2008, 10, 5651
126. Cascella, M.; Magistrato, A.; Tavernelli, I.; Carloni, P.; Rothlisberger, U. Proc. Natl. Acad. Sci. 2006, 103, 19641
127. Winkler, J. R.; Malmström, B. G.; Gray, H. B. Biophys. Chem. 1995, 54, 199
128. Jasaitis, A.; Johansson, M. P.; Wikström, M.; Vos, M. H.; Verkhovsky, M. I. Proc. Natl. Acad. Sci. 2007, 104, 20811
129. Takayama, S. J.; Irie, K.; Tai, H.; Kawahara, T.; Hirota, S.; Takabe, T.; Alcaraz, L. A.; Donaire, A.; Yamamoto, Y. J. Biol. Inorg. Chem. 2009, 14, 821