Protein hydration shells studied by molecular dynamics simulations and small-angle scattering: Structural, thermal, and surface effects

Abstract

Hydration shells surrounding proteins are crucial for biological functions because they influence the structure, dynamics and interactions of proteins. To understand these hydration shells, we combined molecular dynamics (MD) simulations with models of light and heavy water and small angle X-ray and neutron scattering (SAXS/SANS) experiments. Modified heavy water pair potentials -- SPC/E-HW, TIP3P-HW, TIP4P/2005-HW -- reproduce important physicochemical differences to light water, enabling accurate prediction of biophysical experiments with heavy water. Contrast analysis from experiments and simulations across different force fields reveals that the properties of hydration shells depend on the protein shape, charge and (surface) amino acid composition. Overall several tested force fields in MD simulations reproduce the hydration shell contrasts in remarkable agreement with experiments. Simulations also show that acidic and polar residues enhance the hydration contrast, while apolar residues cause water depletion. Intrinsically disordered proteins (IDPs) exhibit weaker, conformation-dependent hydration compared to folded domains. Temperature-ramp SAXS experiments show that the hydration shells weaken with increasing temperature due to increased disorder and displacement of surface-bound water. These findings emphasize the structural specificity of hydration shells and their detectability through SAXS/SANS and MD simulations.

Hydrationshüllen um Proteine beeinflussen deren Struktur, Dynamik und Wechselwirkungen maßgeblich. Um Hydrationsschalen zu verstehen, kombinieren wir Molekulardynamik (MD)-Simulationen mit leichten und schweren Wassermodellen sowie Kleinwinkel-Röntgen- und -Neutronenstreuexperimenten (SAXS/SANS). Modifizierte Paarpotenziale für schweres Wasser reproduzieren wichtige physikochemische Unterschiede zu leichtem Wasser und ermöglichen so eine genaue Vorhersage von biophysikalischen Experimenten mit schwerem Wasser. Kontrastanalysen von Experimenten und Simulationen mit verschiedenen Kraftfeldern zeigen, dass die Eigenschaften der Hydrationsschalen von der Form, Ladung und (Oberflächen-)Aminosäurezusammensetzung der Proteine abhängen. Die meisten getesteten Kraftfelder in Simulationen reproduzieren die Hydrationsschalenkontraste in bemerkenswerter Übereinstimmung mit Experimenten. Simulationen zeigen zudem, dass saure und polare Aminosäurereste den Hydrationskontrast verstärken, während apolare Reste Wasserverarmung verursachen. Intrinsisch ungeordnete Proteine weisen eine schwächere, konformationsabhängige Hydration auf als gefaltete Proteine. Temperaturrampen- SAXS-Experimente zeigen, dass Hydrationsschalen mit steigender Temperatur aufgrund erhöhter Unordnung und Verdrängung von oberflächengebundenem Wasser schwächer werden. Diese Ergebnisse unterstreichen die strukturelle Besonderheit der Hydrationsschalen und ihre Nachweisbarkeit durch SAXS/SANS und MD-Simulationen.