Elektrostatische Effekte in Proteinen: Vergleich von Dielektrikum- und Lade-Modellen

Es werden zwei Ansätze zur Berechnung elektrostatischer Effekte in Proteinen verglichen und eine Analyse der Abhängigkeit der berechneten Eigenschaften vom verwendeten Modell zur Definition der Ladungsverteilung präsentiert. Änderungen der elektrostatischen freien Energie wurden unter Verwendung eines abgeschirmten Coulomb-Potentials (SCP) mit einer abstandsabhängigen effektiven dielektrischen Permittivität zur Modellierung der Lösungsmitteleffekte und einem endlichen Differenzenansatz zur Lösung der Poisson-Boltzmann-Gleichung (FDPB) berechnet. Zu den berechneten Eigenschaften gehören Verschiebungen der Dissoziationskonstanten ionisierbarer Gruppen, der Effekt von annihilierenden Oberflächenladungen auf die Bindung von Metallen und Verschiebungen der Redox-Potenziale aufgrund von Änderungen in der Ladung ionisierbarer Gruppen. In den betrachteten Proteinen sind die geladenen Stellen durch 3,5-12 Å getrennt. Es wurde gezeigt, dass für die in diesem Abstandsbereich untersuchten Systeme das SCP berechnete Werte liefert, die mindestens ebenso genau sind wie die aus der Lösung der FDPB-Gleichung erhaltenen Werte. Darüber hinaus liefert das SCP im Abstandsbereich von 3-5 Å wesentlich bessere Ergebnisse als die FDPB-Gleichung. Mögliche Ursachen für diesen Unterschied zwischen den beiden Methoden werden diskutiert. Verschiebungen der Bindungskonstanten und Redox-Potenziale wurden mit mehreren standardmäßigen Ladungssets berechnet, und die resultierenden Werte zeigen eine Variation von 20-40% zwischen den 'besten' und 'schlechtesten' Fällen. Aus dieser Studie wird geschlossen, dass in den meisten Anwendungen Änderungen der elektrostatischen freien Energien wirtschaftlich und zuverlässig unter Verwendung eines SCP-Ansatzes mit einer einzigen funktionalen Form der Screeningfunktion berechnet werden können.