Cálculos de pKa mejorados mediante muestreo basado en la flexibilidad de un esquema de interacción dominado por agua

Los grupos ionizables desempeñan roles críticos en procesos biológicos. El cálculo de pK(a)s es complicado por aproximaciones del modelo y múltiples conformaciones. Se comparan pK(a)s calculados y experimentales para cadenas laterales del sitio activo relativamente inflexibles, para desarrollar un modelo empírico de cambios en la entropía de hidratación al enterrar carga. Se encuentra que la modificación es generalmente pequeña, pero grande para la cisteína, consistente con datos de ionización de pequeñas moléculas y con distribuciones de carga parcial en formas ionizadas y neutras. El modelo de hidratación predice contribuciones entropicas significativas para el entierro de residuos ionizables, demostrado para componentes en el complejo de piruvato deshidrogenasa. Se estima la relajación conformacional en una titulación de pH con una evaluación de campo medio del acceso máximo del solvente a la cadena lateral. Todos los residuos ionizables interactúan dentro de un esquema de diferencia finita (FD) con un bajo dieléctrico proteico, y los grupos más flexibles también acceden a interacciones mediadas por agua de Debye-Hückel (DH). El método DH tiende a coincidir con la estabilidad dependiente del pH en general, mientras que FD puede ser más preciso para los grupos del sitio activo. La tolerancia para el empaquetamiento rotámero de la cadena lateral varía, definiendo el acceso a interacciones DH, y se obtiene el mejor ajuste con los pK(a)s experimentales. El nuevo método (FD/DH) proporciona un marco computacional rápido para hacer la distinción entre grupos enterrados y accesibles al solvente que ha sido cualitativamente evidente en trabajos anteriores, y los cálculos de pK(a) se mejoran significativamente para un conjunto mixto de residuos ionizables. Su efectividad también se demuestra con el cálculo de la dependencia del pH de la energía electrostática, recuperando contribuciones favorables a la estabilidad del estado plegado y, en relación con la genómica estructural, con una mejora sustancial (reducción de falsos positivos) en la identificación del sitio activo mediante tensión electrostática.