Electrostatic screening in proteins

Dept of Structural Biology, Biocenter, University of Basel, CH-4056 Basel, Switzerland.

Abstract

An analysis is presented of the dependence of calculated electrostatic properties of proteins such as pK on the model used to define the charge distribution. From this study it is concluded that changes in electrostatic free energies can be calculated economically and reliably using a screened Coulomb potential (SCP) model with a single functional form of the screening function, and that this approach is at least as reliable as solving the Poisson-Boltzmann equation using finite difference methods. To test how well the SCP describes the dynamical trajectory of a macromolecular system, molecular dynamics simulations have been carried out on bovine pancreatic trypsin inhibitor. The dynamical behaviour of the protein calculated with the SCP compares more favourably with the time dependent structural changes calculated for the full system with explicitly included water than the standard vacuum simulation.

Résumé

Une analyse de la dépendance des propriétés électrostatiques calculées des protéines (par exemple la valeur de pK) du modèle appliqué pour la définition de la distribution de charges électriques est présentée. De cet étude on peut conclure que les différences des énergies électrostatiques libres peuvent être calculées économiquement et exactement avec un ‘screened Coulomb potential(SCP)’ modèle avec une seule formule fonctionelle de ‘screening’. Quelques simulations moléculaires dynamiques ont été calculé avec BPTI (bovine pancreatic trypsin inhibitor) pour tester la capabilité du modèle SCP de donner une bonne description d’ un ‘trajectory’ dynamique d’un système macromoléculaire. Le comportement dynamique des protéines calculés avec le SCP modèle est plus proche aux fluctuations structurelles qui dépendent plus du temps qu’a la simulation normale dans le vacuum.