Large vortex-like structure of dipole field in computer models of liquid water and dipole-bridge between biomolecules

作者
Junichi Higo,Masaki Sasai,Hiroki Shirai,Haruki Nakamura,Takaki Kugimiya
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:98 (11): 5961-5964 被引量:70
标识
DOI:10.1073/pnas.101516298
摘要

We propose a framework to describe the cooperative orientational motions of water molecules in liquid water and around solute molecules in water solutions. From molecular dynamics (MD) simulation a new quantity "site-dipole field" is defined as the averaged orientation of water molecules that pass through each spatial position. In the site-dipole field of bulk water we found large vortex-like structures of more than 10 A in size. Such coherent patterns persist more than 300 ps although the orientational memory of individual molecules is quickly lost. A 1-ns MD simulation of systems consisting of two amino acids shows that the fluctuations of site-dipole field of solvent are pinned around the amino acids, resulting in a stable dipole-bridge between side-chains of amino acids. The dipole-bridge is significantly formed even for the side-chain separation of 14 A, which corresponds to five layers of water. The way that dipole-bridge forms sensitively depends on the side-chain orientations and thereby explains the specificity in the solvent-mediated interactions between biomolecules.

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