Characterizing Hydration Properties Based on the Orientational Structure of Interfacial Water Molecules
在这篇手稿中，我们提出了一个通用的计算方法来表征从原子模拟采样的液态水界面的分子结构。该方法通过对界面水分子取向构型的统计分析，对界面结构进行了量化。该方法可用于生成非均质表面水化性质的位置相关图。我们提出了一个应用程序的表面疏水性的表征，我们用它来分析模拟的水合蛋白质。我们证明，这种方法能够揭示蛋白质水化壳的集体动力学的微观细节。
2017-08-23 cond-mat.soft
On the origin of diverse time scales in the protein hydration layer solvation dynamics: A molecular dynamics simulation study
为了探究溶剂化动力学中所观察到的多个时间尺度的微观起源，我们进行了几个计算机实验。我们对溶菌酶、肌红蛋白和甜蛋白Monellin三种蛋白质-水体系进行了原子分子动力学模拟。在这些实验中，我们突变某些天然探针（色氨酸）的相邻氨基酸侧链的电荷，并冻结侧链运动。为了区分不同的贡献，我们分解的总溶剂化能响应中存在的各种组件的系统。这使我们能够捕捉不同的自我和交叉能量相关项之间的相互作用。冻结蛋白质的运动去除了由侧链波动引起的最慢的成分，但仍保留了一部分慢度。这导致的结论是，在~20-80 ps范围内的慢分量来自于水化层中存在的慢水分子。而超过100 ps的组分可能来自各种来源，即氨基酸侧链中的相邻电荷、与它们氢键合的水分子以及侧链和水之间的动态耦合运动。此外，电荷还加强了附近水分子的结构有序性，并有助于形成局部长寿命的氢键网络。溶剂化动力学中的空间和时间响应的进一步分离揭示了水合作用和本体水的不同作用。我们发现，水化层的水分子主要负责缓慢的组件，而最初的超快衰变主要出现（约80%），由于体积。这与早期的理论观察一致。我们还试图合理化我们的结果与分子流体动力学理论的帮助下，开发使用经典的时间依赖性密度泛函理论在半定量的方式。
2017-10-11 cond-mat.soft
Ion Hydration and Associated Defects in Hydrogen Bond Network of Water: Observation of Reorientationally Slow Water Molecules Beyond First Hydration Shell in Aqueous Solutions of MgCl$_2$
通过经典的分子动力学模拟，使用两个众所周知的非极化水模型的离子的存在下，在中等到高浓度，对水分子的动力学性质的影响进行了研究。模拟结果表明，氯化镁（MgCl $_2$）的存在下诱导扰动的氢键网络的水，导致形成散装状域与\textquoteleft缺陷网站\textquoteright-在这样的域的边界上：在这样的缺陷网站的水分子具有比那些在散装水的氢键数量较少。计算了不同离子浓度下缺陷水分子偶极矢量的重取向自相关函数，并与纯水体系进行了比较。早期的实验和模拟研究表明，在许多溶解离子的第一水化壳层中，水分子的重取向动力学存在显着差异。这项研究的结果表明，缺陷水分子，这是超出了第一水合壳的离子，也经历了显着放缓的重定向时间作为浓度的函数的情况下，氯化镁$_2$。然而，向水中加入氯化铯（CsCl）即使在较高浓度下也不会显著干扰水的氢键网络。MgCl $_2$和CsCl之间的这种行为差异与众所周知的Hofmeister系列一致。
2014-12-18 cond-mat.soft
Dynamics of Protein Hydration Water
我们提出的频率和温度依赖的介电性能的溶菌酶解决方案在一个广泛的浓度制度，在零度以下的温度下测量，并比较结果与水的冰点以上的测量和水合溶菌酶粉末。我们的实验允许检查在广泛的温度范围内，包括所谓的无人区（160 - 235 K）的不冻水化水的动态。所获得的结果证明了水化壳动力学的双峰性，并在备受争议的水的脆到强转变的背景下进行了讨论。
2014-12-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
The Dynamic Transition of Protein Hydration Water
生物分子和其他纳米结构表面上的薄层水可以过冷到本体水无法达到的温度。Chen等人[PNAS 103，9012（2006）]提出，通过准弹性中子散射观察到的220 K附近的异常可以用大量水的隐藏临界点来解释。基于更灵敏的测量水的全氘藻蓝蛋白，使用新的中子背散射光谱仪SPHERES，和改进的数据分析，我们目前的结果表明，没有迹象表明这样一个脆弱的强过渡。在220 K下的弹性强度的拐点具有与在170 K下的量热玻璃化转变相容的动力学起源。弛豫时间的温度依赖性对数据评估高度敏感;它可以与其他技术的结果完全一致，没有任何异常。
2010-02-12 cond-mat.soft
Distinguishing dynamical features of water inside protein hydration layer: Distribution reveals what is hidden behind the average
自Pethig、Grant和Wuthrich关于蛋白质水化层的开创性工作以来，许多研究都致力于找出是否存在任何普遍和普遍的特征，可以将蛋白质水化层内的水分子与体相区分。鉴于表面本身因蛋白质而异，并且每个面向水的表面都是异质的，寻找通用特征一直是难以捉摸的。在这里，我们进行原子分子动力学模拟，以提出和证明，这样的定义特性可以出现，如果我们不看平均性能，但弛豫时间的分布。我们提出了四种不同的蛋白质-水系统的停留时间和旋转弛豫时间的分布的计算结果，并比较它们与相同数量的散装。由于同时存在形成弱氢键的肽骨架、不形成氢键的疏水氨基酸侧链和与周围水分子形成强氢键的带电极性基团，因此水合层中的分布在性质上是异常宽和对数正态的。宽的分布是负责的非指数介电响应，也同意与大的比热的水化水。我们的计算表明，虽然平均时间常数仅比散装水大2-3倍，但它不能很好地代表真实行为。特别是，平均值导致错误的结论，即水化层中的水是块状的。然而，所观察到的和计算出的较低的静态水化层的介电常数值仍然难以调和的广泛分布中观察到的动态性能。我们对这些独特的性质提供了一个合理的解释。
2017-08-01 cond-mat.soft q-bio.BM
High-Precision Megahertz-to-Terahertz Dielectric Spectroscopy of Protein Collective Motions and Hydration Dynamics
蛋白质中的低频集体振动模式以及蛋白质-水界面已被认为是控制生物化学反应和生物能量传输效率的主导因素。因此，揭示水化结构和动力学的奥秘以及它们与蛋白质在水溶液中的集体运动的耦合是至关重要的。在这里，我们报告的介电性能的水溶液牛血清白蛋白的蛋白质溶液作为一个模型系统，使用一个非常敏感的介电光谱仪的频率从兆赫到太赫兹。介电弛豫谱揭示了分子水平上具有不同时间常数和介电强度的几种极化机制，反映了蛋白质-水相互作用的复杂性。结合有效介质近似和分子动力学模拟，我们已经确定了太赫兹频率的集体振动模式和水分子的数量在紧密结合和松散结合的水化层。对水合水分子数量的高精度测量表明，蛋白质的动力学影响超出了第一溶剂化层，达到距离蛋白质表面约7 μ m的距离，其中最大的减速来自直接与蛋白质氢键结合的水分子。我们的研究结果揭示了蛋白质动力学和蛋白质-水界面的关键信息，这些信息决定了蛋白质的生化功能和反应性。
2018-06-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
System size dependence of hydration shell occupancy
排空溶质周围的第一水合壳层和由第一水合壳层限定的空腔的自由能取决于系统尺寸。用准化学理论解释的这一观察结果表明，亲水性和疏水性对水合作用的贡献都取决于系统尺寸，并随着系统尺寸的增加而减小。虽然净水合自由能受益于亲水性和疏水性贡献的平衡，但仍需要一个大系统来描述溶剂对大分子的影响。
2019-07-03 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
More than one dynamic crossover in protein hydration water
对过冷区域液态水的研究使人们对水的结构和行为有了更多的了解。虽然散装水冻结在其均匀的成核温度约235 K，蛋白质水合水，水分子的蛋白质的结合避免结晶。在这里，我们研究的氢键（HB）网络的水分子的膨胀层的动力学，比较测量的水合球状蛋白质的粗粒度模型，已被证明成功地再现水合水的性质的结果。利用介电谱测量了质子电荷涨落弛豫时间随温度的变化关系。这些波动与吸附在蛋白质表面上的水分子的HB网络的动力学有关。用蒙特卡罗（MC）模拟和平均场（MF）计算研究了该模型的动力学和热力学性质。在实验和模型分析中，我们发现两个动态交叉：（i）一个在252 K左右，（ii）一个在181 K左右。与模型的实验的协议，使我们能够在环境压力下的两个比热最大值的存在下的两个交叉。第一个是由于HB形成的波动，第二个，在较低的温度下，是由于HB网络的合作重新排序。
2011-08-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Contiguous Patches of Translational Hydration Dynamics on the Surface of K-Ras
本文利用 ODNP 技术研究 K-Ras 表面水合动力学，发现邻近残基在纳米尺度上表现出持续且均匀的水平移迁移率，为系统绘制水合层并识别对结合自由能有显著贡献的区域提供了可能。
2023-07-10 cond-mat.soft
2H and 13C NMR studies on the temperature-dependent water and protein dynamics in hydrated elastin, myoglobin and collagen
2 H NMR自旋-晶格弛豫和线形分析进行研究的温度依赖性动力学的水在水合壳的肌红蛋白，弹性蛋白和胶原蛋白。
2009-04-28 cond-mat.soft
The application of Kirkwood-Buff theory to study hydration properties of $α$-amino acids
Faculty of Chemistry and Chemical Technology, University of Ljubljana（卢布尔雅那大学化学与化学技术学院）
本文利用Kirkwood-Buff理论研究了七种α-氨基酸在不同温度下的水合特性，通过计算标准摩尔体积揭示了侧链对水合的影响，并验证了模型的准确性。
2026-03-30 cond-mat.soft
Molecular packing, hydrogen bonding, and fast dynamics in lysozyme/trehalose/glycerol and trehalose/glycerol glasses at low hydration
众所周知，水和甘油有助于无定形蛋白质基质的结构松弛。然而，几项研究证明，它们也可能限制蛋白质的快速（$\sim$皮秒-纳秒，ps-ns）和小振幅（$\sim$皮秒）运动，这决定了它们在冻干糖混合物中的稳定性。为了确定它们如何与玻璃基质中的蛋白质和糖相互作用，从而调节它们的快速动力学，我们在低甘油和水浓度下对溶菌酶/海藻糖/甘油（LTG）和海藻糖/甘油（TG）混合物进行了分子动力学（MD）模拟。在添加甘油和/或水时，LTG和TG混合物的玻璃化转变温度T $_{\textrm{g}}$降低，玻璃的分子堆积得到改善，并且溶菌酶和海藻糖的均方位移（MSD）降低或增加，这取决于时间尺度和所考虑的温度。物种之间形成的氢键（HB）的详细分析表明，水和甘油可以通过增加它们在玻璃基质中形成的HB的总数和/或强度来抑制溶菌酶和海藻糖的快速动力学。
2017-09-30 cond-mat.soft
Consequences of the failure of equipartition for the p-V behavior of liquid water and the hydration free energy components of a small protein
本文研究了分子动力学模拟中能量均分失效对液态水p-V行为及蛋白质水合自由能的影响，发现小积分步长对准确预测体积、压缩率、介电常数和自由能组分至关重要。
2025-01-28 cond-mat.soft physics.chem-ph
Confined water in the low hydration regime
分子动力学结果限制在低水合制度的二氧化硅孔隙中的水。强分层效果被发现由于基板的亲水性。水的局部性质作为温度和水化程度的函数进行了研究。水的薄膜与二氧化硅原子的相互作用引起氢键网络的强烈扭曲。水分子的停留时间取决于与表面的距离。它的行为显示了从布朗过渡到非布朗政权接近基板在水与球状蛋白质接触的研究中发现的结果。
2002-04-05 cond-mat.soft
Complex Effects of Salt on Small-Angle X-ray Scattering of BSA Originate From the Interplay of Ions and Hydration Water
University of Illinois Chicago（伊利诺伊大学芝加哥分校）
研究通过结合FMAPIq方法和分子动力学模拟，揭示盐对BSA SAXS的影响源于离子与水合水的相互作用，揭示了蛋白质-离子-水相互作用的普遍图景。
2026-04-30 cond-mat.soft q-bio.BM
Curvature Dependence of Hydrophobic Hydration Dynamics
我们采用分子动力学模拟研究了疏水球形溶质附近水动力学的曲率依赖性。对于这两个，横向和垂直的扩散，以及H-键动力学的水在第一水化壳，我们发现一个非单调的溶质大小的依赖性，表现出极端接近众所周知的结构交叉长度尺度疏水水化。此外，我们发现了一个明显的反常扩散的水平行于小溶质的表面移动，然而，可以解释的拓扑结构效应。溶质曲率，水的结构和动力学之间的密切联系对我们理解异质生物分子表面的水合动力学具有重要意义。
2015-04-08 cond-mat.soft
Long Range Hydration Effects in Electrolytic Free Suspended Black Films
利用X射线反射率（ca. 1年）。我们发现一个电解质浓度阈值以上的一个实质性的额外的排斥检测到的LiCl膜，高达100 μ m的距离。我们解释这种现象的德拜屏蔽长度的增加，由于本地屏蔽的凝聚的亲水性抗衡离子的初级水化壳。
1998-06-16 cond-mat.soft
Extension of the primitive model by hydration shells and its impact on the reversible heat production during the buildup of the electric double layer
最近，实验测量了在氯化钠溶液中双电层（EDL）累积期间的可逆热产生[Janssen等人，物理修订信函119，166002（2017）]并与来自密度泛函理论和分子动力学模拟的理论预测相匹配[Glatzel et al.，J. Chem.Phys.154，064901（2021）]。在后者中，发现离子与电极壁的空间相互作用（导致所谓的Stern层）足以解释实验结果。由于仅检查了受限原始模型中的对称离子尺寸，因此调查导致修改的Stern层的不相等离子尺寸的系统是有益的。在这项工作中，我们探讨了离子不对称性对每个电极的可逆产热的影响。在这种情况下，我们进一步研究了原始模型的扩展，其中离子的水化壳可以逃避在电极的壁附近。我们发现一个强烈的依赖系统参数，如颗粒的大小和总体积所采取的颗粒。在这里，我们甚至发现了在充电期间一个电极被加热而另一个电极同时被冷却的情况，而总的来说，两个电极一起表现得与已经提到的实验结果非常相似。因此，在实验中也应该分别测量每个电极的热产生。通过这种方式，我们提出的模拟电解质的某些成分的重要性可以在实验上得到证实或排除，最终导致对EDLs物理学的更深入理解。
2022-01-21 cond-mat.soft
Dielectric response of the water hydration shell of an ion: a field theory approach
这项工作的目标是提出一个简单的连续模型，捕捉水的介电特性在纳米尺度。我们写一个静电能量作为一个功能的极化场包含一个长期的$P^4$和非本地高斯条款。这样的哈密顿量可以再现水的两个关键性质：在强静电场存在下水的极化响应的饱和度和溶剂分子的纳米偶极相关性，从而改变长程范德华相互作用。该模型探讨了两个基本方面，必须包括在隐式模型的电解质在纳米尺度的静电相互作用的相关描述。
2019-04-08 cond-mat.soft physics.chem-ph
A structural determinant of the behavior of water at hydration and nanoconfinement conditions
本文揭示水要求第二分子壳层收缩和重取向以补偿配位缺陷的分子原理，该原理是两种液体情景的核心，决定水在水和纳米限制下的行为，并可用于定义润湿性条件以阐明水的积极作用。
2024-08-24 cond-mat.soft
Modeling hydration water and its role in polymer folding
疏水效应是驱使蛋白质趋向其天然状态的主导力量，但其物理机制尚未被完全理解。我们介绍了一个完全可解模型的非极性分子在水中的溶剂化，这表明，当溶质存在时，水分子的允许配置的数量减少，足以引起疏水行为。我们将我们的模型应用于水溶液中的非极性均聚物，获得了“冷”和“暖”塌陷转变的明确证据，这些证据可以回忆起蛋白质。最后，我们展示了如何该模型可以适用于描述芳香族和极性分子的溶剂化。
2002-01-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Thermoresponsivity of poly(N-isopropylacrylamide) microgels in water-trehalose solution and its relation to protein behavior
假设：添加剂通常用于调节大分子构象转变。在添加剂中，海藻糖是一种优异的生物保护剂，在响应性聚合物中，PNIPAM是研究最多的材料。然而，到目前为止，它们的相互作用机制只是暗示，没有直接的调查，而且，至关重要的是，从来没有阐明与蛋白质相比。详细的见解将有助于了解PNIPAM微凝胶在多大程度上可以有效地用作合成仿生材料，以在胶体尺度上再现和研究分离的蛋白质行为及其对与特定共溶剂或共溶质相互作用的敏感性。实验：采用动态光散射法研究海藻糖对PNIPAM微凝胶溶胀行为的影响;采用拉曼光谱法和分子动力学模拟从分子尺度上探讨溶胀-去溶胀转变过程中溶剂化和动力学的变化。调查结果：强水合海藻糖分子与PNIPAM微凝胶形成水介导的相互作用，从而在过渡区以下和以上保持聚合物水合，同时显著抑制聚合物及其水合壳的局部运动。我们的研究，第一次，表明，减缓动力学和优先排斥的主要机制，海藻糖的PNIPAM微凝胶的效果，在不一致的优先吸附醇，但在海藻糖蛋白质系统中观察到的行为完全类似。
2022-02-20 cond-mat.soft
Anomalous dynamics of confined water at low hydration
限制在二氧化硅孔中的水分子的流动性研究了通过计算机模拟在低水合制度，其中大部分的分子居住接近亲水性基板。这些分子的单粒子动力学的层分析表明，在长时间的亚线性行为的异常扩散。这种行为与停留时间分布的长时间衰减密切相关，类似于水与蛋白质接触。
2003-11-12 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Depolarized light scattering and dielectric response of a peptide dissolved in water
体相水的密度和取向弛豫可以分别用去偏振光散射（DLS）和介电谱（DS）来研究。在这里，我们问的问题是什么是负责极化各向异性弛豫（DLS）和偶极矩弛豫（DS）的解决方案，主要涉及疏水性溶质-水界面的领导集体模式。采用原子分子动力学模拟方法，研究了N-乙酰亮氨酸甲酰胺（NALM）二肽与水分子相互作用的动力学和结构。溶液的DLS响应与三个弛豫过程一致：本体水，单个溶质的旋转，和集体偶极诱导偶极极化率的溶质，与时间尺度为130-200 ps。没有单独的DLS响应的水化壳层已被确定由我们的模拟。水化层的密度波动，这在很大程度上有助于响应，不产生不同于散装水的动态过程。我们发现，二肽溶质的水化水的取向分布的结构扰动是相当显着的，并传播3-5水化层到本体。这种扰动仍然低于水合球状蛋白质产生的扰动。尽管这种结构扰动，有很少的变化，在水化层的取向动力学，相比，散装，探测由单粒子取向动力学和集体动力学的壳的偶极矩。溶质-溶剂相互作用势对界面结构的扰动和相应力对界面动力学的扰动有明显的区别。
2013-12-04 cond-mat.soft
Hydrated anions: From clusters to bulk solution with quasi-chemical theory
水合离子与溶液和界面伴侣的相互作用在化学能量尺度上是强的。在这里，我们测试最重要的\textit{ab initio theory}用于评估离子的水合自由能，即，\textit{quasi-chemical theory}（QCT）。我们专注于卤素阴离子，但也氢氧根阴离子，因为它们一直是所有理论的突出挑战。QCT是通过识别内壳簇，单独处理这些簇，然后将这些结果集成到更大规模的解决方案环境中来构建的。我们利用离子水合平衡的质谱测量的密切比较。理论与实验的比较非常好，这里的计算工作量适中。这一协议加强了理论和实验，并提供了一个数值精确的内壳贡献QCT。涉及较重的卤化物的内壳复合物显示出惊人的不对称水合簇。当内壳层材料将离子与外部溶液环境屏蔽时，QCT为可极化连续介质模型（PCM）的开发提供了有利的环境。对于不对称水合，屏蔽效果较差，较重的卤素离子，我们调查了一个逆程序，其中内壳结构从现成的AIMD计算散装解决方案进行采样。这种逆过程是一个显着的改进，我们的最终结果是在密切的水化自由能的标准表格。从AIMD模拟与本体溶液的阴离子水合簇结构的比较强调略有差异：本体溶液内壳结构的不对称性是缓和的，但仍然存在;和内壳填充到略高的平均配位数在本体溶液中比在集群。
2022-06-24 cond-mat.soft physics.chem-ph
Effect of hydrogen bonds on protein stability
冷变性和压力变性的机制是有争议的问题。一些模型提出，当变性发生时，在水合水分子之间形成更多的氢键。其他模型确定了表面水密度波动的原因，或者由于蛋白质内部水分子的位移而导致疏水接触的不稳定，如提出的高压。然而，很明显，水在这一过程中发挥着重要作用。在这里，我们回顾了一些模型，已经提出了深入了解这个问题。接下来，我们描述了一个粗粒度的水单层模型，成功地再现了水的复杂的热力学和比较以及在低水合水平的蛋白质实验。我们介绍了它的推广均聚物与水单分子层接触，并研究它的蒙特卡罗模拟。我们的目标是在理解水和界面氢键的协同性的相互作用如何影响蛋白质稳定性和展开的方向上迈出一步。
2010-11-16 cond-mat.soft physics.bio-ph
Model for the hydration of non-polar compounds and polymers
我们引入了一个完全可解的非极性化合物的水化的热力学力学模型，基于分组水分子在簇中发生氢键和各向同性的相互作用，簇之间的相互作用被忽略。分析结果表明，在溶质的存在下，氢键的有效加强，连同水分子的几何重组，足以产生疏水行为。我们扩展我们的模型来描述一个非极性均聚物在水溶液中，获得一个明确的证据“冷”和“暖”的溶胀过渡。这表明，我们的模型可能是相关的描述蛋白质折叠的一些特点。
2002-01-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Glass transition in biomolecules and the liquid-liquid critical point of water
利用分子动力学模拟，研究了生物分子（溶菌酶和DNA）的动力学跃迁与水化水动力学和热力学性质之间的关系。我们发现，大分子的动态转变，有时被称为“蛋白质玻璃化转变”，发生在水合水的扩散系数的动态交叉的温度下，并且也与等压比热$C_P$和取向序参量的温度导数的最大值相一致。我们将这些发现与水的液-液临界点的假设有关。我们的模拟结果是一致的可能性，即蛋白质玻璃化转变的结果从交叉Widom线，这被定义为从假设的第二临界点的水产生的相关长度最大值的轨迹。
2006-08-28 cond-mat.soft
Polarization and Charge Transfer in the Hydration of Chloride Ions
本文对第一层水化壳层中氯离子和水分子的结构和电子性质进行了理论研究。的计算上进行合奏的配置从分子动力学模拟的单个氯离子在散装水。模拟利用可极化AMOEBA力场的轨迹生成，和MP2水平的计算进行检查的离子和周围的水在更远的水域的外场的电子结构特性。ChelpG方法被用来探索氯离子和第一壳层水的有效电荷和偶极子。进一步利用分子中原子的量子理论（QTAIM）来研究从阴离子到周围水分子的电荷转移。根据QTAIM分析，0.2个元电荷从离子转移到第一壳层水分子。默认的AMOEBA模型高估了离子的平均偶极矩幅度与估计的量子力学值相比。在MP2水平下处理的第一壳中的水分子的偶极矩的平均大小为2.67 D，其中用AMOEBA有效电荷模型处理更远的水域。该值接近于第一壳水的AMOEBA结果（2.72 D），并略低于整体AMOEBA值（2.78 D）。第一溶剂化壳层中的水分子的偶极矩的大小受局部水-水相互作用和与第二溶剂化壳层的氢键的影响最强烈，而不是受与离子的相互作用的影响。
2009-12-14 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Quasi-Chemical and Structural Analysis of Polarizable Anion Hydration
利用准化学理论分析了溶质极化和尺寸在确定Hofmeister系列Cl $^-$、Br $^-$和I $^-$的结构和体相阴离子水合热力学中的作用。用可极化AMOEBA力场计算了全盐水化自由能，与实验结果吻合较好。准化学方法通过硬球条件精确地将溶剂化自由能划分为内壳层、外壳层堆积和外壳层长程贡献。小的调节半径，甚至在离子-水（氧）径向分布函数的第一个最大值内，导致主导离子水合自由能的长程贡献的高斯行为。的空间分区允许的平均场治疗的长程贡献，导致一阶静电，感应和范德华条款的自然划分。感应片表现出最强的离子极化率依赖，而较大幅度的一阶静电片产生相反的，但较弱的极化率依赖。此外，进行结构分析，以检查周围的阴离子的溶剂化各向异性。与水合自由能相反，溶剂化各向异性更多地取决于离子极化率而不是离子尺寸：极化率的增加导致各向异性的增加。离子附近的水的偶极矩是类似的大小散装水，而离子的偶极矩被发现是显着大于量子力学研究中观察到的。所观察到的过极化的离子模拟阴离子表面偏析的可能影响进行了讨论。
2009-12-14 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Multi-scale approach for self-Assembly and protein folding
我们开发了一种多尺度方法来模拟现实条件下的水合纳米生物系统（例如，纳米颗粒和蛋白质溶液在生理条件下在长达数小时的时间尺度上）。我们将生物界面处的水的原子模拟（例如，蛋白质或膜）和纳米界面（例如，纳米颗粒或石墨烯片）和用于蛋白质折叠和蛋白质设计的水合水的粗颗粒模型。我们研究蛋白质的自组装和结晶，在散装或约束下，和蛋白质吸附到纳米粒子的动力学，验证我们的预测与几个实验组合作。我们试图找到基本问题的答案（为什么水对生命如此重要？哪些特性使水在生物过程中独一无二？）我们能设计出更好的药物吗？我们能限制导致老年痴呆症的蛋白质聚集吗？如何实现nanotheranostic？）在这里，我们只关注我们的方法的两个较大的尺度：（i）在亚纳米长度尺度和毫秒到秒的时间尺度的水合蛋白质和蛋白质折叠的粗粒描述，和（ii）在10-100 nm的长度尺度和秒到小时的时间尺度的纳米颗粒上的蛋白质自组装的粗粒建模。
2017-07-04 cond-mat.soft
Cavity-water interface is polar
我们提出的静电和动力学的水化壳周围的Kihara腔的数值模拟结果给出了一个Lennard-Jones（LJ）层在硬球腔的表面。水化层的局部介电响应基本上超过了散装水的介电响应，壳中的介电常数峰值的大小随着腔体尺寸的增大而增大。极壳传播到散装水的空腔半径附近。由水在腔体内产生的静电场的统计遵循线性响应，并且随着腔体尺寸的增加接近连续静电学的预测。
2010-05-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
Spectroscopic Signatures of the Dynamical Hydrophobic Solvation Shell Formation
当水中的亲水性溶质突然变成疏水性物质时，例如，通过光电离，在几皮秒的时间尺度上在溶质周围形成一层水合水分子。我们研究了动态建立的水化壳周围的疏水性溶质的基础上，随时间变化的介电连续模型。有关溶剂的信息是光谱提取的测试偶极子内的静态Onsager球在非平衡溶剂的弛豫动力学。的生长过程中描述的现象在两种方法。首先，我们考虑一个随时间变化的水化层的厚度从零增长到一个有限的值在有限的时间。第二，我们假设一个时间依赖的复介电常数在一个有限的层区域周围的Onsager球。该层被建模为具有慢得多的波动动力学的连续电介质。我们发现一个随时间变化的频率偏移下降到蓝色的偶极子的共振吸收，连同一个动态减小的线宽，相比散装水。蓝移反映了对本体溶剂的氢键网络所做的功，并且是可直接测量的量。我们的结果与碘在水中的疏水溶剂化实验一致。
2022-01-30 cond-mat.soft
Non-Gaussian statistics of electrostatic fluctuations of hydration shells
我们报告的统计数据的电场波动SPC/E水内的Kihara溶质作为一个硬球的核心，在其表面的Lennard-Jones层。电场波动的统计，从数值模拟中得到的，研究作为一个函数的大小的一个点偶极子靠近溶质-水界面。自由能表面作为投影在偶极子方向上的电场的函数，随着偶极子幅度的增加而显示出交叉。虽然它是一个单井谐波函数在低偶极值，它成为一个双井表面在中间的偶极矩幅度，转化为一个单井表面，具有非零的最小位置，在更高的偶极。一个广泛的中间区域，界面水波动之间的两个最小值的特点是强烈的场波动，与非高斯统计和方差远远超过线性响应的预期。表面水的激发态被发现被解除以上的基态所需的能量，以打破约两个氢键。这种状态被溶质偶极的外部电场拉低能量，使其易于受到热激发。激发态是氢键网络中的局部表面缺陷，在附近的网络中产生应力，但在最靠近溶质偶极子的区域中相对局部化。
2011-05-26 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Quantitative cw Overhauser DNP Analysis of Hydration Dynamics
近年来，液态奥弗豪泽效应动态核极化（ODNP）又引起了人们的兴趣.特别地，ODNP测量的新表现测量了ESR活性自旋探针的5-10 μ m内的水的平移迁移率（即，电子自旋共振活性分子附近的局部平移扩散率D_{local}）。这样的自旋探针，通常是稳定的氮氧自由基，已被连接到大分子，包括蛋白质，聚合物和膜囊泡的表面或内部。尽管这种测量具有独特的特异性，但它只需要标准的X波段（~10 GHz）连续波（cw）电子自旋共振（ESR）光谱仪，以及标准的核磁共振（NMR）光谱仪。在这里，我们提出了一组的发展和校正，使我们能够提高定量ODNP的准确性，并将其应用到样品比以前可行的低两个数量级以上。
2012-06-04 cond-mat.soft physics.ins-det
Water Density Fluctuations Relevant to Hydrophobic Hydration are Unaltered by Attractions
散装水的密度波动的理解作出了重大贡献，我们的理解理想化的，纯粹的排斥性疏水溶质的水合作用和相互作用。为了类似地告知具有与水的分散相互作用的现实疏水溶质的水合作用，在这里，我们表征了在对应于溶质-水吸引力的吸引场的存在下的水密度波动。我们发现，当吸引场只作用在溶质水化壳层，而不是在溶质核，它不会显着改变水的密度波动在溶质核区域。我们进一步发现，对于广泛的溶质的大小和吸引力的强度，打开在散装水的吸引力领域的自由能准确地捕获的线性响应理论。我们的研究结果还提出了更有效地估计散装水和界面处的现实溶质的水合自由能的策略。
2015-02-18 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
New Insights into the Dynamics of Zwitterionic Micelles and Their Hydration Waters by Gigahertz-to-Terahertz Dielectric Spectroscopy
水环境中大分子的千兆赫兹到太赫兹光谱提供了一种重要的方法来识别它们的全局和瞬态分子结构，以及直接评估氢键。我们报告的介电性能的两性离子十二烷基磷酸胆碱（DPC）胶束在水溶液中在很宽的频率范围内，从50 MHz到1.12太赫兹。介电弛豫谱揭示了分子水平上不同的极化机制，反映了DPC胶束-水相互作用的复杂性。我们将光谱解卷积为不同的组分，并将它们与有效介质近似相结合，以分离胶束在水中的精细过程。我们的测量结果表明，胶束内的DPC表面活性剂的头部基团的重定向运动，和两个层次的水化水壳，包括紧密结合和松散结合的水化水层。从DPC溶液中本体水的介电强度，我们发现，在DPC浓度高达400 mM时，水合壳中水的数量大致恒定在950 +/- 45个水分子/胶束，并且在此之后减少。在太赫兹频率下，采用有效介质近似，我们估计每个DPC胶束被310 +/- 45个水分子的紧密结合层包围，这些水分子的行为就像它们是胶束的组成部分一样。结合分子动力学模拟，我们确定，紧密结合的水是直接氢键的DPC的氧，而松散结合的水驻留在胶束原子的4埃。DPC胶束在太赫兹频率下的介电响应，第一次，关于胶束中最大规模，最低频率的集体运动的实验信息。
2016-09-24 cond-mat.soft physics.chem-ph
Heat Capacity Effects Associated with the Hydrophobic Hydration and Interaction of Simple Solutes: A Detailed Structural and Energetical Analysis Based on MD Simulations
我们研究了SPCE和TIP 5 P水模型，以研究与氙粒子的疏水水合和相互作用相关的热容效应。我们采用Widom粒子插入技术计算氙的过剩化学势。溶剂化焓和过剩热容量从化学势的温度依赖性获得，或者直接通过埃瓦尔德求和以及基于反应场的方法获得。所有三种不同的方法都提供了一致的结果。反应场方法允许将各个组分的溶剂化热容量分离成溶质/溶剂和溶剂/溶剂部分，揭示溶剂/溶剂部分作为主要贡献。在不同间隔处围绕一对氙粒子的水分子的热容量的详细空间分析揭示，在两个氙原子之间的二等分平面中的水分子的热容量的增强是在去溶剂化势垒处观察到的热容量的最大值的原因，最近由Shimizu和Chan报道（{ \em J. Am. Chem. Soc.}，{ \bf 123}，2083- 2084（2001））。在联合氙-氙水化壳的凹部中的水的热容量增大了约60%，这是随着温度的升高而增强的氢键和增强的氢键断裂的反作用的结果。两种模型在氙-氙接触状态下热容的差异归因于水模型体热容的不同，以及疏水颗粒引入的结构效应在空间上的不同延伸。讨论了联合氙-氙水化壳层中水的不同状态之间的相似性和拉伸水的性质。
2004-02-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
How does the first water shell fold proteins so fast ?
第一层水合壳和本体溶剂在蛋白质的折叠中起着至关重要的作用。在这里，水在蛋白质动力学中的作用已经使用理论蛋白质溶剂模型和统计物理方法进行了研究。我们制定了一个水化模型，其中属于蛋白质构象的第一壳层的水分子之间的氢键可能主要形成或断裂。在热平衡下，氢键在低温下形成，在高温下断裂。为了探索溶剂效应，我们使用主方程演化来跟踪大样本蛋白质链的折叠。动力学显示了一个明确的机制。在玻璃化转变温度以上，大比例的链非常迅速地折叠成天然结构，而与温度无关，遵循高转变速率的途径通过被具有断裂氢键的溶剂包围的结构。虽然这些状态有一个无穷小的概率，他们作为强大的动力学吸引子和快速折叠的收益沿着这些路线，而不是路径之间的过渡率小的配置高得多的平衡概率。在给定的低温下，观察到折叠时间的大幅跳跃。低于此玻璃化温度，氢键主要形成的路径成为那些最高的速率，虽然与巨大的弛豫时间的构象变化。研究结果表明，褶皱遵循双漏斗机制。
2011-01-28 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Heterogeneous structure and dynamics of water in a hydrated collagen microfibril
本研究通过全原子分子动力学模拟发现，水合胶原蛋白微纤维中水的结构与动力学在67 nm D间距内呈空间异质性，水分子在约100%水合度时从胶水转变为润滑剂，超过130%时微纤维解组装。
2024-06-26 cond-mat.soft
Effects of lengthscales and attractions on the collapse of hydrophobic polymers in water
我们目前的结果从广泛的分子动力学模拟的疏水聚合物在明确的水的崩溃过渡集中在理解的疏水表面的长度尺度和有吸引力的相互作用对折叠的影响。疏水聚合物显示抛物线，蛋白质样，温度依赖性的展开自由能。小的有吸引力的聚合物的折叠状态在300 K下是勉强稳定的，并且可以通过加热或冷却来展开。增加长度尺度或降低聚合物-水吸引力显著稳定折叠状态，前者由水合贡献主导。该水合作用贡献可以通过表面张力模型$ΔG=γ(T)ΔA$来描述，其中表面张力$γ$是长度尺度依赖性的并且随温度单调减小。所得到的水合熵随聚合物长度尺度的变化与Huang和Chandler（Proc.Natl. Acad.科学，97，8324-8327，2000），其解释了在蛋白质折叠热力学中观察到的熵收敛的模糊。水的结构分析表明，聚合物-水疏水界面是软的，弱去湿，其特征在于增强界面密度波动。这种界面的形成，诱导聚合物折叠，是强烈反对的焓和熵的青睐，类似于汽-液界面。
2007-01-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Impact of RNA Melting on Hydrating Water Structure Mapped by Femtosecond 2D-IR Spectroscopy
我们辨别周围的糖磷酸骨架的RNA双螺旋在分子水平上的水合几何形状。RNA在融化时的无序化与从有序的水结构向局部磷酸基团水合壳的过渡有关。
2021-08-25 cond-mat.soft physics.chem-ph
Xerogel Protein Substrates for Far Infrared Studies
许多研究人员正试图开发一种基于太赫兹传感的生物传感器。实现任何生物传感器系统的关键是目标分子对传感器的访问。在使用太赫兹光谱的情况下，由于水的高衰减和灵敏度水平而存在限制。为了在THz频率下具有显著的响应，通常需要100微米的最小路径长度。这种厚度的固体薄膜与靶分子的相互作用有限。我们建议使用干凝胶作为生物分子探针基板。我们已经表征了干凝胶基质的太赫兹透射率作为水合作用和蛋白质含量的函数。这些测量结果表明，干凝胶是生物分子探针基板，实现太赫兹生物传感器的优秀候选人。
2003-07-23 cond-mat.soft q-bio
How the stability of a folded protein depends on interfacial water properties and residue-residue interactions
蛋白质只有在其天然状态下折叠时才起作用，但温度T和压力P的变化会诱导其解折叠。因此，对于每种蛋白质，在T-P热力学平面中存在稳定区（SR），在该稳定区之外生物分子变性。已知SR的延伸和形状取决于i）氨基酸序列天然状态下的特定蛋白质残基-残基相互作用和ii）水合界面处的水性质。在这里，我们通过蒙特卡罗模拟分析了不同的粗粒度蛋白质模型在显式水中的i）和ii）的变化如何影响SR。我们表明，溶剂性质ii）是必不可少的，以合理化SR形状在低T和高P，我们的发现是强大的参数变化和不同的蛋白质模型。这些结果可以帮助开发新的策略，设计新的合成生物聚合物。
2017-04-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Cavity-ligand binding in a simple two-dimensional water model
在等温等压系综中，通过Monte Carlo计算机模拟，我们研究了疏水配体与各种曲率（平面，凸和凹）的疏水表面的相互作用。一个简单的水，疏水配体和表面的二维模型。研究了水分子限制在分子表面附近的水合/去汗现象。一个显着的去湿的疏水表面一起观察到接近表面的水分子的重新取向。形成氢键网络以容纳靠近表面以及超出第一水化壳的空腔。在具有大曲率的凹表面的情况下，效果最强烈地显著。该简化模型可进一步用于评价疏水配体对接的热力学指纹。
2016-03-07 cond-mat.soft
Water at interface with proteins
水对蛋白质的活性是必不可少的。然而，水的性质对蛋白质行为的影响只被部分理解。最近，一些实验研究了水化水的动力学和蛋白质的动力学之间的关系。这些作品产生了大量的数据，其解释有争议。新的实验测量了低温下蛋白质表面水的动力学，发现了一种可能与蛋白质活性（蛋白质玻璃化转变）的减缓和停止有关的质变（交叉），这可能与低温下有机材料的安全保存有关。为了更好地理解实验数据，讨论了几种情况。在这里，我们回顾这些实验，并讨论它们的解释与水的异常性质。我们总结了过冷水在界面处的热力学和动力学的结果。我们还考虑了水对蛋白质稳定性的影响，通过蒙特卡罗模拟和理论计算，在理解的方向上迈出了一步，水协同性和氢键界面强化的相互作用如何影响蛋白质冷变性。
2010-12-07 cond-mat.soft physics.bio-ph
Hydrophobic hydration driven self-assembly of Curcumin in water: Similarities to nucleation and growth under large metastability, and an analysis of water dynamics at heterogeneous surfaces
由于姜黄素的有益作用经常被报道限于其小浓度，我们进行了一项研究，通过改变单体的数量来发现姜黄素在水中的聚集特性。我们的分子动力学模拟结果表明，当我们改变姜黄素单体的数量从4到16单体的平衡结构总是一个显着的结构重排的聚集态。我们发现姜黄素单体以非常明确的模式形成簇，其中它们倾向于以苯环的平行和反平行取向聚集，这通常见于蛋白质中β-折叠的形成。随着系统大小从12个增加到16个姜黄素单体，观察到平行排列的群体有相当大的增强。由于大系统尺寸的这种平行排列的普遍性，形成具有最大数量的疏水接触的更紧密堆积的簇。我们还遵循集群增长的途径，特别是从最初的隔离到最终的聚集状态的过渡。我们发现存在一个亚稳态的结构中间体，涉及一些中等大小的集群分散在解决方案中。聚集过程与高度亚稳态下的成核和生长过程相似。最终的聚集形式保持稳定，从其隔离的疏水核中完全排除水。我们还调查了集群表面附近的水结构以及它们的取向。我们发现，水分子形成一个扭曲的四面体的几何形状在第一溶剂化层的簇，强烈的相互作用与亲水基团在姜黄素的表面。姜黄素簇表面附近的这种准结合水分子的动力学比本体慢得多，这表明在蛋白质水化层中经常发现的受限运动。
2014-06-20 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Ion-Specific Anomalous Water Diffusion in Aqueous Electrolytes: A Machine-Learned Many-Body Force Field Study with MACE
Department of Physical and Chemical Sciences, University of L’Aquila（拉奎拉大学物理与化学科学系）
研究通过机器学习多体力场模拟揭示了水在电解质溶液中的离子特异性异常扩散现象，改进了NaCl溶液的模拟结果，揭示了离子水合壳层对水扩散的影响机制。
2026-06-24 cond-mat.soft physics.chem-ph
Amino acid preference against beta sheet through allowing backbone hydration enabled by the presence of cation
已知β折叠中水和肽基团PG之间的氢键HB的肽侧链的空间阻断符合氨基酸固有β折叠偏好。目前的观察结果与量子分子动力学，QMD，模拟与每个水分子溶剂化的β折叠，这将是短暂的性质表明，这种空间阻断是不适用于疏水区，除非阳离子存在，因此，氨基酸β折叠偏好由于这种空间阻断是只在阳离子的存在下是有效的。我们观察到在没有阳离子存在的情况下，聚丙氨酸和聚缬氨酸α螺旋中的主链水合，但阳离子可以增加这些HB的强度。平行β折叠具有比相等小尺寸的反平行β折叠更大的趋势以在溶剂化QMD中保留规则结构，并且使用4链4间PG HB链平行β折叠。通过一个表面是聚缬氨酸来增强稳定性，其支撑用于实验的相对表面。一个单一的Ca2+离子被用于调查的个别结合事件，而不是散装性能。在这些模拟中没有观察到Ca2+和PG氧之间的直接结合，但随着瞬时β折叠的展开，它可能发生在更长的时间尺度上。当对肽共振、共振辅助氢键和水的性质准确的线性缩放QMD方法变得可用时，可以以可接受的计算成本进行具有多种类型的多种离子的更广泛的实验。重要的是，这样的调查进行蛋白质的二级结构，而不是模型酰胺，使侧链限制的骨干水合作用，因此内在的氨基酸倾向被捕获。
2016-10-03 cond-mat.soft physics.chem-ph q-bio.BM
Microscopic understanding of ion solvation in water
离子的溶剂化在我们的星球上无处不在。溶剂化离子对离子溶液的行为具有深远的影响，这在自然界和技术中至关重要。在实验上，离子被分为“结构制造者”或“结构破坏者”，这取决于它们是否减慢或加速溶液动力学。在理论上，离子的动力学已被解释为一个介电摩擦模型结合流体力学和电荷-偶极相互作用的连续描述。然而，这两种方法都缺乏微观结构基础，使得对盐效应的微观理解不清楚。在这里，我们阐明了独特的微观特征的球形离子的溶剂化的计算机模拟。我们发现，增加离子电场会导致急剧过渡的水化壳层厚度的减少，信号的离子迁移率从斯托克斯到介电摩擦制度的变化。由于水-水氢键和离子-水静电相互作用之间的竞争，介电摩擦机制可以进一步分为两种：前者或后者占上风决定了水动力学是加速还是减速。在离子-水相互作用占主导地位的制度，离子大小和电荷的特定组合稳定的水化壳通过定向对称性破缺，让人想起汤姆逊问题的电子配置的原子。值得注意的是，水化壳层的稳定性是高得多的复合配位数比一个质数，溶剂动力学的质数效应。这些研究结果是基本的结构断路器/制造商的概念，并提供了新的见解溶剂结构和动力学超越连续模型，铺平了道路的微观理论的离子溶液。
2021-07-26 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Relaxation dynamics of a protein solution investigated by dielectric spectroscopy
在目前的工作中，我们提供了两个不同浓度的溶菌酶水溶液的介电研究的频率范围从1 MHz到40 GHz和温度从275到330 K。我们分析了三个分散区，通常发现在蛋白质溶液中，通常被称为β-，γ-和δ-松弛。β-弛豫，发生在频率范围约10 MHz和γ-弛豫约20 GHz（在室温下），可以归因于极性蛋白质分子在其水介质中的旋转和自由水分子的重新取向运动，分别。δ松弛的本质，这往往是归因于结合水分子的运动，尚未完全理解。在这里，我们提供的数据的弛豫时间和弛豫强度的所有三个检测过程的温度依赖性和离子电荷传输所产生的直流电导率。β-和γ-弛豫的温度依赖性密切相关。我们发现了一个显着的温度依赖性的蛋白质的偶极矩，表明构象的变化。此外，我们发现在这种蛋白质溶液中Debye-Stokes-Einstein关系的破裂，即，DC电导率不完全由溶剂分子的迁移率控制。相反，它似乎是直流电导率密切相关的水化壳动力学。
2012-02-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
4D Liquid-phase Electron Microscopy of Ferritin by Brownian Single Particle Analysis
蛋白质的功能和活性是其三维结构的结果。低温电子显微照片的单粒子分析从根本上改变了结构生物学，允许几乎任何类型的蛋白质的原子重建。虽然这种方法提供了可以与功能相关的三维结构信息的快照，但蛋白质结构生物学的新前沿是第四维，时间。在这里，我们建议使用液相电子显微镜，以扩大结构生物学的动态研究。我们在这里应用单粒子分析算法的布朗运动通过时间的蛋白质的图像;因此，布朗单粒子分析（BSPA）。BSPA能够将采集时间从冷冻EM中的数小时缩短到数秒，并获得有关构象变化、水合动力学和热波动影响的信息。BSPA提供了所有这些以前被忽视的方面，可能会导致一个新领域的边缘：动态结构生物学。
2019-07-07 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Monodisperse self-assembly in a model with protein-like interactions
我们研究的自组装行为与“蛋白质样”的相互作用，可以被认为是一个极小模型组装的病毒衣壳和其他壳状蛋白质复合物的补丁颗粒。我们深入探讨的热力学和动力学的自组装作为模型的参数的函数，并找到所有考虑的目标结构的强大的组装。最佳组装发生在参数空间的区域中，其中自由能势垒调节成核速率，从而防止可能导致形成不完整壳的单体供应的过早耗尽。相互作用也需要足够具体，以防止畸形壳的组装，但同时保持动力学可达性。为我们的模型计算的自由能景观有一个漏斗状的地形引导系统形成的目标结构，并显示粒子间相互作用的扭转分量防止无序聚集体的形成，否则将作为动力学陷阱。
2009-07-28 cond-mat.soft q-bio.BM
