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
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
Temperature and Length Scale Dependence of Solvophobic Solvation in a Single-site Water-like Liquid
在Jagla液体中研究了球形硬疏溶剂溶质的溶剂化性质对温度和长度尺度的依赖性，Jagla液体是一种简单的液体，由通过球对称势相互作用的粒子组成，该势结合了硬核排斥和更长范围的软核相互作用，但表现出类似水的异常。结果进行了比较与一个典型的原子液体，Lennard-Jones（LJ）的潜在的模型的等效计算，并与预测的疏水溶剂化在水中使用的腔状态方程和扩展的简单点电荷（SPC/E）模型。我们发现，Jagla液体捕获作为温度的函数的小和大的长度尺度溶质的疏水水合的定性热力学行为。特别是，对于Jagla液体和水，我们观察到温度依赖的焓和熵的溶剂化的所有溶质的大小，以及足够小的溶质在低温下的负溶剂化熵。结果表明，与简单的液体相比，存在第二个热可及的排斥能量尺度，其作用是越来越有利于较大的分离以降低温度，这是有利于低密度、开放结构和模型疏水水合的液体的基本特征，正是这种第二能量尺度的存在导致了水和Jagla液体行为的相似性。利用一个简单的疏溶剂溶质聚集模型，探讨了类水液体中溶剂化自由能的温度和长度尺度依赖性的影响。我们展示了聚集体的稳定性如何取决于聚集体的大小和其组成溶质的大小，我们将这种依赖关系与冷诱导的不稳定现象，如冷诱导的蛋白质变性。
2012-11-01 cond-mat.soft
The percolation transition of hydration water: from planar hydrophilic surfaces to proteins
水合水的跨越氢键网络的形成被发现发生通过在各种系统中的2D渗滤过渡：光滑的亲水性表面，表面的单个蛋白质分子，蛋白质粉末和稀释的肽溶液。水-水氢键的平均数nH在逾渗阈值从2.0到2.3变化，这取决于温度，系统大小和表面性质。计算的nH允许一个简单的估计在各种系统中，包括生物分子的水合水的渗滤阈值。
2005-08-05 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
The structural order of protein hydration water
水溶解生物分子的能力对我们的生命至关重要。研究表明，蛋白质对水在其水化壳层中的行为有着深刻的影响，而水的行为反过来又影响着蛋白质的结构和功能。然而，由于缺乏合适的结合蛋白质/水界面上氢键信息的结构描述符，至今对蛋白质是否促进或破坏水在其水化壳层中的结构有序性仍没有一致的认识。本文对溶菌酶蛋白质在水中的分子动力学行为进行了全原子分子动力学模拟，并利用新开发的结构描述子分析了蛋白质水合水的氢键结构。我们发现，蛋白质促进水化水的局部结构有序化，而对单个氢键的强度的影响可以忽略不计。这些发现对生物分子的结构和功能至关重要，并为蛋白质在水中的水合作用提供了新的见解。
2022-08-25 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Dynamics of lysozyme and its hydration water under electric field
用非相干准弹性中子散射（QENS）研究了静电电场对溶菌酶及其水合水动力学的影响。在210 $<$ T $<$ ~ 260 K的温度范围内，对分别用重水（D2 O）和轻水（H2O）水合的溶菌酶样品进行了测量，以捕获蛋白质动力学，并探测水合壳的动力学。两种情况下的水合分数为约$\sim$ 0.38克水/克干蛋白。研究的场强分别为0 kV/mm和2 kV/mm（2 - 10 $^6$ V/m）的蛋白质水合与D2 O和0 kV和1 kV/mm的H2O水合对应物。虽然蛋白质的整体内部质子动力学似乎不受高达2 kV/mm的电场的施加的影响，可能是由于更强的分子内相互作用，但也没有明显的定量增强水合水的扩散动力学，根据我们最近在2.5 kV/s的电场值下对二氧化硅孔隙中的水进行的观察，这可能是由于水和两种吸附主体（二氧化硅和蛋白质）之间的表面相互作用的差异，或者由于对于增加的分子扩散存在临界阈值电场值Ec $\sim$ 2-3 kV/mm，电击穿是我们的样品的限制。
2013-12-06 cond-mat.soft
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
Temperature-dependent mechanisms for the dynamics of protein-hydration waters: a molecular dynamics simulation study
利用分子动力学模拟研究了弹性蛋白样肽和胶原蛋白样肽水化壳的温度依赖性动力学和结构。对于这两个模型肽，它是一致的观察到，在冷却时，水动力学的机制不断变化，从小步扩散运动到大步跳跃运动，水动力学的温度依赖性表现出弱交叉从脆弱的行为到强的行为，和氢键网络的顺序增加。从脆弱到强大的行为的弱交叉的温度被发现与达到氢键网络的最大可能的顺序，使结构变得与温度无关的温度相一致。在强区，水的平移和旋转动力学的温度依赖性的特征在于由一个激活能ca。E_a=0.43 eV，与以前对蛋白质水化水的介电谱和核磁共振研究结果一致。在这些温度下，围绕双重分子对称轴的扭曲π翻转运动，即，水特异性β过程是水动力学的一个重要方面，至少在水-肽界面处是如此。此外，它示出的水合水表现出明显的动力学不均匀性，这可以追溯到一个强烈的放缓水运动的肽分子附近，由于形成水-肽氢键。
2009-02-20 cond-mat.soft
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
Dissecting Hydrophobic Hydration and Association
我们使用适当定义的短程参考模型的液态水澄清不同的角色，当地的氢键，范德华吸引力，和远程静电相互作用发挥在水中的非极性溶质的溶剂化和协会。虽然局部氢键相互作用主导涉及小溶质的疏水效应，但发现更长范围的静电和分散相互作用在描述大溶质周围的界面结构中越来越重要。氢键网络设置溶质长度尺度，在该尺度下观察到这些小和大长度尺度制度之间的溶剂化行为的交叉。不平衡的长程作用力作用于界面水分子在疏水缔合中也很重要，在这里通过分析模型甲烷和巴克敏斯特富勒烯溶质的缔合来说明。
2015-02-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
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
Solvation enhances folding cooperativity and the topology dependence of folding rates in a lattice protein model
本研究通过蒙特卡洛模拟格点蛋白质模型，发现有利溶剂化能增强折叠协同性并改善折叠速率与拓扑的相关性，提示溶剂化对双态蛋白质折叠特性有重要贡献。
2025-03-30 cond-mat.soft q-bio.BM
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
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
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
Characterizing the Interplay between Polymer Solvation and Conformation
柔性分子的构象转变，特别是那些由疏水效应驱动的构象转变，往往会受到去溶剂化障碍的阻碍。对于这样的转变，因此重要的是表征和理解溶剂化和构象之间的相互作用。使用专门的分子模拟，在这里，我们进行这样的表征在水中溶解的疏水性聚合物。我们发现，一个外部的潜在的，这不利于扰动的聚合物水合水，可以触发线圈到球或崩溃过渡，和崩溃和扩展状态的相对稳定性可以量化的强度所需的潜力。我们的研究结果还提供了机制的崩溃过渡的见解，突出了聚合物崩溃收益通过形成一个足够大的非极性集群，集体水密度波动在稳定这样的集群中发挥了重要作用。我们还研究了在辛烷，一种非极性溶剂中的疏水聚合物的崩溃，有趣的是，我们发现，过渡的机械细节是定性类似于在水中。
2021-03-13 cond-mat.soft
The Solvophobic Solvation and Interaction of Small Apolar Particles in Imidazolium-Based Ionic Liquids is Characterized by Enthalpy-/Entropy-Compensation
我们报告的分子动力学模拟的结果表征的溶剂化和小的非极性粒子，如甲烷和氙气在咪唑基离子液体（IL）的相互作用。模拟能够半定量地再现非极性粒子的溶解度在无限稀释制度的异常温度依赖性。我们观察到，在离子液体中的小非极性粒子的“疏溶剂化”是由补偿熵和疏水贡献，非常像在液态水中的小非极性粒子的疏水水合。此外，我们的模拟清楚地表明，溶剂介导的非极性粒子溶解在离子液体中的相互作用是类似的驱动补偿的疏水/熵的贡献，使“疏溶剂的相互作用”在化学上类似的疏水相互作用。
2008-01-07 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
How the Liquid-Liquid Transition Affects Hydrophobic Hydration in Deeply Supercooled Water
我们使用TIP 5 P-E模型通过广泛的计算机模拟来确定液态过冷水的相图[J. Chem. Phys. { \bf 120}，6085（2004）]。我们发现，在过冷范围内的水转化成低密度液体强烈增强了疏水颗粒的溶解度。水转化为四面体结构的液体伴随着最小的水合熵和焓。溶剂化热容量的符号的相应变化指示疏水水合的一个特征签名的损失。所观察到的行为被发现是定性地根据Garde等人的信息理论模型的预测。{ \bf 77}，4966（1996）]。
2005-03-21 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Protein folding mediated by solvation: water expelling and formation of the hydrophobic core occurs after the structure collapse
利用一个极简模型研究了蛋白质折叠中天然结构的结构搜索和去溶剂化之间的相互作用。这些结果支持折叠机制，其中蛋白质的大部分结构形成是在水从疏水核心排出之前实现的。这种观点将水分排出效应整合到蛋白质折叠的漏斗能量景观理论中。显示了SH3蛋白的实验结果的比较。在折叠转变之后，发现了具有部分溶剂化的疏水核心的接近天然的中间体。这个转变之后是最后一步，该步骤合作地将水分子从部分水合的蛋白质核心中挤出。
2002-03-31 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio
Electrostatics in the Stability and Misfolding of the Prion Protein: Salt Bridges, Self-Energy, and Solvation
使用最近开发的介观理论的蛋白质折叠，我们已经计算了盐桥能量，总残留静电势能，并转移到一个低介电淀粉样相的朊病毒蛋白的12个物种和突变体的能量。盐桥和自能在朊病毒蛋白二级和三级结构元件的稳定中起关键作用。发现每个残基的总静电势能总是稳定的。在家族性朊病毒病中经常发现突变的残基是那些具有最大静电能量的残基。带电基团去溶剂化的大障碍对朊病毒蛋白参与淀粉样蛋白聚集体施加了区域限制，导致静电淀粉样蛋白募集概况，其有利于α螺旋1和β链2之间的序列区域、螺旋2和3的中间以及α螺旋1的N-末端区域。我们发现，由于盐桥的稳定性是最小的蛋白质中研究的疾病易感的人类朊病毒蛋白突变体。
2010-04-09 cond-mat.soft q-bio.BM
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
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
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
Quasi-Chemical Theory with Cluster Sampling from Ab Initio Molecular Dynamics: Fluoride (F$^-$) Anion Hydration
准确预测阴离子的水合自由能通常比阳离子更具挑战性。在水合团簇如$\mathrm{F(H_2O)}_n{}^-$中，向阴离子提供氢键可导致精细结构。因此，能量景观包含许多局部极小值，即使是小集群，这些极小值对计算优化提出了挑战。利用气相团簇的自由能的簇实验结果表明，即使非谐效应是有趣的，他们不需要麻烦的准化学理论的离子水合的仔细应用程序的幅度。能量优化的簇结构的阴离子可以离开中心离子高度暴露和隐式溶剂化模型的应用程序，这些结构可能会招致更严重的错误比金属阳离子。利用从从头算分子动力学模拟中采样的簇结构基本上解决了这些问题。
2018-08-31 cond-mat.soft physics.chem-ph
Fast Computation of Solvation Free Energies with Molecular Density Functional Theory: Thermodynamic-Ensemble Partial Molar Volume Corrections
分子密度泛函理论（MDFT）提供了一种有效的隐式溶剂方法来估计分子的溶剂化自由能，同时保持了溶剂的完全分子表示。即使在一个二阶近似的自由能功能，所谓的均匀参考UID近似，我们表明，水合自由能计算的数据集的500种有机化合物的质量相似的那些从分子动力学自由能微扰模拟，与计算机成本降低了两到三个数量级。这就需要引入适当的部分体积校正，将结果从大正则系综转换为与实验相关的等压等温系综。我们表明，这种校正可以扩展到3D-RISM计算，给出了一个健全的理论justifcation最近提出的经验偏摩尔体积校正。
2014-06-11 cond-mat.soft
Charge and hydration structure of dendritic polyelectrolytes: molecular simulations of polyglycerol sulphate
基于树枝状或超支化聚电解质的大分子已成为生物医学应用的高潜力候选者。在这里，我们研究的电荷和溶剂化结构的树枝状聚甘油硫酸酯（dPGS）的第0至3代在氯化钠水溶液中的显式溶剂分子动力学计算机模拟。我们表征dPGS通过计算几个重要的属性，如相关的dPGS半径，分子分布，溶剂可及的表面积，和部分分子体积。特别是，由于dPGS具有高电荷重整化效应，我们解决了如何获得一个明确的有效电荷和表面电位的dPGS的实际应用的挑战。我们比较隐式和显式溶剂的方法在我们的全原子模拟与粗粒度的模拟从我们以前的工作。我们发现有效静电尺寸的一致值（即，德拜-休克尔球的有效电荷的位置）在所有的方法中，最多偏离一个水分子的大小。最后，水插入dPGS和它的热力学签名的过剩化学势的提出和合理化。
2020-10-08 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
Warm and Cold Denaturation in the Phase Diagram of a Protein Lattice Model
研究蛋白质周围的溶剂的性质，我们提出了一个更复杂的溶剂化模型比温度无关的单体之间的成对相互作用，通常用于晶格表示。我们应用我们的模型的溶剂化一个16-单体链约束在一个二维晶格。我们计算的温度和溶剂的参数，这是有关的溶液的pH值的相图函数。它表现出天然状态，其中链聚结成独特的紧凑构象以及变性状态。在某些溶剂化条件下，在天然和变性状态之间发生温变性和冷变性。一个很好的协议被发现从量热实验获得的数据，从而验证了所提出的模型。
2001-01-17 cond-mat.soft q-bio
Stabilizing $α-$helicity of polypeptide in aqueous urea: Dipole orientation or hydrogen bonding?
尿素由于其通过尿素残基优先结合而破坏第一溶剂化壳的强烈倾向而使蛋白质变性。然而，即使经过广泛的实验和计算研究，尿素对二级结构稳定性的影响仍然难以捉摸。例如，与通常的理解相反，实验研究已经表明，特定的多肽，如聚丙氨酸或富含丙氨酸的系统，甚至可以显示出在尿素水溶液中形成二级结构的改善的趋势。我们调查这个看似违反直觉的行为，使用超过15个$μ$ s长的全原子模拟。这些结果表明，如何在本地化的偶极取向和氢键之间的微妙的平衡支配多肽在尿素水溶液中的溶剂化。我们的工作建立了一个结构-性质的关系，突出了微观偶极-偶极取向/相互作用的重要性，宏观蛋白质溶剂化的操作理解。
2022-12-01 cond-mat.soft
Solvation Effects and Driving Forces for Protein Thermodynamic And Kinetic Cooperativity: How Adequate Is Native-Centric Topological Modeling?
什么样的能量和溶剂化效应的基础显着的两个国家的热力学和折叠/展开动力学的小单域蛋白质？为了解决这个问题，我们调查的折叠和展开的层次结构的连续Langevin动力学模型糜蛋白酶抑制剂2。我们发现，基于残基的添加剂戈恩一样的接触能，虽然本机为中心的，本身是不够的蛋白质类量热的两态协同。进一步的本地构象偏好的天然偏见是必要的蛋白质类热力学。然而，从动力学上讲，即使是同时具有接触和本地本机中心能量的模型也不会产生简单的两态人字形图。因此，模型蛋白质的热力学协同性对于简单的两态动力学是不够的。测试的模型似乎有增加的内部摩擦，增加本地的稳定性，导致人字形翻车，代表动力学，通常被称为非两个国家。这些模型的自由能分布被发现是敏感的选择原生接触和假定的接触相互作用的空间范围。出于明确的水的考虑，我们探讨了最近的治疗溶剂粒度，将去溶剂化自由能障碍到有效的隐式溶剂蛋白质内的相互作用。这一额外的特征相对于没有去溶剂化障碍的相应模型降低了折叠和解折叠速率，但动力学保持非双态。总之，我们的观察表明，
2002-12-12 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio
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
Conservation of statistical results under the reduction of pair-contact interactions to solvation interactions
我们发现，序列的疏水性是宫泽-杰尼根相互作用的主导术语。作为对接触相互作用中的添加剂（溶剂化）项的来源，它们被用来减少能量参数，同时导致能量的明确矢量操纵。约化（加性）势在预测任意结构的统计性质方面表现得相当成功。两种模型对结构可设计性的评价结果高度相关。可加性模型将几何非简并的载体（结构）视为蛋白质类结构，是蛋白质设计的有力工具。此外，交叉点的对数线性图的可设计性排名表明，约1/e的结构具有高于平均水平的可设计性，独立于所使用的模型。
2005-11-14 cond-mat.soft q-bio.BM
Electrostatic solvation free energies of charged hard spheres using molecular dynamics with density functional theory interactions
确定水溶液中单离子的溶剂化自由能是物理化学中最基本的问题之一，但仍有许多未解决的问题。特别是，分解成简单和直观的贡献的溶剂化自由能的能力将有重要的影响模型的电解质溶液。在这里，我们提供的各种类型的单离子溶剂化自由能的定义基于不同的模拟协议。采用密度泛函理论相互作用势结合分子动力学模拟（DFT-MD）计算了带电硬球的溶剂化自由能，并与Born（线性响应）模型进行了比较，分离了电荷和空穴的影响.我们表明，使用未校正的埃瓦尔德求和导致非物理值的单离子溶剂化自由能和充电的阳离子的自由能是近似线性的函数的电荷，但有一个小的非线性小阴离子。用量子力学确定的硬球的电荷水合不对称性（CHA）比类似的真实离子大得多。这表明，真正的离子，特别是阴离子，是显着更复杂的比简单的带电硬球，一个常用的表示。
2017-07-18 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Temperature Dependence of the Hydrophobic Hydration and Interaction of Simple Solutes: An Examination of Five Popular Water Models
我们研究了五种不同的流行的刚性水模型（SPC，SPCE，TIP 3 P，TIP 4P和TIP 5 P），使用MD模拟，以研究非极性Lennard-Jones溶质的疏水水合和相互作用作为温度的函数之间的范围在$275 {K}$和$375 {K}$。对于所有研究的模型和状态点，我们计算了惰性气体和甲烷的过剩化学势。所有水模型都表现出太小的水合熵，但表现出明显的层次结构。TIP 3 P显示最差的协议与实验，而TIP 5 P是最接近的实验数据在较低的温度和SPCE是最接近的在较高的温度。受Hummer等人（{ \em Chem.Phys.} 258，349-370（2000））表明，不同模型和真实水之间的差异可以基于恒定压力下的密度曲线来解释。此外，在环境条件下（TIP 5 P，SPCE和TIP 4P）的水结构的模型，给出了一个很好的代表性与实验数据比SPC和TIP 3 P显示出相当好的协议。通过一系列60 ns的模拟，我们直接计算了氙粒子间的疏水相互作用，发现缔合作用的温度依赖性与溶剂化熵的强度有关。尽管如此，模型之间的差异似乎需要一个更详细的分子图像。TIP 5 P模型显示了迄今为止最强的温度依赖性。建议的密度重新缩放也适用于氙-氙接触对配置，表明存在一个温度，疏水相互作用变成纯粹的排斥。预测的氙在真实水中的关联表明存在一个强烈的变化与温度。
2004-01-09 cond-mat.soft
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
Crossovers in supercooled solvation water: Effects of hydrophilic & hydrophobic interactions
我们使用系统的8 ns从头计算分子动力学（AIMD）研究水的结构和动力学的散装，并接近两个疏水和亲水（羰基）基团的四甲基脲（TMU）。我们观察到交叉的动力学行为周围的疏水基团在$T_X = 256 \pm 4$ K和另一个在$265 \pm 5$ K相关的水-水和水-羰基氢键（HBs）的相对强度。对于体相水，弛豫时间表观发散的温度位于$T_c = 210 \pm 10$ K。为了更好地确定亲水羰基所产生的影响，将水与甲烷分子的系统用作参考。这些发现与蛋白质在溶液中的结构和热力学转变有关，也可能在蛋白质的冷变性机制中发挥作用。
2015-05-07 cond-mat.soft physics.chem-ph
Bridge functional for the molecular density functional theory with consistent pressure and surface tension and its importance for solvation in water
我们从分子密度泛函理论出发，在通常的超网链近似下，在几分钟内预测溶剂化自由能和平衡溶剂密度分布。我们引入了一个桥功能的粗粒度，加权溶剂密度。最多在几分钟内，对于大小从小化合物到大蛋白质的溶质，我们产生（i）在1千卡/摩尔的实验数据的疏水性溶质的溶剂化自由能的估计，以及（ii）溶质周围的溶剂分布。与以前的命题相反，这个桥泛函是热力学一致的，因为它产生正确的液体-蒸汽共存和实验表面张力。我们表明，这种一致性是至关重要的水在室温和压力。此桥功能的设计是简单的，本地的，因此数值效率。最后，我们说明了这一新的水平的分子理论的解决方案与研究的水化壳的蛋白质。
2017-09-28 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Anomalous Power Law Decay in Solvation Dynamics of DNA: A Mode Coupling Theory Analysis of Ion Contribution
几个时域荧光斯托克斯位移（TDFSS）实验已经报道了一个缓慢的幂律衰减的DNA分子的水合动力学。这样的幂律既没有在计算机模拟中观察到，也没有在其他一些TDFS实验。在这里，我们观察到，一个缓慢的衰减可能源于集体离子的贡献，因为在实验中DNA是浸泡在缓冲溶液中，也从沟束缚水，最后从DNA动力学本身。在这项工作中，我们首先表示的溶剂化时间关联函数的动态结构因素的解决方案。我们用模式耦合理论解析地计算了集体离子贡献的时间依赖性。幂律衰减是由长程探针-离子直接关联函数和离子-离子动力学结构因子的相互作用引起的。虽然幂律衰减让人想起Debye-Falkenhagen效应，但溶剂化动力学主要由离子大气弛豫时间在较长的长度尺度（小波数）比电解质摩擦。我们进一步讨论了为什么这个幂律可能不是源于水的运动已计算的分子动力学模拟。最后，我们提出了几个实验来检查目前的理论工作的预测。
2014-04-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech 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
Quantum dynamics of electronic excitations in biomolecular chromophores: role of the protein environment and solvent
我们考虑连续介质模型作为极小模型来理解周围的球状蛋白质和溶剂对生物生色团中电子激发的量子动力学的影响。我们推导出频率依赖的光谱密度的表达式，它描述了在生色团的电子能级耦合到它的环境。谱密度的大小和频率依赖性决定了量子动力学是相干的还是非相干的，从而决定了人们是否可以观察到量子干涉效应，如拉比振荡。我们发现的贡献的光谱密度的发色团环境的每个组件：散装溶剂，蛋白质和水结合到蛋白质。每个组分对生色团量子动力学的相对重要性由动力学的时间尺度决定。我们的研究结果提供了一个自然的解释和模型中观察到的不同的时间尺度的光谱密度提取的溶剂化动力学探测超快激光光谱技术，如动态斯托克斯位移和三脉冲光子回波光谱。我们的结果用于定义在什么条件下激发发色团的动力学由周围蛋白质主导以及何时由溶剂中的介电波动主导。我们表明，即使当发色团被屏蔽从溶剂中的蛋白质超快溶剂化可以占主导地位的溶剂。我们认为，最近看到的超快溶剂化在一些生物生色团不一定要分配到超快蛋白质动力学。从我们的连续模型和实验中提取的光谱密度估计表明，大多数电子激发的量子动力学是不相干的。
2007-06-25 cond-mat.soft quant-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
Role of solvation in pressure-induced helix stabilization
与众所周知的高压使球状蛋白质不稳定相反，最近的工作表明，压力使孤立的α-螺旋的形成稳定。然而，迄今为止的所有模拟都在实验压力范围内获得了定性相反的结果。我们表明，使用蛋白质力场（Amber 03 w）参数化结合一个准确的水模型（TIP 4P/2005）恢复正确的压力依赖性和螺旋形成的整体稳定性图类似的实验，另一方面，我们证实，使用TIP 3 P水的结果在一个非常弱的压力不稳定的螺旋。通过仔细分析的影响因素，我们表明，这不仅仅是一个后果，不同的肽构象采样使用TIP 3 P。相反，溶剂本身在确定总系统体积（肽和溶剂）对螺旋含量的依赖性方面具有关键作用。相对于具有两种水模型的非螺旋结构，螺旋肽结构排除了较小的水体积，但是螺旋构象的总系统体积高于具有TIP 3 P水的非螺旋构象，在低至中压下，与TIP 4P/2005水相反。我们的研究结果进一步强调了使用精确的水模型研究远离标准温度和压力条件下的蛋白质折叠的重要性。
2015-03-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Effective dielectric constant of water at the interface with charged C$_{60}$ fullerenes
采用分子动力学数值模拟方法，对巴克敏斯特富勒烯C $_{60}$的中性态和带电态进行了模拟，计算了界面水的偶极极化率和相应的界面介电常数.介电常数在10- 22之间，随温度和溶质电荷的变化而变化，水化水发生结构交叉。其主要签名包括指向溶质的悬挂O-H键的释放和水合水的优先取向的变化，从那些特征疏水带电基板。界面介电常数标志着具有尖峰的结构转变。这里采用的计算形式主义提供了直接访问界面磁化率从计算机模拟产生的配置。所需的属性是溶剂化壳的偶极矩的径向投影和溶质内部溶剂的静电势之间的互相关。
2019-01-02 cond-mat.soft physics.chem-ph
Hydration free energies of polypeptides from popular implicit solvent models versus all-atom simulation results based on molecular quasichemical theory
大分子的水化自由能是理解其构象分布和聚集状态的中心性质。在全原子模拟中计算大分子的水合自由能长期以来一直是一个挑战，需要使用模型，其中溶剂的影响被捕获，而没有明确的溶剂自由度。这种情况已经改变了分子准化学理论（QCT）的发展，一种方法，使计算的水合自由能的大分子内的所有原子模拟在相同的分辨率是可能的小分子溶质。该理论还提供了一个严格的和物理上透明的框架来概念化和模型化分子溶液中的相互作用，从而提供了一个方便的框架来研究隐式溶剂模型中的假设。在这项研究中，我们比较了使用分子QCT与预测EEF 1，ABSINTH，和GB/SA隐式溶剂模型的聚甘氨酸和聚丙氨酸溶质涵盖了一系列的链长和构象的结果。在这三个模型中，GB/SA在捕捉水化自由能的广泛趋势方面做得最好。我们跟踪组添加剂EEF 1和ABSINTH模型的不足之处，他们低估了溶质基团之间的水合作用的协同性;从这个角度来看，GB/SA的更好的性能可以归因于其治疗的集体性质的水合作用，虽然在连续介质的框架。我们强调的重要性，验证个人的物理成分，进入隐式溶剂模型的蛋白质溶液热力学。
2022-06-18 cond-mat.soft 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
Thermodynamic effects of solid electrolyte interphase formation from solvation and ionic association in water-in-salt electrolytes
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；University of Oxford（牛津大学）；University of Illinois Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）
研究水-盐电解质中固态电解质界面形成对电化学稳定窗口的热力学影响，通过热力学理论分析溶剂化和离子结合对电极-电解质界面反应的影响。
2026-04-10 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
