We present a joint experimental and computational study of the dynamic interactions of dialanine (Ala–Ala) with water, comparing the results of ultrafast 2D IR and infrared transient absorption spectroscopy of its amide I vibration with spectra modeled from molecular dynamics (MD) simulations. The experimental data are analyzed to describe vibrational frequency fluctuations, vibrational energy relaxation, and chemical exchange processes. The origin of these processes in the same underlying fluctuating forces allows a common description in terms of the fluctuations and conformational dynamics of the peptide and associated solvent. By comparing computational spectroscopy from MD simulations with multiple force fields and water models, we describe how the dynamics of water hydrogen bond fluctuations and switching processes act as a source of friction that governs the dephasing and vibrational relaxation, and provide a description of coupled water and peptide motions that give rise to spectroscopic exchange processes.

1.
M. S.
Cheung
,
A. E.
Garcia
, and
J. N.
Onuchic
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
99
,
685
(
2002
).
2.
T.
Head-Gordon
and
S.
Brown
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
13
,
160
(
2003
).
3.
G. A.
Papoian
,
J.
Ulander
,
M. P.
Eastwood
,
Z.
Luthey-Schulten
, and
P. G.
Wolynes
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
101
,
3352
(
2004
).
4.
B.
Bagchi
,
Water in Biological and Chemical Processes
(
Cambridge University Press
,
Cambridge
,
2013
).
5.
G. A.
Papoian
,
J.
Ulander
, and
P. G.
Wolynes
,
J. Am. Chem. Soc.
125
,
9170
(
2003
).
6.
Y.
Levy
and
J. N.
Onuchic
,
Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct.
35
,
389
(
2006
).
7.
V. I.
Lim
,
J. F.
Curran
, and
M. B.
Garber
,
J. Theor. Biol.
301
,
42
(
2012
).
8.
N. M.
Levinson
and
S. G.
Boxer
,
Nat. Chem. Biol.
10
,
127
(
2013
).
9.
C. S.
Poornima
and
P. M.
Dean
,
J. Comput.-Aided Mol. Des.
9
,
521
(
1995
).
10.
Y.
Pocker
,
Cell. Mol. Life Sci.
57
,
1008
(
2000
).
11.
M.
Garcia-Viloca
,
Science
303
,
186
(
2004
).
12.
B. V.
Adkar
,
B.
Jana
, and
B.
Bagchi
,
J. Phys. Chem. A
115
,
3691
(
2011
).
13.
P. G.
Bolhuis
,
C.
Dellago
, and
D.
Chandler
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
97
,
5877
(
2000
).
14.
A.
Ma
and
A. R.
Dinner
,
J. Phys. Chem. B
109
,
6769
(
2005
).
15.
A. C.
Fogarty
and
D.
Laage
,
J. Phys. Chem. B
118
,
7715
(
2014
).
16.
F.
Sterpone
,
G.
Stirnemann
, and
D.
Laage
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
4116
(
2012
).
17.
D.
Nerukh
and
S.
Karabasov
,
J. Phys. Chem. Lett.
4
,
815
(
2013
).
18.
A.
Oleinikova
,
P.
Sasisanker
, and
H.
Weingärtner
,
J. Phys. Chem. B
108
,
8467
(
2004
).
19.
J.
Yang
,
Y.
Wang
,
L.
Wang
, and
D.
Zhong
,
J. Am. Chem. Soc.
139
,
4399
(
2017
).
20.
B.
Born
,
S. J.
Kim
,
S.
Ebbinghaus
,
M.
Gruebele
, and
M.
Havenith
,
Faraday Discuss.
141
,
161
(
2009
).
21.
B.
Born
,
H.
Weingärtner
,
E.
Bründermann
, and
M.
Havenith
,
J. Am. Chem. Soc.
131
,
3752
(
2009
).
22.
B. D.
Armstrong
,
J.
Choi
,
C.
López
,
D. A.
Wesener
,
W.
Hubbell
,
S.
Cavagnero
, and
S.
Han
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
5987
(
2011
).
23.
N. V.
Nucci
,
M. S.
Pometun
, and
A. J.
Wand
,
Nat. Struct. Mol. Biol.
18
,
245
(
2011
).
24.
J. R.
Lewandowski
,
M. E.
Halse
,
M.
Blackledge
, and
L.
Emsley
,
Science
348
,
578
(
2015
).
25.
C. J.
Fecko
,
J. D.
Eaves
,
J. J.
Loparo
,
A.
Tokmakoff
, and
P. L.
Geissler
,
Science
301
,
1698
(
2003
).
26.
P.
Hamm
,
M.
Lim
, and
R. M.
Hochstrasser
,
J. Phys. Chem. B
102
,
6123
(
1998
).
27.
M.
Reppert
and
A.
Tokmakoff
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
67
,
359
(
2016
).
28.
P.
Bouř
and
T. A.
Keiderling
,
J. Chem. Phys.
119
,
11253
(
2003
).
29.
S.
Ham
,
J.-H.
Kim
,
H.
Lee
, and
M.
Cho
,
J. Chem. Phys.
118
,
3491
(
2003
).
30.
T.
Hayashi
,
W.
Zhuang
, and
S.
Mukamel
,
J. Phys. Chem. A
109
,
9747
(
2005
).
31.
T.
la Cour Jansen
and
J.
Knoester
,
J. Chem. Phys.
124
,
044502
(
2006
).
32.
L.
Wang
,
C. T.
Middleton
,
M. T.
Zanni
, and
J. L.
Skinner
,
J. Phys. Chem. B
115
,
3713
(
2011
).
33.
M.
Reppert
and
A.
Tokmakoff
,
J. Chem. Phys.
138
,
134116
(
2013
).
34.
M.
Reppert
and
A.
Tokmakoff
,
J. Chem. Phys.
143
,
061102
(
2015
).
35.
H.
Torii
and
M.
Tasumi
,
J. Raman Spectrosc.
29
,
81
(
1998
).
36.
S.
Ham
,
S.
Cha
,
J.-H.
Choi
, and
M.
Cho
,
J. Chem. Phys.
119
,
1451
(
2003
).
37.
T.
la Cour Jansen
,
A. G.
Dijkstra
,
T. M.
Watson
,
J. D.
Hirst
, and
J.
Knoester
,
J. Chem. Phys.
125
,
044312
(
2006
).
38.
T.
Hayashi
and
S.
Mukamel
,
J. Phys. Chem. B
111
,
11032
(
2007
).
39.
H.
Maekawa
,
M.
De Poli
,
A.
Moretto
,
C.
Toniolo
, and
N.-H.
Ge
,
J. Phys. Chem. B
113
,
11775
(
2009
).
40.
S.
Woutersen
,
Y.
Mu
,
G.
Stock
, and
P.
Hamm
,
Chem. Phys.
266
,
137
(
2001
).
41.
M. T.
Zanni
,
M. C.
Asplund
, and
R. M.
Hochstrasser
,
J. Chem. Phys.
114
,
4579
(
2001
).
42.
M. F.
DeCamp
,
L.
DeFlores
,
J. M.
McCracken
,
A.
Tokmakoff
,
K.
Kwac
, and
M.
Cho
,
J. Phys. Chem. B
109
,
11016
(
2005
).
43.
M.
Cho
,
J. Chem. Phys.
118
,
3480
(
2003
).
44.
P.-A.
Cazade
,
T.
Bereau
, and
M.
Meuwly
,
J. Phys. Chem. B
118
,
8135
(
2014
).
45.
V. K.
Yadav
and
A.
Chandra
,
J. Phys. Chem. B
119
,
9858
(
2015
).
46.
S.
Woutersen
,
R.
Pfister
,
P.
Hamm
,
Y.
Mu
,
D. S.
Kosov
, and
G.
Stock
,
J. Chem. Phys.
117
,
6833
(
2002
).
47.
K.
Kwac
and
M.
Cho
,
J. Chem. Phys.
119
,
2247
(
2003
).
48.
K.
Kwac
and
M.
Cho
,
J. Chem. Phys.
119
,
2256
(
2003
).
49.
L. P.
DeFlores
,
Z.
Ganim
,
S. F.
Ackley
,
H. S.
Chung
, and
A.
Tokmakoff
,
J. Phys. Chem. B
110
,
18973
(
2006
).
50.
A.
Bastida
,
M. A.
Soler
,
J.
Zúñiga
,
A.
Requena
,
A.
Kalstein
, and
S.
Fernández-Alberti
,
J. Chem. Phys.
132
,
224501
(
2010
).
51.
J.
Jeon
,
M.
Cho
,
J.
Jeon
, and
M.
Cho
,
J. Chem. Phys.
135
,
214504
(
2011
).
52.
M. H.
Farag
,
A.
Bastida
,
M. F.
Ruiz-López
,
G.
Monard
, and
F.
Ingrosso
,
J. Phys. Chem. B
118
,
6186
(
2014
).
53.
Y. S.
Kim
and
R. M.
Hochstrasser
,
J. Phys. Chem. B
109
,
6884
(
2005
).
54.
Y. S.
Kim
,
J.
Wang
, and
R. M.
Hochstrasser
,
J. Phys. Chem. B
109
,
7511
(
2005
).
55.
T. L. C.
Jansen
and
J.
Knoester
,
J. Phys. Chem. B
110
,
22910
(
2006
).
56.
L. P.
DeFlores
,
R. A.
Nicodemus
, and
A.
Tokmakoff
,
Opt. Lett.
32
,
2966
(
2007
).
57.
S.
Pronk
,
S.
Páll
,
R.
Schulz
,
P.
Larsson
,
P.
Bjelkmar
,
R.
Apostolov
,
M. R.
Shirts
,
J. C.
Smith
,
P. M.
Kasson
,
D.
van der Spoel
,
B.
Hess
, and
E.
Lindahl
,
Bioinformatics
29
,
845
(
2013
).
58.
A. D.
Mackerell
,
M.
Feig
, and
C. L.
Brooks
,
J. Comput. Chem.
25
,
1400
(
2004
).
59.
P. P.
Bjelkmar
,
P.
Larsson
,
M. A.
Cuendet
,
B.
Hess
,
E.
Lindahl
,
P. P.
Bjelkmar
,
P.
Larsson
,
M. A.
Cuendet
, and
B.
Hess
,
J. Chem. Theory Comput.
6
,
459
(
2010
).
60.
J.
Huang
and
A. D.
Mackerell
,
J. Comput. Chem.
34
,
2135
(
2013
).
61.
J.
Huang
,
S.
Rauscher
,
G.
Nawrocki
,
T.
Ran
,
M.
Feig
,
B. L.
de Groot
,
H.
Grubmüller
, and
A. D.
MacKerell
,
Nat. Methods
14
,
71
(
2016
).
62.
H. J. C.
Berendsen
,
J. P. M.
Postma
,
W. F.
van Gunsteren
,
A.
DiNola
, and
J. R.
Haak
,
J. Chem. Phys.
81
,
3684
(
1984
).
63.
S.
Nosé
,
J. Chem. Phys.
81
,
511
(
1984
).
64.
W. G.
Hoover
,
Phys. Rev. A
31
,
1695
(
1985
).
65.
G. A.
Tribello
,
M.
Bonomi
,
D.
Branduardi
,
C.
Camilloni
, and
G.
Bussi
,
Comput. Phys. Commun.
185
,
604
(
2014
).
67.
H.
Torii
,
J. Phys. Chem. A
110
,
4822
(
2006
).
68.
M.
Reppert
and
C.-J.
Feng
, g_spec, https://github.com/mreppert/g_spec/tree/v1.0.0.
69.
P.
Hamm
,
M.
Lim
,
W. F.
DeGrado
, and
R. M.
Hochstrasser
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
96
,
2036
(
1999
).
70.
A. S.
Bondarenko
and
T. L. C.
Jansen
,
J. Chem. Phys.
142
,
212437
(
2015
).
71.
K.
Kwak
,
S.
Park
,
I. J.
Finkelstein
, and
M. D.
Fayer
,
J. Chem. Phys.
127
,
124503
(
2007
).
72.
E. E.
Fenn
and
M. D.
Fayer
,
J. Chem. Phys.
135
,
074502
(
2011
).
73.
Y. S.
Kim
and
R. M.
Hochstrasser
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
102
,
11185
(
2005
).
74.
K.
Kwak
,
J.
Zheng
,
H.
Cang
, and
M. D.
Fayer
,
J. Phys. Chem. B
110
,
19998
(
2006
).
75.
E.
Harder
,
J. D.
Eaves
,
A.
Tokmakoff
, and
B. J.
Berne
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
102
,
11611
(
2005
).
76.
J. R.
Schmidt
,
S. T.
Roberts
,
J. J.
Loparo
,
A.
Tokmakoff
,
M. D.
Fayer
, and
J. L.
Skinner
,
Chem. Phys.
341
,
143
(
2007
).
77.
M. W.
Mahoney
and
W. L.
Jorgensen
,
J. Chem. Phys.
114
,
363
(
2001
).
78.
W.
Drost-Hansen
,
Science
166
,
861
(
1969
).
79.
D. W.
Oxtoby
,
Advances in Chemical Physics
(
John Wiley & Sons, Inc.
,
1981
), pp.
487
519
.
80.
S. A.
Egorov
and
J. L.
Skinner
,
J. Chem. Phys.
105
,
7047
(
1996
).
81.
R.
Bloem
,
A. G.
Dijkstra
,
T. L. C.
Jansen
, and
J.
Knoester
,
J. Chem. Phys.
129
,
055101
(
2008
).
82.
T.
Hajari
and
S.
Bandyopadhyay
,
J. Chem. Phys.
146
,
225104
(
2017
).
83.
P.
Florová
,
P.
Sklenovský
,
P.
Banáš
, and
M.
Otyepka
,
J. Chem. Theory Comput.
6
,
3569
(
2010
).
84.
M. P.
Gaigeot
,
R.
Vuilleumier
,
M.
Sprik
, and
D.
Borgis
,
J. Chem. Theory Comput.
1
,
772
(
2005
).
85.
V.
Babin
,
C.
Leforestier
, and
F.
Paesani
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
5395
(
2013
).
86.
V.
Babin
,
G. R.
Medders
, and
F.
Paesani
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
1599
(
2014
).
87.
G. R.
Medders
,
V.
Babin
, and
F.
Paesani
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
2906
(
2014
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.