We present a combination of force field and ab initio molecular dynamics simulations together with neutron scattering experiments with isotopic substitution that aim at characterizing ion hydration and pairing in aqueous calcium chloride and formate/acetate solutions. Benchmarking against neutron scattering data on concentrated solutions together with ion pairing free energy profiles from ab initio molecular dynamics allows us to develop an accurate calcium force field which accounts in a mean-field way for electronic polarization effects via charge rescaling. This refined calcium parameterization is directly usable for standard molecular dynamics simulations of processes involving this key biological signaling ion.

1.
A. G.
Szent-Györgyi
,
Biophys. J.
15
,
707
(
1975
).
2.
T. M.
Perney
,
L. D.
Hirning
,
S. E.
Leeman
, and
R. J.
Miller
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
83
,
6656
(
1986
).
3.
4.
H.
Tidow
and
P.
Nissen
,
FEBS J.
280
,
5384
(
2013
).
5.
P. M.
Kekenes-Huskey
,
V. T.
Metzger
,
B. J.
Grant
, and
J.
Andrew McCammon
,
Protein Sci.
21
,
1429
(
2012
).
6.
A. O.
Aykut
,
A. R.
Atilgan
,
C.
Atilgan
,
M.
Ikura
, and
J.
Maune
,
PLoS Comput. Biol.
9
,
e1003366
(
2013
).
7.
A.
Amcheslavsky
,
M. L.
Wood
,
A. V.
Yeromin
,
I.
Parker
,
J. A.
Freites
,
D. J.
Tobias
, and
M. D.
Cahalan
,
Biophys. J.
108
,
237
(
2015
).
8.
I.
Frischauf
,
V.
Zayats
,
M.
Deix
,
A.
Hochreiter
,
I. J.
Polo
,
M.
Muik
,
B.
Lackner
,
B.
Svobodová
,
T.
Pammer
,
M.
Litviňuková
,
A. A.
Sridhar
,
I.
Derler
,
I.
Bogeski
,
C.
Romanin
,
R. H.
Ettrich
, and
R.
Schindl
,
Sci. Signaling
8
,
ra131
(
2015
).
9.
Y. I.
Neela
,
A. S.
Mahadevi
, and
G. N.
Sastry
,
J. Phys. Chem. B
114
,
17162
(
2010
).
10.
J.
Adiban
,
Y.
Jamali
, and
H.
Rafii-Tabar
,
Mol. BioSyst.
13
,
208
(
2017
).
11.
M.
Kohagen
,
P. E.
Mason
, and
P.
Jungwirth
,
J. Phys. Chem. B
118
,
7902
(
2014
).
12.
S.
Mamatkulov
,
M.
Fyta
, and
R. R.
Netz
,
J. Chem. Phys.
138
,
24505
(
2013
).
13.
M.
Kohagen
,
M.
Lepšík
, and
P.
Jungwirth
,
J. Phys. Chem. Lett.
5
,
3964
(
2014
).
14.
A.
Melcrová
,
S.
Pokorna
,
S.
Pullanchery
,
M.
Kohagen
,
P.
Jurkiewicz
,
M.
Hof
,
P.
Jungwirth
,
P. S.
Cremer
, and
L.
Cwiklik
,
Sci. Rep.
6
,
38035
(
2016
).
15.
A.
Magarkar
,
P.
Jurkiewicz
,
C.
Allolio
,
M.
Hof
, and
P.
Jungwirth
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
,
518
(
2017
).
16.
J.
Kahlen
,
L.
Salimi
,
M.
Sulpizi
,
C.
Peter
, and
D.
Donadio
,
J. Phys. Chem. B
118
,
3960
(
2014
).
17.
I.
Leontyev
and
A.
Stuchebrukhov
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
13
,
2613
(
2011
).
18.
I. V.
Leontyev
and
A. A.
Stuchebrukhov
,
J. Chem. Theory Comput.
6
,
1498
(
2010
).
19.
I. V.
Leontyev
and
A. A.
Stuchebrukhov
,
J. Chem. Theory Comput.
8
,
3207
(
2012
).
20.
Y. S.
Badyal
,
A. C.
Barnes
,
G. J.
Cuello
, and
J. M.
Simonson
,
J. Phys. Chem. A
108
,
11819
(
2004
).
21.
E.
Pluhařová
,
O.
Marsalek
,
B.
Schmidt
, and
P.
Jungwirth
,
J. Phys. Chem. Lett.
4
,
4177
(
2013
).
22.
H. E.
Fischer
,
G. J.
Cuello
,
P.
Palleau
,
D.
Feltin
,
A. C.
Barnes
,
Y. S.
Badyal
, and
J. M.
Simonson
,
Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process.
74
,
s160
(
2002
).
23.
P.
Mason
,
C.
Dempsey
,
H. E.
Fischer
,
J.
Hladilkova
,
P.
Jungwirth
, and
S.
Timr
, “
Towards a fuller understanding of salt-bridges in proteins
,”
Institut Laue-Langevin (ILL)
Report No. 8-03-807 (
2014
).
24.
A. C.
Barnes
,
S. B.
Lague
,
P. S.
Salmon
, and
H. E.
Fischer
,
J. Phys.: Condens. Matter
9
,
6159
(
1997
).
25.
G. W.
Neilson
,
P. E.
Mason
,
S.
Ramos
, and
D.
Sullivan
,
Philos. Trans. R. Soc., A
359
,
1575
(
2001
).
26.
B.
Hess
,
C.
Kutzner
,
D.
Van Der Spoel
, and
E.
Lindahl
,
J. Chem. Theory Comput.
4
,
435
(
2008
).
27.
G.
Bussi
,
D.
Donadio
, and
M.
Parrinello
,
J. Chem. Phys.
126
,
14101
(
2007
).
28.
H. J. C.
Berendsen
,
J. R.
Grigera
, and
T. P.
Straatsma
,
J. Phys. Chem.
91
,
6269
(
1987
).
29.
S.
Miyamoto
and
P. A.
Kollman
,
J. Comput. Chem.
13
,
952
(
1992
).
30.
U.
Essmann
,
L.
Perera
,
M. L.
Berkowitz
,
T.
Darden
,
H.
Lee
, and
L. G.
Pedersen
,
J. Chem. Phys.
103
,
8577
(
1995
).
31.
L. X.
Dang
and
D. E.
Smith
,
J. Chem. Phys.
102
,
3483
(
1995
).
32.
C.
Oostenbrink
,
A.
Villa
,
A. E.
Mark
, and
W. F.
Van Gunsteren
,
J. Comput. Chem.
25
,
1656
(
2004
).
33.
E.
Pluhařová
,
H. E.
Fischer
,
P. E.
Mason
, and
P.
Jungwirth
,
Mol. Phys.
112
,
1230
(
2014
).
34.
J.
Wang
,
P.
Cieplak
, and
P. A.
Kollman
,
J. Comput. Chem.
21
,
1049
(
2000
).
35.
M. J.
Frisch
,
G. W.
Trucks
,
H. B.
Schlegel
,
G. E.
Scuseria
,
M. A.
Robb
,
J. R.
Cheeseman
,
G.
Scalmani
,
V.
Barone
,
G. A.
Petersson
,
H.
Nakatsuji
,
M. C. X.
Li
,
A.
Marenich
,
J.
Bloino
,
B. G.
Janesko
,
R.
Gomperts
,
B.
Mennucci
,
H. P.
Hratchian
,
J. V.
Ortiz
,
A. F.
Izmaylov
,
J. L.
Sonnenberg
,
D.
Williams-Young
,
F.
Ding
,
F.
Lipparini
,
F.
Egidi
,
J.
Goings
,
B.
Peng
,
A.
Petrone
,
T.
Henderson
,
D.
Ranasinghe
,
V. G.
Zakrzewski
,
J.
Gao
,
N.
Rega
,
G.
Zheng
,
W.
Liang
,
M.
Hada
,
M.
Ehara
,
K.
Toyota
,
R.
Fukuda
,
J.
Hasegawa
,
M.
Ishida
,
T.
Nakajima
,
Y.
Honda
,
O.
Kitao
,
H.
Nakai
,
T.
Vreven
,
K.
Throssell
,
J. J. A.
Montgomery
,
J. E.
Peralta
,
F.
Ogliaro
,
M.
Bearpark
,
J. J.
Heyd
,
E.
Brothers
,
K. N.
Kudin
,
V. N.
Staroverov
,
T.
Keith
,
R.
Kobayashi
,
J.
Normand
,
K.
Raghavachari
,
A.
Rendell
,
J. C.
Burant
,
S. S.
Iyengar
,
J.
Tomasi
,
M.
Cossi
,
J. M.
Millam
,
M.
Klene
,
C.
Adamo
,
R.
Cammi
,
J. W.
Ochterski
,
R. L.
Martin
,
K.
Morokuma
,
O.
Farkas
,
J. B.
Foresman
, and
D. J.
Fox
, gaussian 09,
Gaussian, Inc.
,
Wallingford CT
,
2009
.
36.
G. A.
Petersson
and
M. A.
Al-Laham
,
J. Chem. Phys.
94
,
6081
(
1991
).
37.
J.
VandeVondele
,
M.
Krack
,
F.
Mohamed
,
M.
Parrinello
,
T.
Chassaing
, and
J.
Hutter
,
Comput. Phys. Commun.
167
,
103
(
2005
).
38.
J.
VandeVondele
and
J.
Hutter
,
J. Chem. Phys.
127
,
114105
(
2007
).
39.
C.
Lee
,
W.
Yang
, and
R. G.
Parr
,
Phys. Rev. B
37
,
785
(
1988
).
40.
A. D.
Becke
,
Phys. Rev. A
38
,
3098
(
1988
).
41.
S.
Grimme
,
J.
Antony
,
S.
Ehrlich
, and
H.
Krieg
,
J. Chem. Phys.
132
,
154104
(
2010
).
42.
S.
Goedecker
,
M.
Teter
, and
J.
Hutter
,
Phys. Rev. B
54
,
1703
(
1996
).
43.
M.
Galib
,
T. T.
Duignan
,
Y.
Misteli
,
M. D.
Baer
,
G. K.
Schenter
,
J.
Hutter
, and
C. J.
Mundy
,
J. Chem. Phys.
146
,
244501
(
2017
).
44.
J.
Timko
,
D.
Bucher
, and
S.
Kuyucak
,
J. Chem. Phys.
132
,
114510
(
2010
).
45.
J.
Timko
,
A.
De Castro
, and
S.
Kuyucak
,
J. Chem. Phys.
134
,
204510
(
2011
).
46.
M. D.
Baer
and
C. J.
Mundy
,
J. Phys. Chem. B
120
,
1885
(
2016
).
47.
S.
Kumar
,
J. M.
Rosenberg
,
D.
Bouzida
,
R. H.
Swendsen
, and
P. A.
Kollman
,
J. Comput. Chem.
13
,
1011
(
1992
).
48.
J.
Schmidt
,
J.
VandeVondele
,
I.-F.
William Kuo
,
D.
Sebastiani
,
J. I.
Siepmann
,
J.
Hutter
, and
C. J.
Mundy
,
J. Phys. Chem. B
113
,
11959
(
2009
).
49.
E.
Pluhařová
,
M. D.
Baer
,
C. J.
Mundy
,
B.
Schmidt
, and
P.
Jungwirth
,
J. Phys. Chem. Lett.
5
,
2235
(
2014
).
50.
G.
Placzek
,
Phys. Rev.
86
,
377
(
1952
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.