In this work, we deliver a proof of concept for a fast method that introduces pH effects into classical coarse-grained (CG) molecular dynamics simulations. Our approach is based upon the latest version of the popular Martini CG model to which explicit proton mimicking particles are added. We verify our approach against experimental data involving several different molecules and different environmental conditions. In particular, we compute titration curves, pH dependent free energies of transfer, and lipid bilayer membrane affinities as a function of pH. Using oleic acid as an example compound, we further illustrate that our method can be used to study passive translocation in lipid bilayers via protonation. Finally, our model reproduces qualitatively the expansion of the macromolecule dendrimer poly(propylene imine) as well as the associated pKa shift of its different generations. This example demonstrates that our model is able to pick up collective interactions between titratable sites in large molecules comprising many titratable functional groups.
REFERENCES
1.
S. J.
Marrink
, H. J.
Risselada
, S.
Yefimov
, D. P.
Tieleman
, and A. H.
De Vries
, J. Phys. Chem. B
111
, 7812
(2007
).2.
H. I.
Ingólfsson
, M. N.
Melo
, F. J.
Van Eerden
, C.
Arnarez
, C. A.
Lopez
, T. A.
Wassenaar
, X.
Periole
, A. H.
De Vries
, D. P.
Tieleman
, and S. J.
Marrink
, J. Am. Chem. Soc.
136
, 14554
(2014
).3.
F. J.
Van Eerden
, M. N.
Melo
, P. W. J. M.
Frederix
, X.
Periole
, and S. J.
Marrink
, Nat. Commun.
8
, 15214
(2017
).4.
L.
Monticelli
, S. K.
Kandasamy
, X.
Periole
, R. G.
Larson
, D. P.
Tieleman
, and S.-J.
Marrink
, J. Chem. Theory Comput.
4
, 819
(2008
).5.
R.
Alessandri
, J. J.
Uusitalo
, A. H.
de Vries
, R. W. A.
Havenith
, and S. J.
Marrink
, J. Am. Chem. Soc.
139
, 3697
(2017
).6.
F.
Grunewald
, G.
Rossi
, A. H.
de Vries
, S. J.
Marrink
, and L.
Monticelli
, J. Phys. Chem. B
122
, 7436
(2018
).7.
P. W. J. M.
Frederix
, G. G.
Scott
, Y. M.
Abul-Haija
, D.
Kalafatovic
, C. G.
Pappas
, N.
Javid
, N. T.
Hunt
, R. V.
Ulijn
, and T.
Tuttle
, Nat. Chem.
7
, 30
(2015
).8.
Z.
Yue
, C.
Li
, G. A.
Voth
, and J. M. J.
Swanson
, J. Am. Chem. Soc.
141
, 13421
(2019
).9.
C.
Hannesschlaeger
, A.
Horner
, and P.
Pohl
, Chem. Rev.
119
, 5922
(2019
).10.
H.
Watanabe
, C.
Yoshida
, A.
Ooishi
, Y.
Nakai
, M.
Ueda
, Y.
Isobe
, and S.
Honda
, ACS Chem. Biol.
14
, 2729
(2019
).11.
M. C.
Childers
and V.
Daggett
, Biochemistry
58
, 4408
(2019
).12.
T. M. D.
Le
, H. T. T.
Duong
, T.
Thambi
, V. H.
Giang Phan
, J. H.
Jeong
, and D. S.
Lee
, Biomacromolecules
19
, 3536
(2018
).13.
G. A.
Voth
, Front. Biosci.
8
, 1213
(2003
).14.
H. L.
Tepper
and G. A.
Voth
, Biophys. J.
88
, 3095
(2020
).15.
M. S.
Lee
, F. R.
Salsbury
, and C. L.
Brooks
, Proteins Struct. Funct. Bioinform.
56
, 738
(2004
).16.
S.
Donnini
, F.
Tegeler
, G.
Groenhof
, and H.
Grubmüller
, J. Chem. Theory Comput.
7
, 1962
(2011
).17.
A. M.
Baptista
, V. H.
Teixeira
, and C. M.
Soares
, J. Chem. Phys.
117
, 4184
(2002
).18.
J.
Mongan
, D. A.
Case
, and J. A.
McCammon
, J. Comput. Chem.
25
, 2038
(2004
).19.
Y.
Huang
, W.
Chen
, J. A.
Wallace
, and J.
Shen
, J. Chem. Theory Comput.
12
, 5411
(2016
).20.
J. A.
Wallace
and J. K.
Shen
, J. Chem. Phys.
137
, 184105
(2012
).21.
W.
Chen
, J. A.
Wallace
, Z.
Yue
, and J. K.
Shen
, Biophys. J.
105
, L15
(2013
).22.
P.
Dobrev
, S.
Donnini
, G.
Groenhof
, and H.
Grubmüller
, J. Chem. Theory Comput.
13
, 147
(2017
).23.
S.
Donnini
, R. T.
Ullmann
, G.
Groenhof
, and H.
Grubmüller
, J. Chem. Theory Comput.
12
, 1040
(2016
).24.
W. F. D.
Bennett
, A. W.
Chen
, S.
Donnini
, G.
Groenhof
, and D. P.
Tieleman
, Can. J. Chem.
91
, 839
(2013
).25.
B. K.
Radak
, C.
Chipot
, D.
Suh
, S.
Jo
, W.
Jiang
, J. C.
Phillips
, K.
Schulten
, and B.
Roux
, J. Chem. Theory Comput.
13
, 5933
(2017
).26.
S. O.
Yesylevskyy
, L. V.
Schäfer
, D.
Sengupta
, and S. J.
Marrink
, PLoS Comput. Biol.
6
, e1000810
(2010
).27.
Z.
Wu
, Q.
Cui
, and A.
Yethiraj
, J. Chem. Theory Comput.
7
, 3793
(2011
).28.
J.
Michalowsky
, L. V.
Schäfer
, C.
Holm
, and J.
Smiatek
, J. Chem. Phys.
146
, 054501
(2017
).29.
N.
Agmon
, Chem. Phys. Lett.
244
, 456
(1995
).30.
M.
Eigen
, Angew. Chem., Int. Ed.
3
, 1
(1964
).31.
S.
Kim
, J.
Chen
, T.
Cheng
, A.
Gindulyte
, J.
He
, S.
He
, Q.
Li
, B. A.
Shoemaker
, P. A.
Thiessen
, B.
Yu
, L.
Zaslavsky
, J.
Zhang
, and E. E.
Bolton
, Nucl. Acids Res.
47
, D1102
(2019
).32.
C. C.
Bannan
, K. H.
Burley
, M.
Chiu
, M. R.
Shirts
, M. K.
Gilson
, and D. L.
Mobley
, J. Comput. Aided Mol. Des.
30
, 927
(2016
).33.
D. H.
de Jong
, S.
Baoukina
, H. I.
Ingólfsson
, and S. J.
Marrink
, Comput. Phys. Commun.
199
, 1
(2016
).34.
S. T. J.
Droge
, J. L. M.
Hermens
, J.
Rabone
, S.
Gutsell
, and G.
Hodges
, Environ. Sci. Process. Impacts
18
, 1011
(2016
).35.
H. K.
Hall
, J. Am. Chem. Soc.
79
, 5441
(1957
).36.
S.
Spycher
, P.
Smejtek
, T. I.
Netzeva
, and B. I.
Escher
, Chem. Res. Toxicol.
21
, 911
(2008
).37.
W.
Zhang
and A. C. T.
Van Duin
, J. Phys. Chem. B
121
, 6021
(2017
).38.
T. S.
Light
, S.
Licht
, A. C.
Bevilacqua
, and K. R.
Morash
, Electrochem. Solid-State Lett.
8
, E16
(2005
).39.
M. H.
Abraham
, H. S.
Chadha
, G. S.
Whiting
, and R. C.
Mitchell
, J. Pharm. Sci.
83
, 1085
(1994
).40.
S.
Natesan
, Z.
Wang
, V.
Lukacova
, M.
Peng
, R.
Subramaniam
, S.
Lynch
, and S.
Balaz
, J. Chem. Inf. Model.
53
, 1424
(2013
).41.
A.
Leo
, C.
Hansch
, and D.
Elkins
, Chem. Rev.
71
, 525
(1971
).42.
A.
Avdeef
, K. J.
Box
, J. E. A.
Comer
, C.
Hibbert
, and K. Y.
Tam
, Pharm. Res.
15
, 209
(1998
).43.
K.
Bittermann
, S.
Spycher
, S.
Endo
, L.
Pohler
, U.
Huniar
, K.-U.
Goss
, and A.
Klamt
, J. Phys. Chem. B
118
, 14833
(2014
).44.
R. M.
Peitzsch
and S.
McLaughlin
, Biochemistry
32
, 10436
(1993
).45.
P.
Høyrup
, J.
Davidsen
, and K.
Jørgensen
, J. Phys. Chem. B
105
, 2649
(2001
).46.
A. A.
Pashkovskaya
, M.
Vazdar
, L.
Zimmermann
, O.
Jovanovic
, P.
Pohl
, and E. E.
Pohl
, Biophys. J.
114
, 2142
(2018
).47.
M.
Ptak
, M.
Egret-Charlier
, A.
Sanson
, and O.
Bouloussa
, Biochim. Biophys. Acta - Biomembr.
600
, 387
(1980
).48.
B. H.
Morrow
, P. H.
Koenig
, and J. K.
Shen
, J. Chem. Phys.
137
, 194902
(2012
).49.
F.
Kamp
and J. A.
Hamilton
, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
89
, 11367
(1992
).50.
K.
Brunaldi
, M. A.
Miranda
, F.
Abdulkader
, R.
Curi
, and J.
Procopio
, J. Lipid Res.
46
, 245
(2005
).51.
M. C.
Ramos
, V. A. C.
Horta
, and B. A. C.
Horta
, J. Chem. Inf. Model.
59
, 1444
(2019
).52.
R. C.
Van Duijvenbode
, M.
Borkovec
, and G. J. M.
Koper
, Polymer
39
, 2657
(1998
).53.
P. B. P. S.
Reis
, D.
Vila-vic
, S. R. R.
Campos
, A. M.
Baptista
, and M.
Machuqueiro
, ACS Omega
3
, 2001
(2018
).54.
M. J.
Abraham
, T.
Murtola
, R.
Schulz
, S.
Páll
, J. C.
Smith
, B.
Hess
, and E.
Lindahl
, SoftwareX
1-2
, 19
(2015
).55.
N.
Goga
, A. J.
Rzepiela
, A. H.
de Vries
, S. J.
Marrink
, and H. J. C.
Berendsen
, J. Chem. Theory Comput.
8
, 3637
(2012
).56.
M.
Parrinello
and A.
Rahman
, J. Appl. Phys.
52
, 7182
(1981
).57.
H. J. C.
Berendsen
, J. P. M.
Postma
, W. F.
van Gunsteren
, A.
DiNola
, and J. R.
Haak
, J. Chem. Phys.
81
, 3684
(1984
).58.
M.
Roelfs
and P. C.
Kroon
, symfit, tBuLi/symfit: symfit 0.5.2 (Version 0.5.2), Zenodo. .59.
J.
Kästner
, Wiley Interdiscip. Rev. Comput. Mol. Sci.
1
, 932
(2011
).60.
S.
Kumar
, J. M.
Rosenberg
, D.
Bouzida
, R. H.
Swendsen
, and P. A.
Kollman
, J. Comput. Chem.
13
, 1011
(1992
).61.
M. R.
Shirts
and D. L.
Mobley
, “An introduction to best practices in free energy calculations
,” in Biomolecular Simulations. Methods in Molecular Biology (Methods and Protocols)
(Humana Press
, Totowa, NJ
, 2013
), Vol. 924, pp. 271
–311
.62.
M. R.
Shirts
and J. D.
Chodera
, J. Chem. Phys.
129
, 124105
(2008
).63.
P. V.
Klimovich
, M. R.
Shirts
, and D. L.
Mobley
, J. Comput. Aided. Mol. Des.
29
, 397
(2015
).64.
P.
Hünenberger
and M.
Reif
, Single-Ion Solvation
(Royal Society of Chemistry
, Cambridge
, 2011
).65.
G.
Bussi
, D.
Donadio
, and M.
Parrinello
, J. Chem. Phys.
126
, 014101
(2007
).66.
V.
Lindahl
, J.
Lidmar
, and B.
Hess
, J. Chem. Phys.
141
, 044110
(2014
).67.
M. J.
Hinner
, S.-J.
Marrink
, and A. H.
De Vries
, J. Phys. Chem. B
113
, 15807
(2009
).© 2020 Author(s).
2020
Author(s)
You do not currently have access to this content.
