Dinamica delle proteine e sua acqua di idratazione: studi di dispersione dei neutroni su GFP completamente deuterato

We present a detailed analysis of the picosecond-to-nanosecond motions of green fluorescent protein (GFP) and its hydration water using neutron scattering spectroscopy and hydrogen/deuterium contrast. The analysis reveals that hydration water suppresses protein motions at lower temperatures (<~200 K), and facilitates protein dynamics at high temperatures. Experimental data demonstrate that the hydration water is harmonic at temperatures <~180–190 K and is not affected by the proteins’ methyl group rotations. The dynamics of the hydration water exhibits changes at ~180–190 K that we ascribe to the glass transition in the hydrated protein. Our results confirm significant differences in the dynamics of protein and its hydration water at high temperatures: on the picosecond-to-nanosecond timescale, the hydration water exhibits diffusive dynamics, while the protein motions are localized to <~3 A˚ . The diffusion of the GFP hydration water is similar to the behavior of hydration water previously observed for other proteins. Comparison with other globular proteins (e.g., lysozyme) reveals that on the timescale of 1 ns and at equivalent hydration level, GFP dynamics (mean-square displacements and quasielastic intensity) are of much smaller amplitude. Moreover, the suppression of the protein dynamics by the hydration water at low temperatures appears to be stronger in GFP than in other globular proteins. We ascribe this observation to the barrellike structure of GFP.

Presentiamo un'analisi dettagliata dei movimenti da picosecondo a nanosecondo della proteina fluorescente verde (GFP) e la sua acqua di idratazione mediante spettroscopia a dispersione di neutroni e contrasto idrogeno / deuterio. L'analisi rivela questa idratazione l'acqua sopprime i moti proteici a temperature più basse (<~ 200 K) e facilita la dinamica proteica alle alte temperature. I dati sperimentali dimostrano che l'acqua di idratazione è armonica a temperature <~ 180–190 K e non è influenzata dalle rotazioni del gruppo metilico delle proteine. La dinamica dell'acqua di idratazione presenta cambiamenti a ~ 180–190 K a cui attribuiamo la transizione vetrosa nella proteina idrata. I nostri risultati confermano differenze significative nella dinamica delle proteine ​​e della sua acqua di idratazione ad alte temperature: sulla scala dei picosecondi-nanosecondi, l'acqua di idratazione mostra dinamiche diffusive, mentre i movimenti delle proteine ​​sono localizzati a <~ 3 A˚. La diffusione dell'acqua di idratazione GFP è simile al comportamento dell'acqua di idratazione precedentemente osservato per altre proteine. Il confronto con altre proteine ​​globulari (ad esempio il lisozima) rivela che sulla scala temporale di 1 ns e ad un livello di idratazione equivalente, le dinamiche GFP (spostamenti del quadrato medio e intensità quasielastica) hanno un'ampiezza molto più piccola. Inoltre, la soppressione della dinamica proteica da parte dell'acqua di idratazione a basse temperature sembra essere più forte nel GFP rispetto ad altre proteine ​​globulari. Attribuiamo questa osservazione alla struttura barrellike del GFP.