Hofmeister Ion Interactions with Model Amide Compounds

Abstract

Dissolved electrolytes interact with peptides and proteins in aqueous solution. Herein, we study small amide compounds in aqueous electrolyte solutions and link their salting-in and salting-out propensities to molecular-level structural details obtained with molecular simulations. Aqueous solutions of NaF, NaCl, NaBr, NaI, NaNO(3), and NaClO(4) with N-isopropylacrylamide (NiPAM) and N-methylacetamide (NMA) have been investigated. Our results show that NiPAM is salted-in by NaI, mediated through iodide interactions with nonpolar groups, while being salted-out by the other salts. Hydrogen-bonding interactions of anions with the amide group of NiPAM could not be identified, while in the systems with NMA all Hofmeister anions formed stable hydrogen bonds with the amide group. These results indicate that the immediate chemical environment of the backbone amide groups should be considered in studies of protein destabilization by dissolved electrolytes. We furthermore report that all salts but NaI provoke a hydrophobic collapse transition of poly(N-isopropylacrylamide) in water at 300 K, in qualitative agreement with experimentally measured salt effects on the lower critical solution temperature of this system.

Selective solute adsorption and partitioning around single PNIPAM chains

“…This combination of force fields reproduces the experimentally measured thermoresponsive properties of PNIPAM considerably well [30,31]. The simulations are performed using the GROMACS 5.1 simulation package [32,33].…”

Effects of concentrated NaCl and KCl solutions on the behaviour of aqueous peptide bond environment: single-particle dynamics and H-bond structural relaxation

“…It was found that the preferential sodium interactions with the peptide carbonyl groups are enhanced in the NaI solutions due to the increased affinity of the less hydrophilic iodide anion for the peptide methyl side-chains and terminal blocking groups. Currently, aqueous solutions of NaF, NaCl, NaBr, NaI, NaNO 3 and NaClO 4 with N-isopropylacrylamide (NiPAM) and N-methylacetamide (NMA) have been investigated theoretically by Algaer and van der Vegt [71] and it was found that all monovalent Hofmeister anions form stable hydrogen bonds with the amide hydrogen of NMA. To the best of our knowledge, so far no results have been reported on the dynamical behaviour of solutes and solvents, and also about the structural relaxation of different kinds of NMAwater hydrogen bonds (H NMA ৄO W and O NMA ৄH W ) with varying salt concentration.…”

Hofmeister‐Effekte unter der Lupe: Die direkte Anion‐Amid‐Bindung ist schwächer als die Kation‐Amid‐Bindung

“…[3,4,9,10] Wegen dieser Komplexität muss die Korrelation zwischen der Hofmeister-Reihe und der Stärke der Bindung von Ionen zu Proteinen untersucht werden, um die zugrundeliegenden Mechanismen zu verstehen. [16] Gleichermaßen werden die C = O-Schwingung der Amide [14] und die chemische Verschiebung des Kohlenstoffatoms der C = O-Gruppe durch Kationen verändert, [17] was mit direkten Kation-Amid-Kontakten vereinbar ist. [9,[11][12][13][14] Direkte Wechselwirkungen werden manchmal infrage gestellt, [15] allerdings zeigen NMR-Untersuchungen, dass die chemische Verschiebung der Protonen der Amidgruppe durch Anionen beeinflusst wird [9,11,12] und dass der Abstand von Anionen zur Amidgruppe der Hofmeister-Reihe folgt.…”

“…[9,[11][12][13][14] Direkte Wechselwirkungen werden manchmal infrage gestellt, [15] allerdings zeigen NMR-Untersuchungen, dass die chemische Verschiebung der Protonen der Amidgruppe durch Anionen beeinflusst wird [9,11,12] und dass der Abstand von Anionen zur Amidgruppe der Hofmeister-Reihe folgt. [3,14] Zudem scheinen, trotz ähnlicher Folgerungen aus einigen Computersimulationen, [12,16,18] andere Simulationen zu dem entgegengesetzten Ergebnis zu kommen. [14] Diese Studien haben zu der Auffassung geführt, dass Kation-Amid-Wechselwirkungen für Hofmeister-Effekte eine geringere Rolle spielen als Anion-Amid-Wechselwirkungen.…”

“…[14] Diese Studien haben zu der Auffassung geführt, dass Kation-Amid-Wechselwirkungen für Hofmeister-Effekte eine geringere Rolle spielen als Anion-Amid-Wechselwirkungen. [3,14] Zudem scheinen, trotz ähnlicher Folgerungen aus einigen Computersimulationen, [12,16,18] andere Simulationen zu dem entgegengesetzten Ergebnis zu kommen. [19] Hierbei ist es wichtig,d ass wegen der unterschiedlichen spektroskopischen Empfindlichkeiten und der verschiedenen untersuchten Bindungsstellen (z.…”