Slow dynamics of supercooled hydration water in contact with lysozyme: examining the cage effect at different length scales

We study by computer simulation the dynamics of hydration water in solution with lysozyme upon approaching the glassy state of water. We calculate the self-density correlation function at different wavelengths to test the Mode Coupling Theory (MCT) of glassy dynamics at different length scales. The results show a strict and clear relation of the behaviour of the structural relaxation with the cage effect. We find a good agreement with the predictions of the MCT in the short and medium scale range, while at increasing length scales the interaction of water molecules with the protein's substrate induces deviations from the MCT behaviour, as found in previous studies. Besides at low temperatures the slow dynamics deviates from MCT due to hopping processes, similar to the bulk, as witnessed by a crossover from a fragile behaviour to a strong behaviour. We show that this deviation is evident at all length scales. Interestingly, we find that in the fragile region the confining cage decreases in radius with temperature while in the strong region it appears stable.

Atrraverso simulazioni di dinamica molecolare studiamo il comportamento dell'acqua di idratazione in soluzione con lisozima avvicinandosi allo allo stato vetroso dell'acqua. Calcoliamo la funzione di correlazione di densità a diverse lunghezze d'onda per testare la teoria Mode Coupling (MCT) delle dinamiche vetrose a diverse scale di lunghezza. I risultati mostrano una stretta e chiara relazione tra il rilassamento strutturale e l'effetto gabbia. Troviamo un buon accordo con le previsioni dell'MCT nel range di breve e media scala, mentre a scale di lunghezza crescente l'interazione delle molecole d'acqua con il substrato della proteina induce deviazioni dal comportamento dell'MCT, come riscontrato in studi precedenti. Inoltre alle basse temperature la dinamica lenta devia dall'MCT a causa di processi di salto, simili al bulk, come testimoniato dal passaggio da un comportamento fragile a un comportamento forte. Viene mostrato come questa deviazione sia evidente a tutte le scale di lunghezza. È interessante notare come nella regione fragile il raggio della gabbia di confinamento diminuisca con la temperatura mentre nella regione forte appare stabile.