Реализация алгоритмов комбинированных методов квантовой и молекулярной механики и приложения к исследованиям механизмов реакций в растворах и биологических системах

• Автор: Морозов, Дмитрий Иванович
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 136 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Литературный обзор. Комбинированные методы квантовой и молекулярной механики

1.1. Общие сведения

1.2. Метод КМ/ММ

1.2.1. Терминология

1.2.2. Полная энергия в методе КМ/ММ

1.2.3. Механическое внедрение

1.2.3. Электростатическое внедрение

1.2.4. Поляризационное внедрение

1.3. Другие взаимодействия, используемые в КМ/ММ схемах

1.3.1. Дальнодействующие электростатические взаимодействия
1.3.2. Ван-дер-ваальсовые взаимодействия в методе КМ/ММ
1.3.3. Связанные КМ/ММ взаимодействия
1.4. Разрыв между КМ и ММ подсистемами по ковалентной связи
1.4.1. Обзор методов
1.4.2. Выбор места разрыва
1.4.3. ЬШК-атомы
1.4.4. Связывающие атомы
1.4.4. Замороженные локализованные орбитали
1.5. Программные реализации метода КМ/ММ
1.6. Метод потенциалов эффективных фрагментов
Глава 2. Метод конформационно-подвижных эффективных фрагментов
2.1. Введение
2.2. Конформационно-подвижные жёсткие фрагменты
2.3. Электростатическое взаимодействие
2.4. Разрыв по ковалентной связи
2.5. Расчёт сил взаимодействия КМ/ММ
2.6. Реализация метода конформационно-подвижных эффективных фрагментов

Глава 3. Моделирование реакции гидролиза циклического гуанозинмонофосфата в водном растворе
3.1. Введение
3.2. Циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ)
3.3. Протокол вычислений
3.4. Результаты моделирования
3.5. Обсуждение результатов
Глава .4. Моделирование реакции гидролиза ацетилхолина в активном центре фермента ацетилхолинэстеразы
4.1. Фермент ацетилхолинэстераза
4.2. Модельная система и протокол вычислений
4.3. Результаты моделирования
4.4. Обсуждение результатов
4.4.1. Роль квантово-химического метода и КМ/ММ разделения системы
4.4.2. Роль начальной кристаллической структуры
4.4.3. Сравнение двух различных методов КМ/ММ
Глава 5. Моделирование реакции декарбоксилирования зелёного флуоресцентного белка (ОБР)
5.1. Зелёный флуоресцентный белок (вГР)
5.2. Фотореакция декарбоксилирования вРР
5.3. Модельная система и протокол вычислений
5.4. Результаты моделирования
5.4.1. Электронный переход 80-81 в vt-GFP
5.4.2. Электронные переходы 80-8п (п>1) в нейтральном хромофоре vt-GFP104
5.4.3. Возбуждения на уровни с переносом электрона Бет
5.4.4. Влияние мутации ТЬг203Н1з
5.5. Возможные механизмы процесса декарбоксилирования vt-GFP
Выводы
Список литературы
Введение
Современные методы компьютерного моделирования оказывают существенную поддержку экспериментальным исследованиям сложных биомолекулярных систем, позволяя рассчитывать геометрические параметры биомолекул, оценивать энергии различных конформаций, положения и интенсивности спектральных полос. Значительную роль в подобном моделировании занимают комбинированные методы квантовой и молекулярной механики (КМ/ММ), сочетающие в себе точность квантовых методов, необходимую для описания химических реакций в системе, и возможности молекулярно-механических подходов при моделировании систем, состоящих из десятков тысяч атомов. Разработка новых эффективных алгоритмов метода КМ/ММ, ориентированных на современные суперкомпьютеры, представляет актуальную задачу вычислительной и квантовой химии.
Основное внимание в диссертационной работе уделено новой реализации методики КМ/ММ с конформационно-подвижными эффективными фрагментами и ее применению к конкретным задачам моделирования химических превращений, включая:
• реакции в растворах - моделирование реакции гидролиза циклического гуанозинмонофосфата в воде,
• ферментативные реакции - расщепление нейромедиатора ацетилхолина ферментом ацетилхолинэстеразой,
• фотореакции в белках - декарбоксилирование зеленого флуоресцентного белка.
Каждая из рассмотренных систем представляет интерес для соответствующей области биофизики (биохимии), но для целей данной работы также важно было установить, насколько эффективно применение данной реализации метода КМ/ММ. С этой целью в ряде примеров проводилось сравнение результатов различных вариантов КМ/ММ. Во всех

распространяют электронную плотность дальше от ядер, и потому гораздо более подвержены гиперполяризации.
Далее приведены основные методы избегания гиперполяризации LINK-атома.
Удаление вкладов в одноэлектронные интегралы. Обычно, взаимодействие между плотностью КМ части и частичными зарядами ММ части выражается в виде одноэлектронных вкладов в гамильтониан, ассоциированный с базисом и зарядом LINK-атома. Было предложено удалить такие вклады [4, 22, 23, 63, 67], что позволяет полностью исключить взаимодействия данных атомов. Это довольно хорошо работает для полуэмпирических и некоторых ab initio методов, однако может быть проблематично при использовании высокоуровневых методов и больших базисных наборов, поскольку приводит к несбалансированному описанию электростатического потенциала КМ части [23, 67]. Впрочем, как вариант данной процедуры может быть удалены только взаимодействия с передним атомом ММ части Мь что приводит к более правильным результатам [23].
Удаление частичных зарядов. В качестве противовеса в исключении LINK-атома из взаимодействия с окружением, выступает схема с исключение окружения из взаимодействия со всей плотностью КМ части вблизи границы раздела. Многие реализации данной идеи были предложены: (1) удаление зарядов только на атоме Mi [59, 68-70]; (2) удаление зарядов на атомах первых двух оболочек Mi и М2 [68]; (3) удаление зарядов на атомах трёх оболочек Мь М2 и Мз [3, 68]; или (4) удаление зарядов всей группы, включающей в себя Mi [23, 59, 64]. Все эти схемы обладают существенным недостатком отсутствия важных зарядов около КМ части, что зачастую может приводить к серьёзным артефактам [54, 68], кроме того они не сохраняют общий заряд всей системы.
Смещение зарядов. Для разрешения проблем в схемах с удалением зарядов, были предложены схемы со смещением зарядов. Они все обладают свойством сохранения заряда (а иногда и дипольного момента) в области