Nekovalentní interakce Mezimolekulové interakce

Nekovalentní interakce v biologii (p + a/V2)(V - b) = RT Prakticky nelze nalézt biologický proces, kde NI nehrají klíčovou roli samotná existence rozpouštědla struktura DNA, proteinů, buněčné membrány rozpoznání, přenos signálů, regulace (vazba molekul na receptory) vazba substrátu a enzymu, vazba kofaktorů (de)stabilizace reaktantů, produktů a tranzitního stavu enzymové reakce

Energie mezimolekulových interakcí Kovalentní vazba ~ 400 kJ/mol (H-H) ~ 600 kJ/mol (C=C) Iontová vazba (+…-) ~ 400 kJ/mol Vodíková vazba ~20 kJ/mol Disperzní interakce ~ 2 kJ/mol Elektrostatické interakce v roztoku zatlumeny (permitivita rozpouštědla) Vliv entropie

S jakou přesností potřebujeme mezimolekulové interakce počítat? Příklad: stabilita enzymu, rozklad na interakce reziduí Celková stabilizační energie malého ezymu ~ -5000 kJ/mol Stabilizační Gibbsova energie ~ -10 kJ/mol (rozdíl – hydratační DG, entropie)

Jak je počítat: molekulová mechanika a kvantová mechanika empirický potenciál DEInt = EElst + EvdW Kvantová mechanika supermolekulární přístup rozložení na složky (SAPT) DE = EAB - EA - EB DEInt = EElst + EEx-rep + EInd + EDisp GC WC: EElst EEx-rep EInd EDisp ETot -54 50 -12 -14 -30 kcal/mol

Supermolekulární přístup DE = EAB - EA - EB Počet bázových funkcí (K) (1e- bázový set) HF limita (úplný bázový set) Všechny možné konfigurace Full CI Přesný výsledek Počet Slaterových determinantů (N-elektronový bázový set) 1 10 100 1000 10 000 50 40 30 20 10 Možné jen díky systematickému vyrušení chyb Extrémní nároky na kvalitu metody a velikost báze Nutnost dalších aproximací (CBS, korekce)

DFT a mezimolekulové interakce elektrostatická indukční repulzní disperzní vemi dobrá značná chyba, značná chyba chybí přeceněná Použitelnost Disperzní komplexy - z principu nevhodná (přesto pouzívaná) Slabé elektrostatické interakce - podivuhodné vyrušení chyb indukce, repulze, (např. H-vazba) a chybějící disperze + dalších (BSSE) => relativně kvalitní popis (často lepší než MP2) Lokální funkcionál

Symetricky adaptovaná poruchová teorie SAPT (Symmetry Adapted Perturbation Theory) neporušený (referenční) systém – molekula A a molekula B porucha – mezimolekulová interakce (coulombická) řád poruchy a složky interakční energie Platí jen ve velkých vzdálenostech! Symetricky adaptovaná ... zahrnuje Pauliho repulzi

Vícečásticové efekty a neaditivita molekulových interakcí Aditivní síly v přírodě Coulombův zákon Newtonův zákon Předpokladem aditivity je bodovost (nebo pevnost - nedeformovatelnost) těles Neaditivita je důsledkem změn v molekule vyvolaných působením vnejšího pole např. polarizace molekuly (změna rozložení elektronové hustory) neaditivita výměnné repulze neaditivita disperzní interakce

Popis neaditivity: vícečásticové členy 1 2 3 E12 E13 E23 EInt = E12 + E13 + E23 + E123 Trojčásticový člen (např. pro CCl4 33% Eint) Čtyř- a vícečásticové členy Zahrnutí vícečásticových členů při parametrizaci párových potenciálů: - efektivní, nikoli skutečné potenciály - ztráta informace

Srovnání QM a MM pro slabé interakce Přesnost MM empirický párový potenciál – zanedbání vícečásticových efektů (ionty, polarizovatelé molekuly) většinou zanedbání polarizace (indukce) zahrnutí různých složek int. E do jednoho členu, parametrizace Rychlost QM a MM Hlavní aplikace QM přesné hodnoty v plynné fázi (srovnání s experimentem) parametrizace a vývoj FF

Stabilita proteinů a DNA Příklady: Stabilita DNA Stabilita globulárních proteinů PES FGG