Nekovalentní interakce Mezimolekulové interakce

Prezentace na téma: "Nekovalentní interakce Mezimolekulové interakce"— Transkript prezentace:

1 Nekovalentní interakce Mezimolekulové interakce

2 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

3 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

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

5 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 kcal/mol

6 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) 50 40 30 20 10 Možné jen díky systematickému vyrušení chyb Extrémní nároky na kvalitu metody a velikost báze Nutnost dalších aproximací (CBS, korekce)

7 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

8 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

9 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

10 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

11 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

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