Jelentősége szubsztrát kötődés szolvatáció ionizációs állapotok (pka) mechanizmus katalízis ioncsatornák szimulációk (szerkezet) all-atom dipolar fluid dipolar lattice continuum Definíciók töltéseloszlás Elektromos tér acetilkolin-észterázban Q i : ponttöltések; dipólusok: Elektromos erő (field): Elektrosztatikus potenciál: Definíciók Definíciók potenciális energia ndukált dipólusok, több-test probléma α: polarizálhatóság (QM számolásokból) Elektromos erő (field): Elektrosztatikus potenciál: Dipólus potenciális energiája E(r) térben E 0 : külső erőtér, E µ : µ dipólustól származó erőtér iteratív megoldás (+screening for E 0 <d(r)>) Warshel és Russell, Quat. Rev. in Biophysics (1984),17, pp.283-422 1
Mikroszkopikus megközelítések <E 0 +E µ > effektív potenciál meghatározása d i : screening function Mikroszkopikus megközelítések További egyszerűsítések: átlagos polarizáció szabadenergia: Sok konfiguráción átlagolt elektrosztatikus szabadenergia ad csak helyes eredményt U i : nem elektrosztatikus tagok (vdw), : effektív potenciál i dipóluson (U es E i minden állására kiátlagolva) Langevin formula All-atom QM? Mikroszkopikus megközelítések szupermolekula nem ad helyes oldáshőt (ΔG s ) inter- és intramolekuláris tagok szétválasztása 3-tag kölcsönhatások számítása (indukált dipólusok) self-consistent módon QM szerű potenciálfüggvények (beépítés a hullámfv-be) konvergencia problémák (átlagolás) All-atom Kölcsönhatások leírása erőtérrel Probléma: hosszútávú kölcsönhatások Lehetséges megoldások: periódikus határfeltételek Ewald összegzés - divergens szolvatációs energiák - függ a rendszer méretétől gömbszimmetrikus határfeltételek local reaction field (LRF) felszíni molekulákra ható erő számítása Dipólus modellek Cél: jobb konvergencia elérése modellek (potenciálok) egyszerűsítésével Langevin Dipólus modell oldószer dipólusok átlagos orientációja Kétségek: hidrogénkötéses oldószer energetikája nem írható le dipólusokkal ( re-kalibrálás) szerkezetét nem adja vissza Megfigyelések: a szolvatációs energia számításához a quadrupól momentumok nem annyira fontosak a megfelelő átlagolás játszik fontos szerepet Langevin dipólus többi oldószer tere d(r i ) screening function 2
Langevin Dipólus modell Langevin Dipólus modell d(r i ) számítása: E 0 /E all-atom modellel oldott anyag tere többi oldószer tere közeli oldószerek tere C, d(r i ) egymástól függő paraméterek µ 0 -al együtt szolvatációs energiákhoz kell fittelni gyors konvergencia Makroszkópikus modellek Makroszkópikus modellek Elektromos tér : minden dipólus hozzájárulását tartalmazza (sajátot is) l q=σa P: polarizációs vektor makroszkópikus modell ε: makroszkópikus dielektromos állandó ha V elég nagy, ε a tömbfázis dielektromos állandója Makroszkópikus modellek A makroszkópikus és mikroszkópikus dielektromos állandó Energia : all-atom MD nő a fehérje relaxációt figyelembe véve dipólusok tere ε = 2-10 fehérjében csökken, minél teljesebb a modell U (R,r) nem elektrosztatikus tagok King et al. (1991) J. Chem. Phys 95, pp. 4366-4377. 3
Szabadenergia : Szabadenergia, makroszkópikus közelítésben : Oldáshő (tiszta oldószerhez képest) r 0 minimum energia konformáció (oldószer) makroszkópikus megközelítésben: ε a + vákuumból az oldószerbe Born formula Probléma: ε,a ismeretlen két különböző közeg között: P polarizáció Δτ térfogat elemben, ΔG self adott térfogatelem polarizációjának energiája Onsager modell: Generalized Born (GB): Φ RF reakciótér ε a Hullámfüggvénybe beépíthető (perturbáció) ΔG sol meghatározása QM módszerrel PCM polarizable continuum modell egységes ε, fehérjékre nem jó Poisson Boltzmann (PB): Poisson Boltzmann (PB): Problémák: Helyfüggő dielektromos állandó ionos közegben: κ ionerősséggel arányos DELPH program (Honig csoport) Φ,ρ,ε meghatározása gridpontokban rosszul definiált ε merev fehérje lokális effektusok hiánya: nem adja vissza a reorganizációs effektust pka eltolódások vizsgálatára nem alkalmas ligand kötésre nem ad kvantitatív eredményeket 4
Mi a glikoziláz lépés mechanizmusa? pka értékek az aktív helyen ΔΔG w p a feltételezett intermedierekre Fuxreiter, Warshel, Osman (1999) Biochemistry 38, pp. 9577-9589 intrinsic pka minden csoport semleges (csak parciális töltések) többi töltött csoport hatása intrinsic pka minden csoport semleges (csak parciális töltések) többi töltött csoport hatása Sham, Chu és Warshel (1997) J. Phys. Chem B 101, pp.4458-4472 deszolvatáció Töltött csoportok hatása Protein Dipoles Langevin Dipoles (PDLD) modell: : Q; : q,µ,γ; : q,µ,γ; V: tömbfázis megoldás self-consistent iterációval i o V 5
Protein Dipoles Langevin Dipoles (PDLD) modell: Protein Dipoles Langevin Dipoles (PDLD) modell: 1. [Q()-Q()] 4. [Q(+)-µ()] 2. [Q()-q()] 5. i 3. [Q(+)-µ()] i 6. o o V V Warshel és mtsai (1993) J. Comput. Chem. 14, pp.161-185 Konvergencia elősegítése lokális reakciótér korrekció (LRF) távoli Langevin dipólusok terét nem számítja újra minden iterációban Konformációs átlagolás lineáris válasz (LRA) Mi a glikoziláz lépés mechanizmusa? kulcsfontosságú enzimek működésének megértéséhez pka értékek az aktív helyen ΔΔG w p a feltételezett intermedierekre Fuxreiter, Warshel, Osman (1999) Biochemistry 38, pp. 9577-9589 Fuxreiter, Warshel, Osman (1999) Biochemistry 38, pp. 9577-9589 6
7