Interaction of Metal Cations in Bioorganic Environment. Computational Study Using Quantum Mechanics and Molecular MechanicsTools.

Abstract

Interactions of Metal Cations in Bioorganic Environment Computational Study Using Quantum Mechanics and Molecular Mechanics Tools Zdeněk Futera Biologically relevant interactions of piano-stool ruthenium(II) complexes with ds-DNA are studied by QM/MM computational technique. The whole re- action mechanism is divided into three phases - hydration of [RuII (η6 - benzene)(en)Cl]+ , consequent binding DNA and final intra-strand cross-link formation between two adjacent guanines. Free energy profiles of all reactions are explored by QM/MM MD umbrella sampling approach where the Ru(II) complex is described by DFT. For that purpose, special QM/MM software was developed to couple Gaussian and Amber programs. Calculated free energy barriers of Ru(II) hydration as well as DNA binding process are in good agreement with experimentally determined rate constants. Reaction pathway for cross-link formation was predicted that is feasible from both thermodynamical and kinetical point of view.

Interakce kovových iontů v bioorganickém prostředí kvantově-chemická a molekulově-mechanická výpočetní studie Zdeněk Futera Biologicky významné interakce piano-stool Ru(II) komplexů s DNA jsou v této práci studovány QM/MM výpočetní metodou. Reakční mechanismus je rozdělen do tří částí - hydratace [RuII (η6 -benzene)(en)Cl]+ komplexu, následné navázání na DNA a vytvoření můstku mezi dvěma guaniny na stejném vlákně. Profily volné energie všech studovaných reakcí jsou spočteny metodou umbrella sampling z QM/MM MD simulací během nichž byl Ru(II) komplex popsán na úrovni DFT. Pro tento účel byl vytvořen QM/MM soft- ware, který umožňuje provázat programy Gaussian a Amber. Spočtené en- ergetické bariéry hydratační reakce a procesu navázání Ru(II) komplexu na DNA jsou v souladu s experimentálně změřenými rychlostními konstantami těchto reakcí. Vytvoření můstků bylo předpovězeno jako uskutečnitelné z termodynamického i kinetického hlediska.