Theoretical Study of Non-covalent Interaction from small molecules to Biomolecules

Abstract

xv Abstract The aim of this thesis is to investigate the accurate stabilization energy and binding free energy in various non-covalent complexes spanned from small organic molecules to biomolecules. Non-covalent interactions such as H-bonds, π...π stacking and halogen bonds are mainly responsible for understanding of most biological processes, such as small molecule interactions with surface, protein-ligand binding in the cell machinery, etc. In the thesis, different non-covalent complexes such as graphene…electron donor- acceptor complexes, DNA base pair interaction with silica surface, etc, were investigated. The reference stabilization energies were calculated at ab initio level, e.g., CCSD(T)/CBS method wherever possible. On the other hand, more approximated scaled MP2 method (MP2.5/CBS/6-31G*(0.25)) is taken as reference instead of CCSD(T)/CBS due to the size of the complexes. Further, the DFT and MM energies were also tested towards the reference one. The knowledge of non- covalent interaction is required for rationalizing of any association processes in nature which requires accurate description of the free energy change. The state-of- the-art molecular dynamics simulation in full atomic scale and biased metadynamics free energy method is used for binding free energy calculations. The well tempered...

xvi Abstrakt Cílem této práce je prozkoumat přesné stabilizační energie a volné vazebné energie pro různé nekovalentní komplexy počínaje malými organickými molekulami a konče biomolekulami. Nekovalentní interakce např. vodíkové vazby, π…π patrové interakce či halogenové vazby jsou zodpovědné za pochopení většiny biologických procesů, jako jsou interakce malých molekul s povrchem, protein-ligand interakce v buňkách atd. V práci byly vypočteny stabilizační energie pro různé nekovalentní komplexy, jako elektronové donor-akceptorové komplexy grafenu, páry bazí DNA interagující s povrchem oxidu křemičitého atd. Referenční stabilizační energie, kdekoli to bylo možné, byly výpočteny pomocí metody CCSD(T)/CBS. Vzhledem k velikosti studovaných komplexů byly v některých případech použity jako referenční metody místo CCSD(T)/CBS více aproximativni metody, např. škálované MP2 (MP2.5/CBS/6-31G*(0.25)). Mimo jiné byly stabilizační energie také počítané pomocí metod DFT a MM. Znalost nekovalentních interakcí je nevyhnutelná pro racionalizaci asociačních procesů v přírodě a vyžaduje přesný popis změn volné energie. Nejmodernější molekulově dynamické simulace s plně atomistickým popisem a "biased" metadynamické simulace byly použity pro výpočet volné vazebné energie. "well" temperované metadynamické simulace byly použity...