Accurate Quantum Mechanical Calculations on Noncovalent Interactions: Rationalization of X-ray Crystal Geometries by Quantum Chemistry Tools

Abstract

Spolehlivá a jednoduše aplikovatelná pravidla jsou potřebná v oblasti biochemie, supramoleculární chemie i materiálových vědách. Zároveň množství informací, které můžeme získat z rentgenových krystalových struktur o povaze rozpoznávacích procesů, je omezené. Lepší pochopení nekovalentních interakcí, které hrají nejdůležitější roli, je potřebný pro přezkoumání univerzálních pravidel řídících jakékoliv rozpoznávací procesy. V této práci je prezentován systematický vývoj a studium přesnosti výpočetních metod doplněný aplikacemi na systémech bílkovina DNA a hostitel host. Ne-empirické kvantově mechanické nástroje (metody DFT-D, MP2.5, CCSD(T) atd.) byly využity v několika projektech. Našli a potvrdili jsme existenci unikátních nízko ležících interakčních energií vzdálených od zbývajících distribucí v několika párech aminokyselina−báze, které otevírají cestu cestu k univerzálním pravidlům řídící selektivní navázání jakékoliv sekvence DNA. Dále byly v několika případech provedeny predikce a ověřeny změny Gibbsovy energie (ΔG), jejích komponentů a nakonec pečlivě porovnány s experimenty. Stanovili jsme, že molekula cholinu je vázána o 2.8 kcal/mol silněji (vypočtením ΔG) než acetylcholin v samo-uspořádané tří helikální rigidní kleci, odpovídající Kch/Kach = 109, což je v poměrně dobrém souhlasu s...

There is a need for reliable rules of thumb for various applications in the area of biochemistry, supramolecular chemistry and material sciences. Simultaneously, the amount of information, which we can gather from X-ray crystal geometries about the nature of recognition processes, is limited. Deeper insight into the noncovalent interactions playing the most important role is needed in order to revise these universal rules governing any recognition process. In this thesis, systematic development and study of the accuracy of the computational chemistry methods followed by their applications in protein DNA and host guest systems, are presented. The non-empirical quantum mechanical tools (DFT-D, MP2.5, CCSD(T) etc. methods) were utilized in several projects. We found and confirmed unique low lying interaction energies distinct from the rest of the distributions in several amino acid−base pairs opening a way toward universal rules governing the selective binding of any DNA sequence. Further, the predictions and examination of changes of Gibbs energies (ΔG) and its subcomponents have been made in several cases and carefully compared with experiments. We determined that the choline guest is bound 2.8 kcal/mol stronger (calculated ΔG) than acetylcholine to self-assembled triple helicate rigid cage,...