Theoretical and computational physical chemistry group Simulazioni su scala atomica di biomolecole. Andrea Amadei Massimiliano Aschi Alfredo Di Nola Gruppo di Chimica Fisica Teorica e Computazionale 1 Theoretical and computational physical chemistry group Simulazioni Molecolari •Perche’ ? •Come ? 2 Theoretical and computational physical chemistry group •Perche’ ? Fenomeno Modello Interpretazione Proprieta’ non ‘misurabili’ 3 Theoretical and computational •Come ? Sistema Molecolare Coordinate ‘classiche’ (Osservabili ‘classiche’: Struttura, Transizioni Conformazionali) Modelli classici F=ma physical chemistry group Coordinate ‘quantistiche’ (Osservabili ‘quantistiche’: Struttura elettronica, Proprieta’ Spettroscopiche, Reazioni chimiche) Modelli quantistici ĤY=EY Molecole in vuoto (100 atomi) Proteine, DNA, polimeri (100000 atomi) 4 Theoretical and computational physical chemistry group Modellizzazione di proprieta’ elettroniche in sistemi complessi -Proprieta’ spettroscopiche in sistemi enzimatici (assorbimento, fluorescenza, NMR) - Modellizzazione di reazioni biochimiche 5 Theoretical and computational physical chemistry group Metodo della Matrice Perturbata (PMM) (M. Aschi, R. Spezia, A. Di Nola, A. Amadei Chem. Phys. Lett. 344 (2001) 374.) F=ma Ĥ c =E c 6 Theoretical and computational physical chemistry group Applicazioni •Proprieta’ spettroscopiche nella deossi-Mioglobina •Modellizzazione del Trasferimento di elettrone nella Cu-Zn SOD 7 Theoretical and computational physical chemistry group Mioglobina 153 ammino acidi 8 -eliche 8 Theoretical and computational physical chemistry group Gruppo prostetico: Fe(II)-porfirinaimidazolo lega reversibilmente piccole molecole O2, NO, CO Domanda: la mioglobina influenza e come le proprieta’ elettroniche del suo centro prostetico ? 9 Theoretical and computational physical chemistry group Riproduzione dell’osservabile : spettro UV Dinamica Molecolare classica: 80 ns di simulazione della deossi-Mioglobina in acqua Proprieta’ elettroniche del gruppo prostetico: Calcoli quantomeccanici dei primi 8 stati elettronici Applicazione del PMM: La traiettoria classica si ‘accoppia’ con il calcolo quantistico 10 Theoretical and computational physical chemistry group Traiettoria della prima eccitazione () ave= 826 nm () = 11 nm in vuoto =780 nm Exp 900 nm d * 11 * Lim M., et al., J. Phys. Chem. 1996, 100, 12043 Theoretical and computational physical chemistry group Aspetti ‘non misurabili’ 12 Theoretical and computational physical chemistry group His(97) eig 1 Lys(96) Lys(96) His(97) eig 2 His(64) 13 Theoretical and computational physical chemistry group I residui invarianti* 14 *Handbook of metalloproteins. Volume 1, John Wiley ans Sons, Inc., 1990 Theoretical and computational physical chemistry group Cu 2 O2 Cu O2 Cu O2 2 H Cu 2 H 2O2 15 Theoretical and computational physical chemistry group Problema ! Cu 2 2 O Cu O2 Calcoli di struttura elettronica mostrano che e’ una reazione ‘impossibile’ 16 Theoretical and computational physical chemistry group • Dinamica Molecolare (17 ns) del dimero in acqua. • Calcoli quantistici del centro di reazione in vuoto. • Calcoli PMM per accoppiare MD e QM. 17 Theoretical and computational physical chemistry group •Coordinata di reazione 18 Theoretical and computational physical chemistry group Energia libera di reazione In vuoto In SOD Cu O2 19 Theoretical and computational physical chemistry group Controllo del trasferimento di elettrone = ( ref ) b Dipolo elettrico lungo la coordinata di reazione b Cu O2 Dipolo elettrico di riferimento con la carica negativa sullo ione superossido b Cu O2 b Cu O2 q q 0 0 20 Theoretical and computational physical chemistry group In vuoto Non c’e’ movimento In SOD di carica dallo ione superossido al rame 21 Theoretical and computational physical chemistry group Abbiamo analizzato altre coordinate di reazione La proteina, grazie alle sue fluttuazioni conformazionali, esercita una forte attivita’ catalitica rendendo possibile la reazione 22 Theoretical and computational physical chemistry group CONCLUSIONI Lo sviluppo informatico, ma soprattutto teorico, ci permette oggi di applicare modelli avanzati per simulare proprieta’ spettroscopiche e chimiche Questo, oltremolecolari che da un punto di vista di sistemi complessi. accademico-culturale, puo’ indurre un miglioramento dei modelli attualmente usati per problematiche piu’ ‘applicative’ (azione di farmaci, meccanismi enzimatici……) 23 Theoretical and computational physical chemistry group Ringraziamenti Andrea Amadei Alfredo Di Nola, Riccardo Spezia, Costantino Zazza, Maira D’Alessandro, Marco D’Abramo, Cecilia Bossa 24