Szisztematikus kvantumkémiai számítások biomolekulák szerkezetének és energetikájának vizsgálatára = Systematic Quantum Chemical Calculations for Studying Structure and Energetics of Biomolecules

摘要

A DNS-bázisok tautomerizációja a mutációk egyik lehetséges mechanizmusa. A citozinra végzett kiterjedt elméleti dinamikai tanulmány atomi felbontású képet adott a tautomerizációról, amely a 'kanonikus' oxo-amino tautomerből a 'ritka' imino formába vezet. A komputeres szimulációkban a potenciálfelületet 'menet közben' ab initio kvantumkémiai (QC) számításból nyerjük, míg az atomok a klasszikus fizika szerint mozognak. A citozin maga nem mutat tautomerizációt (túl magas gát). A monohidratált komplexet tanulmányozva, mintegy 300, véletlenszerűen indított trajektóriából (egyenként 3000 lépés, 1 fs felbontás), egyetlen esetben észleltünk víz-közvetítette tautomerizációt. A mechanizmus egy összehangolt (concerted), szinkron folyamat, amelyet a részt vevő két hidrogén közti erős csatolás jellemez. Lazán kapcsolódik a projekthez egy benzimidazol-származék rezgési spektrumának elméleti számítása. E tanulmány a laboratóriumunkban korábban kifejlesztett Skálázott Kvantummechanikai (SQM) erőtér módszerét alkalmazta, és hasznos tapasztalatként szolgálhat nitrogén-heterociklusok - mint pl. a DNS-bázisok - jövőbeni számításaihoz. QC elméleti fejlesztésként, új eredményekről számoltunk be az MR-AQCC (Multireference Averaged Quadratic Coupled-Cluster) módszerrel kapcsolatban, ami különösen a gerjesztett eletronállapotokra tervezett vizsgálatainkhoz lehet fontos. | Tautomerization of DNA bases is one of the possible mechanisms of mutations. An extensive theoretical dynamics study on cytosine has given atomic-resolution details of the tautomerization which leads from the 'canonical' amino-oxo tautomer to the 'rare' imino-oxo form. In the computer simulations the potential surface is obtained 'on the fly' from ab initio quantum chemistry (QC), with the atoms moving classically. Cytosine itself shows no tautomerization (barrier too high). Studying the monohydrated complex, of about 300 randomly started trajectories (3000 steps each, 1 fs resolution) water-mediated tautomerization was observed in one single case. The mechanism is a concerted, synchronous process characterized by strong coupling between the two participating hydrogens. Theoretical calculation of the vibrational spectrum of a benzimidazol-derivative is loosely linked with the project. This study applied the method of Scaled Quantum Mechanical (SQM) force fields developed earlier in our laboratory and gives useful experience for future calculations on nitrogen heterocycles, like the DNA bases. As a theoretical development in QC, new results have been reported on the Multireference Averaged Quadratic Coupled-Cluster (MR-AQCC) method which may be important for future investigations on excited electronic states.