Parametrizace metody EEM pro výpočet nábojů v proteinech

Mgr. Alžběta Türková

Bachelor's thesis

Parametrization of EEM Approach for Calculation of Charges in Proteins

Abstract:

Parciální atomové náboje jsou reálná čísla, která popisují rozložení elektronové hustoty na atomech v rámci molekuly. Nelze je přímo určit pomocí experimentálních metod, neboť atomové náboje nejsou fyzikálně pozorovatelné veličiny. Jsme tedy odkázáni na jejich výpočet pomocí metod teoretické chemie. Tyto metody se formálně dělí do dvou skupin. Kvantově mechanické ab-initio metody poskytují přesné výsledky, ale jejich plné využití v praxi je omezeno výpočetní a časovou náročností. Tento přístup lze navíc uplatnit pouze pro malé molekuly skládající se maximálně z několika desítek atomů. Empirické metody jsou přijatelnou alternativou k časově náročným ab-initio metodám. Pro jejich využití je ale nutno znát empirické parametry. Tato bakalářská práce je zaměřena na parametrizaci metody EEM (Electronegativity Equalization Method) pro výpočet atomových nábojů v proteinech. Konkrétně byla v rámci práce provedena parametrizace EEM metody pro pět typů ab-initio nábojů. Tyto referenční náboje byly vypočítány kombinací dvou úrovní teorie (Hartree-Fock a B3LYP), dvou bázových sad (STO-3G, 6-31G*) a dvou nábojových distribučních schémat (MPA a NPA). Čtyři z celkových pěti sad EEM parametrů dosáhly vysoké kvality (R2 > 0.97). Stejný postup byl posléze aplikován na komplexy proteinů se zinkem. Byly vytvořeny dvě kvalitní sady EEM parametrů pro zinek (R2 > 0.96). Na závěr byly podrobně analyzovány a diskutovány některé aspekty týkající se metody EEM.

Abstract:

Partial atomic charges are real numbers that describe distribution of electronic density in the atoms within a molecule. They cannot be directly measured via experimental methods, because atomic charges are not physically observable quantities. Therefore, we have to rely on their calculation using methods of theoretical chemistry. These methods are formally divided into two branches. Quantum mechanical ab-initio methods provide exact results, but their full applicability is limited by both computational and time demands. Furthermore, this approach can be applied only for small molecules counting a maximum of tens of atoms. Empirical methods are acceptable alternative to the time consuming ab-initio methods. However, it is necessary to know empirical parameters. This bachelor thesis is focused on parametrization of EEM approach for calculation of atomic charges in proteins. Specifically, parametrization of EEM approach for five types of ab-initio charges was performed. These reference charges were calculated using combination of two theory levels (Hartree-Fock and B3LYP), two basis sets (STO-3G and 6-31G*) and two population analysis (MPA and NPA). Four out of the sets of EEM parameters reached high quality (R2 > 0.97). The same procedure was subsequently applied to the proteins complexed with zinc. Thus the two quality sets of EEM parameters for zinc were created (R2 > 0.96). In conclusion, several aspects of EEM method were thoroughly analyzed and discussed.

Keywords

EEM, ab-initio, parciální atomové náboje, kvantová mechanika, empirické metody, metaloproteiny, partial atomic charges, quantum mechanics, empirical methods, metalloproteins

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 5. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 19. 6. 2015
• Supervisor: RNDr. Stanislav Geidl
• Reader: doc. RNDr. Radka Svobodová Vařeková, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Bachelor programme / field:
Biochemistry / Chemoinformatics and Bioinformatics