Teoretické studium CH-pi interakcí mezi sacharidy a aromatickými systémy.

Bc. Radek Matuška

Master's thesis

Theoretical study of the CH-pi interactions between carbohydrates and aromatic moieties.

Abstract:

Interakce mezi cukry a proteiny hraje klíčovou roli v mnoha biologických procesech, jako jsou např. mezibuněčná komunikace, rozpoznávání hostitel-host, identifikace patogenů apod. Přesto však dosud nebyla publikována žádná jejich systematická studie na úrovni vysoce sofistikovaných kvantově-mechanických metod. Diplomová práce se zabývá výpočetní studií komplexů benzenu jako reprezentanta aromatické části aminokyselin s b-D-glukopyranosou, b-D-mannopyranosou a a-L-fukopyranosou. Pro každý cukr byly provedeny 3D relaxované skeny hyperplochy potenciální energie na úrovni SCC-DFTB-D. Interakční energie pro každý bod skenu byla opravena na úrovni DFT-D BP/def2-TZVPP a lokální minima také metodami ab initio kvantové mechaniky - MP2 a CCSD(T) v extrapolaci k úplnému systému bázových finkcí. Všechny interakční energie byly opraveny na chybu způsobenou superpozicí bázových setů (BSSE) a vizualizovány. Obdržené výsledky ukazují silně ohraničené oblasti, ve kterých jsou interakce silně přitažlivé (až -5,40 kcal/mol) a lokální, tudíž mohou rozpoznávat jednotlivé vodíky na nepolárních stranách cukerného kruhu. S postupným zvyšováním vzdálenosti benzenu a sacharidu interakční energie slábne na cca -2,50 kcal/mol ale pokrývá větší část cukru. Rovněž byly analyzovány geometrie nejstabilnějších komplexů (lokálních minim na hyperploše potenciální energie) za účeme potvrzení lokality CH-pi interakce. Bylo dosaženo výborné shody s publikovanými experimentálními výsledky. Interakční energie na úrovni CCSD(T) jednotlivých komplexů ukazují na hodnoty mezi -3,54 kcal/mol a -5,40 kcal/mol. To jsou hodnoty, pro interakce CH-pi disperzního charakteru, překvapivě vysoké, srovantelné se sílou běžné vodíkové vazby. Navíc, levnější DFT-D metoda se ukázala býti dostatečně přesným prostředkem pro popis CH-pi disperzních interakcí. Naproti tomu metoda MP2 selhává - interakční energie přeceňuje.

Abstract:

The protein-carbohydrate interactions play essential role in many biologically important processes as intercellular signalling, host-guest recognition, pathogen identification etc. Despite this fact, their systematic study by high-level quantum-mechanical methods has not been done until now. The thesis deals with the computational study of the complex of benzene as a representative of aromatic amino-acid pattern with b-D-glucopyranose, b-D-mannopyranose a a-L-fucopyranose. The 3D relaxed scans of potential energy surfaces at SCC-DFTB-D level were performed for each carbohydrate. The interaction energy of each scan gridpoint was recalculated at DFT-D BP/def2-TZVPP level and local minima were refined using high-level ab initio quantum mechanical methods - MP2 and CCSD(T) with extrapolation to infinite basis set. The interaction energies were corrected to basis set superposition error (BSSE) and visualized. Obtained results show higlhy delimited areas in which the interaction is highly attractive (up to -5.40 kcal/mol) and quite local so it can recognize specific hydrogen atoms on apolar faces of carbohydrates. Simultaneously, the interaction becomes weaker with increasing benzene-carbohydrate distance, the interaction energy remains -2.50 kcal/mol but involves larger area of the saccharide. The geometries of most stable structures of the complexes (local minima on potential energy surface) were also analyzed to confirm the locality of the CH-pi interaction. Great agreement with published experimental results was achieved. CCSD(T) refined interaction energies of the local minima structures exhibit interaction energies from -3.54 kcal/mol to -5.40 kcal/mol. These values for dispersion-driven CH-pi interactions are surprisingly comparable with interaction energies of classical hydrogen bond. Moreover, the cheaper DFT-D method was proved to be accurate enough to describe the dispersion CH-pi interactions properly. Contrary to DFT-D, the MP2 method fails, because it generally overestimates the interaction energy of dispersion interaction.

Keywords

Cukry, benzen, CH-pi interakce, DFT-D, CCSD(T), MP2, disperzní interakce, molekulární rozpoznávání, 3D sken. Carbohydrates, benzene, CH-pi interactions, dispersion interactions, molecular recognition, 3D scan.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 2. 5. 2011

Thesis defence

• Date of defence: 16. 6. 2011
• Supervisor: prof. RNDr. Jaroslav Koča, DrSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Chemistry / Structural Chemistry