Parciální atomové náboje peptidů

Mgr. Ondřej Schindler

Advanced ('rigorózní') thesis

Partial atomic charges of peptides

Abstract:

Parciálních atomové náboje našly své uplatnění v mnoha odvětvích chemie. Jejich koncept totiž vhodně aproximuje komplikovanou elektronovou hustotu na sadu reálných čísel. Své uplatnění náboje našly zejména v počítačové chemii, chemoinformatice, bioinformatice a nanovědách. Nejpřesnější parciální atomové náboje jsou vypočítány přímo na základě elektronové hustoty, získané pomocí kvantové mechaniky. Naneštěstí je ale tento proces extrémě výpočetně náročný, zejména pak pro velké molekuly. Z tohoto důvodu bylo za posledních 50 let vyvinuto mnoho empirických metod, které počítají parciální atomové náboje za nesrovnatelně kratší čas. Tyto metody využívají pouze souřadnice atomů a případně informace o vazbách mezi nimi. Empirické metody musí projít procesem parametrizace, kdy jsou hledány takové parametry, s jejichž použitím se výsledné empirické parciální náboje co nejvíce podobají těm z kvantové chemie. Problém parametrizace zejména sofistikovanějších empirických metod na homogenních sadách molekul je ale taktéž výpočetně náročný a stále ne zcela vyřešený. Z tohoto důvodu bylo jen několik empirických metod parametrizováno pro peptidy. V této práci je nejdříve vyvinuta rychlejší univerzální technika pro parametrizaci empirických metod Optimized Guided Minimization. Následně je zavedena empirická metoda Split-Charge Equilibration with parameterized initial charges, která v kombinaci s novým atomovým typem Bonded Atoms reprodukuje kvantově mechanické náboje výrazně lépe než dosud publikované modely.

Abstract:

Partial atomic charges have found their application in many fields of chemistry. Their concept suitably approximates the complicated electron density to a set of real numbers. In particular, they have found their application in computational chemistry, chemoinformatics, bioinformatics and nanoscience. The most accurate atomic charges are obtained directly from the electron density using the apparatus of quantum chemistry. Unfortunately, this process is extremely computationally expensive, especially for large molecules. For this reason, many empirical methods have been developed over the last 50 years that calculate partial atomic charges in much shorter time. These methods use only the coordinates of the atoms and occasionally information about the bonds between them. Empirical methods have to go through a process of parameterization, where parameters are searched for such that the resulting empirical partial charges are as close as possible to those from quantum chemistry. However, the problem of parameterization, especially in the case of more sophisticated empirical methods and homogeneous sets of molecules, is also computationally challenging and still not fully solved. For this reason, only a few empirical methods have been parameterized for peptides. In this paper, a faster general-purpose technique developed for parameterizing empirical methods, Optimized Guided Minimization, is first presented. Subsequently, the empirical method Split-Charge Equilibration with parameterized initial charges is introduced. This method, in combination with the new atomic type Bonded Atoms, reproduces quantum mechanical charges significantly better than previously published models.

Keywords

parciální atomové náboje, peptidy, empirické metody, EEM, QEq, EQEq, SQE, SQE+q0, SQE+qp, parametrizace, Optimized Guided minimization

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 10. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 3. 12. 2021
• Reader: doc. RNDr. David Šafránek, Ph.D., prof. Mgr. Daniel Svozil, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Advanced ('rigorózní řízení') programme / field:
Biochemistry / Biochemistry