theoretical and computationalphysical chemistry group 1 simulazioni su scala atomica di biomolecole....
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Theoretical and computational physical chemistry group
Simulazioni su scala Simulazioni su scala atomica di biomolecole.atomica di biomolecole.
Andrea Amadei
Massimiliano Aschi
Alfredo Di Nola
Gruppo di Chimica Fisica Teorica e Computazionale
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Theoretical and computational physical chemistry group
Simulazioni MolecolariSimulazioni Molecolari
•Perche’ ?Perche’ ?
•Come ?Come ?
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•Perche’ ?Perche’ ?
FenomeFenomenono
InterpretazioneInterpretazione
ModelloModello
Proprieta’ non ‘misurabili’Proprieta’ non ‘misurabili’
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•Come ?Come ?Sistema Sistema
MolecolareMolecolareCoordinate Coordinate ‘classiche’‘classiche’
(Osservabili ‘classiche’:(Osservabili ‘classiche’:
Struttura, Transizioni Struttura, Transizioni Conformazionali)Conformazionali)
Modelli Modelli classiciclassici
FF = = mm a a
Proteine, DNA, polimeriProteine, DNA, polimeri
(100000 atomi)(100000 atomi)
Coordinate ‘quantistiche’Coordinate ‘quantistiche’
(Osservabili ‘quantistiche’:(Osservabili ‘quantistiche’:
Struttura elettronica, Struttura elettronica,
Proprieta’ Spettroscopiche,Proprieta’ Spettroscopiche,
Reazioni chimiche)Reazioni chimiche)
Modelli quantisticiModelli quantistici ĤĤ E E
Molecole in vuotoMolecole in vuoto
(100 atomi)(100 atomi)
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Modellizzazione di proprieta’ Modellizzazione di proprieta’ elettroniche in sistemi elettroniche in sistemi
complessi complessi
-Proprieta’ spettroscopiche in sistemi enzimaticiProprieta’ spettroscopiche in sistemi enzimatici(assorbimento, fluorescenza, NMR)
- Modellizzazione di reazioni biochimiche
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Metodo della Matrice Perturbata Metodo della Matrice Perturbata (PMM)(PMM)(M. Aschi, R. Spezia, A. Di Nola, A. Amadei Chem. Phys. Lett. 344 (2001) 374.)(M. Aschi, R. Spezia, A. Di Nola, A. Amadei Chem. Phys. Lett. 344 (2001) 374.)
FF = = mm a a
ĤĤ c =E c c =E c
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ApplicazioniApplicazioni
•Proprieta’ spettroscopicheProprieta’ spettroscopiche
nella deossi-Mioglobinanella deossi-Mioglobina
•Modellizzazione del Modellizzazione del
Trasferimento di elettrone nellaTrasferimento di elettrone nella
Cu-Zn SODCu-Zn SOD
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153 ammino acidi 153 ammino acidi 8 8 -eliche-eliche
MioglobinaMioglobina
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Gruppo prostetico: Gruppo prostetico: Fe(II)-porfirina-Fe(II)-porfirina-
imidazolo imidazolo lega reversibilmente lega reversibilmente piccole molecole O2, piccole molecole O2,
NO, CONO, CO
Domanda: la mioglobina influenza e comeDomanda: la mioglobina influenza e comele proprieta’ elettroniche del suo centrole proprieta’ elettroniche del suo centro
prostetico ?prostetico ?
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Riproduzione dell’osservabile : spettro Riproduzione dell’osservabile : spettro UVUV
Dinamica Molecolare classica:Dinamica Molecolare classica:
80 ns di simulazione della deossi-Mioglobina in acqua80 ns di simulazione della deossi-Mioglobina in acqua
Proprieta’ elettroniche del gruppo prostetico:Proprieta’ elettroniche del gruppo prostetico:
Calcoli quantomeccanici dei primi 8 stati elettroniciCalcoli quantomeccanici dei primi 8 stati elettronici
Applicazione del PMM:Applicazione del PMM:
La traiettoria classica si ‘accoppia’ con il calcolo quantisticoLa traiettoria classica si ‘accoppia’ con il calcolo quantistico
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Traiettoria della prima eccitazione ()
aveave= 826 nm= 826 nm(() = 11 nm) = 11 nm
Exp Exp 900 900 nm d nm d **
in vuotoin vuoto=780 nm=780 nm
* * Lim M., et al., Lim M., et al., J. Phys. ChemJ. Phys. Chem.. 1996 1996, 100, 12043, 100, 12043
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Aspetti ‘non misurabili’Aspetti ‘non misurabili’
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eig 2
eig 1
His(97)His(97)
Lys(96)Lys(96)
Lys(96)Lys(96)
His(97)His(97)
His(64)His(64)
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*Handbook of metalloproteins*Handbook of metalloproteins. Volume 1, John Wiley ans Sons, Inc., . Volume 1, John Wiley ans Sons, Inc., 19901990
I residui I residui invarianti*invarianti*
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222
2
222
2 OHCuHOCu
OCuOCu
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Problema !Problema !
222 OCuOCu
Calcoli di struttura elettronicaCalcoli di struttura elettronica
mostrano che e’ una mostrano che e’ una
reazione ‘impossibile’reazione ‘impossibile’
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• Dinamica Molecolare (17 ns) Dinamica Molecolare (17 ns) del dimero in acqua.del dimero in acqua.
• Calcoli quantistici del centro di Calcoli quantistici del centro di reazione in vuoto.reazione in vuoto.
• Calcoli PMM per accoppiare MD Calcoli PMM per accoppiare MD e QM.e QM.
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•Coordinata di reazioneCoordinata di reazione
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2OCu
Energia libera di reazione
In vuoto
In SOD
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Controllo del trasferimento di elettrone
bref
)(
Cu
Dipolo elettrico lungo la coordinata di reazione
Dipolo elettrico di riferimento con la carica negativa sullo
ione superossido
2O
2OCu Cu
2O
b
b
b
q q
00
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In vuotoIn SOD
Non c’e’ movimento di carica dallo ione
superossido al rame
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Abbiamo analizzato altre coordinate di reazione
La proteina, grazie alle sue
fluttuazioni conformazionali, esercita una
forte attivita’ catalitica rendendo
possibile la reazione
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CONCLUSIONI
Lo sviluppo informatico, ma soprattutto teorico,ci permette oggi di applicare modelli avanzati
per simulare proprieta’ spettroscopiche e chimichedi sistemi molecolari complessi. Questo, oltre che da un punto di
vista accademico-culturale, puo’ indurre un miglioramento dei modelli attualmente usati per
problematiche piu’ ‘applicative’ (azione di farmaci, meccanismi
enzimatici……)
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Ringraziamenti
Andrea Amadei
Alfredo Di Nola, Riccardo Spezia, Costantino Zazza, Maira D’Alessandro,
Marco D’Abramo, Cecilia Bossa