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