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Theoretical and computationalphysical chemistry group 1 Simulazioni su scala atomica di biomolecole. Andrea Amadei Massimiliano Aschi Alfredo Di Nola Gruppo.

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1 Theoretical and computationalphysical chemistry group 1 Simulazioni su scala atomica di biomolecole. Andrea Amadei Massimiliano Aschi Alfredo Di Nola Gruppo di Chimica Fisica Teorica e Computazionale

2 Theoretical and computationalphysical chemistry group 2 Simulazioni Molecolari Perche’ ?Perche’ ? Come ?Come ?

3 Theoretical and computationalphysical chemistry group 3 Perche’ ?Perche’ ? Fenomeno Interpretazione Modello Proprieta’ non ‘misurabili’

4 Theoretical and computationalphysical chemistry group 4 Come ?Come ? Sistema Molecolare Coordinate ‘classiche’ (Osservabili ‘classiche’: Struttura, Transizioni Conformazionali) Modelli classici F = m a Proteine, DNA, polimeri ( atomi) Coordinate ‘quantistiche’ (Osservabili ‘quantistiche’: Struttura elettronica, Proprieta’ Spettroscopiche, Reazioni chimiche) Modelli quantistici Ĥ  E  Ĥ  E  Molecole in vuoto (100 atomi)

5 Theoretical and computationalphysical chemistry group 5 Modellizzazione di proprieta’ elettroniche in sistemi complessi -Proprieta’ spettroscopiche in sistemi enzimatici (assorbimento, fluorescenza, NMR) - Modellizzazione di reazioni biochimiche

6 Theoretical and computationalphysical chemistry group 6 Metodo della Matrice Perturbata (PMM) (M. Aschi, R. Spezia, A. Di Nola, A. Amadei Chem. Phys. Lett. 344 (2001) 374.) F = m a Ĥ c =E c

7 Theoretical and computationalphysical chemistry group 7 Applicazioni Proprieta’ spettroscopicheProprieta’ spettroscopiche nella deossi-Mioglobina Modellizzazione delModellizzazione del Trasferimento di elettrone nella Cu-Zn SOD

8 Theoretical and computationalphysical chemistry group ammino acidi 8  -eliche Mioglobina

9 Theoretical and computationalphysical chemistry group 9 Gruppo prostetico: Fe(II)-porfirina- imidazolo lega reversibilmente piccole molecole O2, NO, CO Domanda: la mioglobina influenza e come le proprieta’ elettroniche del suo centro prostetico ?

10 Theoretical and computationalphysical chemistry group 10 Riproduzione dell’osservabile : spettro UV Dinamica Molecolare classica: 80 ns di simulazione della deossi-Mioglobina in acqua Proprieta’ elettroniche del gruppo prostetico: Calcoli quantomeccanici dei primi 8 stati elettronici Applicazione del PMM: La traiettoria classica si ‘accoppia’ con il calcolo quantistico

11 Theoretical and computationalphysical chemistry group 11 Traiettoria della prima eccitazione ( ) ave = 826 nm ave = 826 nm  ( ) = 11 nm Exp  900 nm d   * in vuoto in vuoto =780 nm =780 nm * Lim M., et al., J. Phys. Chem. 1996, 100, 12043

12 Theoretical and computationalphysical chemistry group 12 Aspetti ‘non misurabili’

13 Theoretical and computationalphysical chemistry group 13 eig 2 eig 1 His(97) Lys(96) Lys(96) His(97) His(64)

14 Theoretical and computationalphysical chemistry group 14 *Handbook of metalloproteins. Volume 1, John Wiley ans Sons, Inc., 1990 I residui invarianti*

15 Theoretical and computationalphysical chemistry group 15

16 Theoretical and computationalphysical chemistry group 16 Problema ! Calcoli di struttura elettronica mostrano che e’ una reazione ‘impossibile’

17 Theoretical and computationalphysical chemistry group 17 Dinamica Molecolare (17 ns) del dimero in acqua.Dinamica Molecolare (17 ns) del dimero in acqua. Calcoli quantistici del centro di reazione in vuoto.Calcoli quantistici del centro di reazione in vuoto. Calcoli PMM per accoppiare MD e QM.Calcoli PMM per accoppiare MD e QM.

18 Theoretical and computationalphysical chemistry group 18 Coordinata di reazioneCoordinata di reazione

19 Theoretical and computationalphysical chemistry group 19 Energia libera di reazione In vuoto In SOD

20 Theoretical and computationalphysical chemistry group 20 Controllo del trasferimento di elettrone Dipolo elettrico lungo la coordinata di reazione Dipolo elettrico di riferimento con la carica negativa sullo ione superossido

21 Theoretical and computationalphysical chemistry group 21 In vuoto In SOD Non c’e’ movimento di carica dallo ione superossido al rame

22 Theoretical and computationalphysical chemistry group 22 Abbiamo analizzato altre coordinate di reazione La proteina, grazie alle sue fluttuazioni conformazionali, esercita una forte attivita’ catalitica rendendo possibile la reazione

23 Theoretical and computationalphysical chemistry group 23 CONCLUSIONI Lo sviluppo informatico, ma soprattutto teorico, ci permette oggi di applicare modelli avanzati per simulare proprieta’ spettroscopiche e chimiche di 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……)

24 Theoretical and computationalphysical chemistry group 24 Ringraziamenti Andrea Amadei Alfredo Di Nola, Riccardo Spezia, Costantino Zazza, Maira D’Alessandro, Marco D’Abramo, Cecilia Bossa


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