Simulazioni su scala atomica di biomolecole. Andrea Amadei Massimiliano Aschi Alfredo Di Nola Gruppo di Chimica Fisica Teorica e Computazionale

Simulazioni Molecolari Perche’ ? Come ?

Proprieta’ non ‘misurabili’ Perche’ ? Fenomeno Modello Interpretazione Proprieta’ non ‘misurabili’

Come ? Sistema Molecolare Coordinate ‘classiche’ Modelli classici (Osservabili ‘classiche’: Struttura, Transizioni Conformazionali) Coordinate ‘quantistiche’ (Osservabili ‘quantistiche’: Struttura elettronica, Proprieta’ Spettroscopiche, Reazioni chimiche) Modelli classici F = m a Modelli quantistici Ĥ Y = E Y Molecole in vuoto (100 atomi) Proteine, DNA, polimeri (100000 atomi)

Modellizzazione di proprieta’ elettroniche in sistemi complessi Proprieta’ spettroscopiche in sistemi enzimatici (assorbimento, fluorescenza, NMR) - Modellizzazione di reazioni biochimiche

Metodo della Matrice Perturbata (PMM) (M. Aschi, R. Spezia, A 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

Proprieta’ spettroscopiche nella deossi-Mioglobina Applicazioni Proprieta’ spettroscopiche nella deossi-Mioglobina Modellizzazione del Trasferimento di elettrone nella Cu-Zn SOD

Mioglobina 153 ammino acidi 8 -eliche

Domanda: la mioglobina influenza e come 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 ?

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

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

Aspetti ‘non misurabili’

His(97) Lys(96) Lys(96) His(97) His(64) eig 1 Lys(96) Lys(96) His(97) eig 2 His(64)

I residui invarianti* *Handbook of metalloproteins. Volume 1, John Wiley ans Sons, Inc., 1990

Problema ! Calcoli di struttura elettronica mostrano che e’ una reazione ‘impossibile’

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

Coordinata di reazione

Energia libera di reazione In vuoto In SOD

Controllo del trasferimento di elettrone Dipolo elettrico di riferimento con la carica negativa sullo ione superossido Dipolo elettrico lungo la coordinata di reazione

In vuoto Non c’e’ movimento di carica dallo ione superossido al rame In SOD

La proteina, grazie alle sue Abbiamo analizzato altre coordinate di reazione La proteina, grazie alle sue fluttuazioni conformazionali, esercita una forte attivita’ catalitica rendendo possibile la reazione

Lo sviluppo informatico, ma soprattutto teorico, 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……)

Ringraziamenti Andrea Amadei Alfredo Di Nola, Riccardo Spezia, Costantino Zazza, Maira D’Alessandro, Marco D’Abramo, Cecilia Bossa