Na različnih ravneh

Na različnih ravneh

A. A. Vakulka
"Kemija in življenje" številka 11, 2013

Tisti, ki raziskujejo živi sistem, razlikujejo eksperiment in vivo in in vitro: z vsemi živimi bitji in steklom, v ruski – v epruveti, zunaj telesa. Zdaj so dodali novo metodo znanja: eksperiment v silico, to je "v silicij", iz katerega so narejeni računalniški čipi. V biokemiji je to postalo mogoče zaradi dosežkov dobitnikov Nobelove nagrade za kemijo iz leta 2013. Prejeli so ga Martin Karplus, Michael Levitt in Arieh Varshel, ker so postavili temelje za modeliranje kompleksnih kemijskih sistemov, vključno z biomolekulami, s klasičnimi in kvantno mehanskimi metodami.

Zdaj se zdi kombinacija klasičnih in kvantnih pristopov standardna, toda sedanji nobelovski nagrajenci so jih prvič združili z uporabo obeh metod za izračun enega sistema. Avtorji priljubljenega sporočila za javnost na Nobelovi nagradi so to ponazorili z zabavnimi slikami: na prvem Newtonu (klasična mehanika) vrže jabolko v Schrödingerjevo mačko (kvantna mehanika), na drugi pa mačka sedi na Newtonovem naročju, odprto polje stoji pod jabolčno drevo in vsi so srečni.

Kakšna je bila kompleksnost hkratne uporabe klasičnih in kvantnih pristopov? Modeli, ki opisujejo molekule, ki uporabljajo klasično mehaniko,upoštevajte atome in skupine atomov kot celote – imajo veliko manj svobode in jih je lažje izračunati z uporabo računalnika … Kvantno-kemični modeli opisujejo elektrone in jedre posebej, kar daje toliko možnosti, da najmočnejši računalniki lahko izračune izvajajo samo za preproste molekule. Nobelov nagrajenci so razvili kombinirani pristop, v katerem je osrednji del sistema opisan s kvantnimi kemičnimi metodami, preostali pa s klasičnimi zakoni, ki sta fizično povezani.

Zmaga pragmatizma

V.V. Rybkin,
Kandidat kemijskih znanosti,
Karlsruhe University of Technology

Ne vem, kako so strokovne skupnosti letos sprejele Nobelovo nagrado za fiziko, vendar lahko zagotovo rečem, da se skupnost "teoretičnih in računalniških kemikov" nanaša na nagrado Martin Karplus, Michael Levitt in Arie Varshel, dvoumno. Po eni strani je lepo, da so teoretiki dobili nagrado, to se zgodi redko (zadnjič leta 1998 ga je Walter Kohn prejel za razvijanje teorije funkcionalnosti gostote in John Popl za razvoj računskih metod kvantne kemije).Po drugi strani pa mnogi menijo, da večstopenjsko modeliranje s klasično mehaniko ni zelo resno. Ne tako dolgo nazaj je na evropski poletni šoli za kvantno kemijo eden od profesorjev dobesedno povedal: "Devetdeset odstotkov takih izračunov je nesmisel." Malo ljudi to izgovarja glasno, to pa ne pomeni, da ne mislijo tako.

V sporočilih za javnost so večkrat napisali, da sta Karplus, Levitt in Varshel prijatelja z Newtonom in Schrödingerjem, ki sta v svojih izračunih združili klasično in kvantno mehaniko. Vendar pa pravzaprav ne morete ustvariti prijateljev: enega ali drugega. In v resnici, seveda, Schrödinger – to je za izračun kemičnih transformacij, je treba uporabiti kvantno mehaniko: načelo negotovosti, verjetnostni valovi, tuneliranje itd. Ker molekule niso kroglasti atomi, ki so povezani s paličastimi vezmi, a veliko bolj zapleteni predmetov. Znanost je to dejstvo vzpostavila že davno in zdi se, da je naredil korak naprej, a nenadoma 40 let po odkritju kvantne mehanike se ponovno pojavlja Newton. Zato je delo Nobelovih nagrajencev v kemiji leta 2013 korak nazaj z vidika natančne fizične teorije.In nekateri puristi iz števila teoretičnih kemikov.

Na splošno teoretična kemija bistveno odraža izjavo angleškega teoretičnega fizika Paula Diraca: "Osnovni fizični zakoni, ki so potrebni za konstruiranje matematične teorije večine fizike in vse kemije, so popolnoma znani, težava je v tem, da natančna uporaba teh zakonov vodi do enačbe. " Glavna zasedba teoretičnih kemikov je poenostavitev teh "preveč zapletenih enačb", hkrati pa ohranja ravnovesje med natančnostjo in razpoložljivostjo. Zato se ukvarjajo z modeli, ki med drugim uporabljajo klasično fiziko.

Dve vilici

Razmerje med "klasičnim" in "kvantnim" v teoretičnem modeliranju je nekoliko bolj zapleteno, kot je bilo napisano v popularnih izdajah o Nobelovi nagradi. To razmerje ima vsaj dve dimenziji (glej diagram).

Metode molekularnega modeliranja

Najprej pojasnimo izraze: molekule ne sestavljajo atomov, temveč jeder in elektronov. Gibanje jeder določa geometrijsko obliko molekul in je na koncu odgovorno za kemijske reakcije, zato jedro pogosto še naprej imenujemo atomi.Skoraj vsaka teorija kaže, da se jedro in elektroni v določenem približku (znano kot približek Born-Oppenheimerja) premikata ločeno. Jedrci se počasi premikajo, elektroni pa za trenutek preurejajo za njimi – pravzaprav sledijo jedrom. Hkrati se obe in drugi ne premikajo neodvisno drug od drugega: skupna energija elektrona služi kot potencialna energija jeder. To pomeni, da je interakcija jeder med seboj določena z elektroni. Zato, da bi rešili problem gibanja jeder, morate najprej rešiti problem gibanja elektronov. Interakcija med jedri (in ne samo) se imenuje potencialna energija jedra ali pa le potencial. To besedo bomo uporabili v prihodnosti.

Tu se pojavi prva "kvantno-klasična" vilka: kako izračunati interakcijo med jedri? Lahko iskreno rešite kvantni elektronski problem (izračun potencialnega "kvanta") ali pa ga nadomestite z nekaterim klasičnim potencialom: zamislite, da jedro med seboj komunicirajo kot uteži na vzmeti, kot točkovne obremenitve itd. Parametri takega polja sile so običajno določeni ki temelji na eksperimentalnih podatkih.Kvantna kemija je vključena v reševanje elektronskega problema, molekularna mehanika pa se ukvarja s klasičnimi potenciali.

Po opredelitvi potenciala se znajdemo na drugem križišču: kako ravnati z jedri kot klasičnimi ali kot kvantnimi objekti? Obstajata dve smeri: kvantna dinamika jeder in klasična dinamika, znana tudi kot molekularna dinamika. Pojdili boste na desno – izgubili boste natančnost, na levi – preprostost.

Zdaj nazaj v shemo. Vse, kar je povezano s klasičnim potencialom (s silami namesto elektronov), se imenuje molekularna mehanika (MM). MM je v nasprotju z metodami kvantne kemije, ki se ukvarja predvsem z elektroni in s pomočjo katerih dobijo kvantni potencial. Vse, kar je povezano s klasičnim (po Newtonovem) jedrskem gibanju, se imenuje molekularna dinamika (MD): MD s silami se ponavadi imenuje klasični MD, s kvantnim potencialom pa semi-klasični MD. Ni specifičnega imena za kvantno jedrsko dinamiko. To pravijo: kvantna jedrska dinamika. Tako je polje molekularnega modeliranja mogoče razdeliti na štiri kvadrate:

  1. klasična jedra – klasični potencial (klasični MD),
  2. kvantna jedra – klasični potencial (kvantna dinamika v klasičnem potencialu),
  3. klasična jedra – kvantni potencial (semiklasični MD),
  4. kvantno jedro – kvantni potencial (ne-empirična kvantna dinamika).

Hkrati se kompleksnost konceptov in izračunov poveča od leve proti desni in od spodaj navzgor. Dodate lahko tudi tretjo dimenzijo – če je molekula razdeljena na odseke, potem bo vsaka od njih opisana različno. Aktivno središče encima je na primer opisano z natančnejšim modelom, ostalo pa manj natančno. Načeloma je mogoče združiti vse štiri kvadrate, običajno pa teoretični kemiki uporabljajo dva levega, tako imenovane metode QM / MM (kvantna mehanika / molekularna mehanika). Te metode bi lahko imenovali – semiklasični MD / klasični MD. Toda kemiki, tudi teoretični, nimajo vedno strogega in enotnega pristopa do terminologije.

Od dveh zločinov

Ena od glavnih značilnosti katerega koli modela je njegova natančnost. Kako so stvari točne v naših kvadratih? Zbrane izkušnje kažejo, da gibanje jeder ni vedno, ampak v celoti je dobro opisano s klasičnimi trajektorijami: navsezadnje so jedra podobna krogelam, le malo zamegljene, razmazane v vesolju. Ključna beseda je "podobna" in ne ravno podobna.Tako so klasična jedra primerna za kvalitativni opis molekul, vendar je nemogoče doseči kemično natančnost (primerljivo z eksperimentom) z uporabo molekularne dinamike.

Kar se tiče klasičnih potencialov – polja sile, niso zasnovane za visoko natančnost. Ideja za predstavitev interakcije med jedri v obliki preproste matematične formule že pomeni pomembno napako. Tukaj je primer. Sprejmemo eksperimentalne podatke (recimo, vibracijski spekter molekule) in s standardnimi postopki na njih dobimo parametre polja sile. In zdaj, z uporabo tega sila polja, teoretično izračunamo isti vibracijski spekter. Izkazalo se bo, da bo drugačna, čeprav bo močno podobna prvotnemu. Za preprostost sem moral natančno plačati. Poleg tega, ker so polja empirična, so rezultati v veliki meri odvisni od kakovosti eksperimentalnih podatkov in pomembnosti polja do predmeta študija. Torej polja, ustvarjena za biomolekule, ne bodo dale zanesljivih rezultatov, recimo, za rešitve elektrolitov.

Tako so vsi kvadrati, razen popolnoma kvantni, metode za polkvantitativne ali celo kvalitativne izračune.In samo kvantna dinamika s kvantnim potencialom je na voljo kemijska natančnost.

Poleg natančnosti pa pogosto govorijo o napovedni moči modela. Zdi se, da je v našem primeru enako: natančni rezultati – natančne napovedi. Kljub temu so izračuni visoke natančnosti tako zapleteni, da so raziskovalci z uporabo sodobnih superračunalnikov v najboljšem primeru prisiljeni omejiti sisteme več deset atomov. In to pomeni, da je napovedna moč natančnih kvantnih modelov za kompleksne kemične sisteme (biomolekule, raztopine, polimere itd.) Dejansko nič. Treba je izbrati ne med točnimi in netočnimi izračuni, temveč med tem, da vsaj vsaj nekako razmišljamo ali ne. Za vadbo kemikov je odgovor očiten: štetje. In tukaj je QM / MM morda najboljša stvar v njihovem praktičnem orodju.

Pragmatični Nobelov odbor

Nobelova nagrada je bila podeljena le za QM / MM, molekularno dinamiko in klasična sila. To pomeni, za celotno polje vezja, razen za visoko precizne kvantne metode. To zbuja veliko teoretikov, ki so prepričani, da so vse preveč približne metode začasne (ali celo zle).Da bo prej ali slej prišel ta čudovit čas, ko ne bodo niti kroglice, niti palice in vsi bodo uporabljali samo stroge kvantne pristope – krono teoretične misli v kemiji. Vendar pa je Nobelovo komisijo napovedalo, da je krona poenostavljena in bolj pragmatične metode.

Priznati moram, da je šlo vse na to. Kvantna dinamika je odlična, vendar je njegova razširjena uporaba dimna perspektiva v daljni prihodnosti. Kot je napisal klasik: "Samo škoda, niti jaz niti ti ne boš moral živeti v tem čudovitem času." Medtem pa so izračuni QM / MM postali bolj priljubljeni, njihovi rezultati so bolj zahtevni od rezultatov strogih kvantnih izračunov. Pridobijo jih lahko za splošne kemijske revije, kot so Angewandte chemie ali JACS (Journal of American Chemical Society). Izračuni bioloških sistemov s pomočjo QM / MM, čeprav niso zelo natančni (ali celo zelo netočni), so bolj zanimivi kot kvantna dinamika – točni, vendar veljajo le za majhne in pogosto dobro proučevane molekule. In v tem, seveda, obstaja pragmatična logika kemične skupnosti: še naprej razmišlja o svoji eksperimentalni znanosti in zahteva od teorije ne toliko natančnosti in pojmovne novosti kot dostopnost in ustreznost trenutnim problemom.

Glavne kvantne kemijske metode, ki so jih postavili Walter Cohn in John Pople, za katerega je leta 1998 prejel Nobelovo nagrado. In sama kvantna kemija je izhajala iz kvantne mehanike, ki se je razvila v prvi tretjini XIX. Stoletja in je bila označena s petimi Nobelovimi nagradami od leta 1918 do 1933 (leta 1933 sta jo prejeli Erwin Schrödinger in Paul Dirac).

Vendar se lahko šteje, da se ta zgodba začne leta 1869, ko je Jan Diederick van der Waals naredil pomembno odkritje – pokazal obstoj šibkih interatomskih in intermolekularnih interakcij, ki se pojavljajo med trenutnimi ali indukcijskimi dipoli. Zahvaljujoč njemu so te šibke sile opozorile znanstvenike – po vrstnem redu le nekaj deset tisoč džulov na mol molekule (za primerjavo, vezavna energija v molekuli O2 petnajstkrat več). Potenciali interakcije molekul, ki jih je dobil van der Waals in Coulombov elektrostatični potencial, sta leta 1946 uporabljali tri skupine znanstvenikov, ki so ustvarili prve algoritme za modeliranje molekularnih sistemov. Vodja je bila skupina Frank Westhimer, ki je poskušala uporabiti določene veje fizike (elektrostatiko in statistično mehaniko) organskim molekulam.

Vse te študije so pripeljale do razumevanja, kako določiti potencial intermolekularne interakcije, in pojav računalnikov je omogočil, da se ta smer še naprej razvija. Norman Ellinger velja za pionirja računalniške kemije (računalniška kemija), saj je bil prvi, ki je ustvaril algoritem in napisal prve računalniške programe za optimizacijo strukture molekul. Tako so nastale metode MM (molekularna mehanika). V njih se atomi vzamejo kot točkovne mase, program pa išče najmanjšo potencialno energijo za različne lokacije teh točkovnih točk v prostoru, izbere dolžino vezi, kotne zveze, torzijske kotnike, konstante trdnosti vez, delne vrednosti polnjenja in parametre Van-der-Waals.

Poseben interes je uporaba metod molekularne mehanike za biološko aktivne organske molekule, na primer proteine. Molekulska masa nekaterih od njih je na milijone enot atomske mase – na primer molekula titana, ki igra pomembno vlogo pri krčenju striženih mišic. Očitno je preučevanje strukture proteinov prednostna naloga. Z uporabo algoritmov Westheimerja in Ellingerja, je druga skupina znanstvenikov (George Nemety in Harold Sheraga) začela študirati proteinske molekule.Kot že omenjeno, metode molekularne mehanike delujejo na principu iskanja najmanjše energije. Po tem, ko je našel strukturo, ki ustreza takšni minimalni energiji, program definira kot najbolj verjeten. Naslednji korak je uporaba metod kvantne mehanike za izračun intermolekularnih in intramolekularnih potencialov. Na tem področju je delal Nobelov nagrajenec Arieh Varshel. Z razvojem metode sile je imel prednost pri Shneiru Lifsonu (dosledno polje sile, CFF), ki temelji tudi na iskanju najmanjše potencialne energije sistema atomov.

Arieh Varshel se je rodil leta 1940 v Obvezni Palestini. Uspel je vojno in ko je prišel do kapitana, je leta 1966 vstopil na Univerzo Technion v Haifi. Po doktoratu leta 1969 je Varšel prišel v laboratorij Martin Karplus na Univerzi Harvard, da bi opravil postdoktorsko prakso. Od leta 1976 dela na Univerzi v Južni Kaliforniji, kjer je leta 1984 postal profesor. Njegovi glavni raziskovalni interesi so uporaba računskih metod za določitev strukturne funkcije bioloških molekul.

Martin Karplus se je rodil leta 1930 na Dunaju, leta 1938 pa se je preselil z mamo in brati v Združene države, ki so bežali od nacistov.Leta 1951 je diplomiral na Harvard College, leta 1953 pa je doktoriral na Kalifornijskem tehnološkem inštitutu, kjer je delal z dvostranskim Nobelovim nagrajencem Linusom Paulingom. Morda je bil Pauling, ki je imel velik vpliv na zgodnja dela Karplusa.

Med skupnim delom v zgodnjih sedemdesetih letih 20. stoletja sta Varshel in Karplus sodelovala pri modeliranju molekul z velikim številom konjugiranih večkratnih vezi.

Napisali so program, ki bi lahko izračunal spektre podobnih molekul in je bil kombinacija klasične metode izračunavanja in kvantno-mehanskega pristopa: π-elektroni so bili opisani s pomočjo kvantne mehanike in σ-elektrona – z uporabo molekularne mehanike. To je bilo prvo delo, ki je pokazalo, da je mogoče oba pristopa uporabiti hkrati. Karplus in Varshel sta oblikovala načelo, da se lahko elektroni razdeli na tiste, ki bodo vključeni v klasični model, in tiste, ki jih bomo opisali s kvantno-kemičnimi metodami. Poleg tega so ustvarili sheme izmenjave energije med klasičnimi in kvantnimi kemičnimi podsistemi ter med njimi in okoljem molekule.

Leta 1976 sta Warshel in Michael Levitt uporabila isto načelo za simulacijo reakcij molekule lizocima. Michael Levitt se je rodil leta 1947 v Pretoriji (Južna Afrika). Leta 1964 se je preselil v Združeno kraljestvo. Levitt je leta 1971 prejel doktorat na Gonville in Kiz College, in pred tem je nekaj časa opravljal na Weizmannovem inštitutu v Rehovotu (Izrael), kjer je bil njegov nadzornik Arieh Warshel. Od leta 1987 je Levitt profesor strukturne biologije na Medicinski šoli Stanford University.

Trije znanstveniki – Varshel, Karplus in Levitt – so uspeli združiti klasično (molekularno mehaniko) in kvantno-mehanske pristope, da bi dosegli uspeh pri izračunu kompleksnih molekul. Spektri (π-elektroni in vibracije), pridobljeni z uporabo te metode, so v dobrimi soglasju z eksperimentalnimi podatki. To je verjetno glavni dosežek avtorjev.

Na splošno, zakaj upoštevajte te strukture beljakovin in drugih makromolekul? Navsezadnje nekateri izracunani podatki ne potrdijo resni poskusi in zagotovo ne bodo potrjeni. Ali potrebujemo samo en poskus. v silico? Na tem računu obstajajo različna mnenja.Očitno je najustreznejši znanstveni pristop uravnotežena kombinacija "eksperimentiranja – izračun – teorija – praktična uporaba", saj nobena od teh komponent ne daje odgovora na vprašanje "zakaj". Izračun strukture beljakovin in drugih biomolekul potreben je za razumevanje značilnosti njihove strukture in vloge, ki jo igrajo v telesu. Kaj bi lahko bilo pomembnejše od delov naprave, ki smo jih izdelali? Vendar je prav tako pomembno, da se naučimo, kako ustvariti nove molekule z biološko dejavnostjo, ki jo potrebujemo – idealna zdravila.

Camphor v luči QM / MM

Na prošnjo urednikov je avtor prejšnjega članka navedel primer problema, ki je bil rešen z uporabo metod, za katere so podelili Nobelovo nagrado. Delo je izvedlo nemške znanstvenike in objavljeno leta 2004 v časopisu Ameriškega kemijskega društva (vol 126, str. 4017).

Camphor C10H16O – naravna snov, ketonska terenska vrsta, ki je del številnih eteričnih olj in se pogosto uporablja v medicini. Čeprav je kafra in naravno poreklo, vendar za številne organizme, vključno s človekom, je tuja spojina (ksenoobiotik). Vsako ksenobiotično telo se postopoma razgrajuje in odstrani, tudi če dajejo zdravilni učinek.

Najpomembnejše orodje za uničenje tujih snovi je družina encimov pod splošnim imenom "citokrom P450". Spadajo v razred hemoproteinov, to je proteinov, ki vsebujejo heme, ali bolje poznani kompleks porfirina z dvovalentnim železom, ki je odgovoren za prevoz kisika v krvi, aktivno središče hemoglobina (najbolj znanega hemoproteina). Obstajajo še drugi pomembni predstavniki tega razreda beljakovin. Na primer, citokrom P450 je univerzalno orodje za uničenje ksenobiotikov: najdemo ga v skoraj vseh živih organizmih in je sposoben oksidirati različne organske snovi z vstavljanjem kisikovega atoma med ogljikom in vodikom: C-H + O = C-OH. Ti encimi P450 imenujemo univerzalna monoksigenaza (dodajanje enega kisikovega atoma).

Kot je znano, je jetra odgovorna za čiščenje človeškega telesa, v celicah katerih deluje monoksigenazni sistem.

Naloga

Skoraj kot v pravljici: v beljakovinskem "žepu", v žepu – porfirinu, porfirinu – železu, na železu – kisikovem atomu. Ta spojina z železom in kisikom je "igla" – smrt ksenobiotikov. V vodo in kamfor pridejo v žep, katerega eno od vezi je oksidirano s kisikom na železu. Vprašanje je, kako se to zgodi: v eni ali dveh stopnjah.Ali kisik je takoj vgrajen med ogljikom in vodikom skozi trikotno prehodno stanje (C-H-O), ali obstaja dvostopenjski mehanizem znan kot ponovno vezavo. Prvič, camphor daje atom vodika kisiku, pri čemer dobljeni radikal odstrani iz aktivnega središča. Po drugi strani pa se nato pridruži središču ob vodiku in kisiku, to je hidroksilni skupini-OH. Eksperimentalna opazovanja ne dajejo popolne slike, ampak nekoliko nasprotujejo drug drugemu. Zato je bilo mogoče natančno razumeti, kako oksidacija poteka z računalniško simulacijo.

Rešitev

Naša naloga je tipičen primer za QM / MM. Velikost sistema "voda, beljakovine in substrat (kamer)" je ogromna, približno 24 izračunov, in ne klasična polja sile. Seveda lahko uporabite polje sile, vendar rezultati ne bodo dali jasnosti, temveč le še v večji meglici.

Odgovor na izziv je "razdeliti in osvojiti", to je QM / MM. Aktivni center in substrat – in to so več ducat atomov – so opisani s pomočjo kvantnega potenciala. Vse ostalo – beljakovinski "žep" in topilo – s pomočjo klasičnih sil sil.Tako se doseže ravnovesje med točnostjo in popolnostjo opisa.

Vse izgleda precej preprosto. Vendar pa v praksi praksa izračunov QM / MM vključuje veliko število poskusov in napak, pa tudi kalibracije teoretičnih metod – šele potem lahko rezultate izračunov zaupamo vsaj na kvalitativni ravni.

Odgovor

Odgovor je nedvoumno: reakcija poteka v dveh stopnjah, to pomeni, da mehanizem oksidacije kampe vključuje ponovno vezavo. Ne da bi se podrobneje seznanili, recimo, da so raziskovalci lahko razložili vsa eksperimentalna opazovanja, ki so bila, kot se je zdela pred simulacijo, protislovna. Poleg tega je naloga določanja mehanizma kampora monoksigenacije bolj pomembna, kot se zdi na prvi pogled: ne pozabimo, da je P450 univerzalni encim, ki oksidira številne ksenobiotike in je prisoten v ogromnem številu zelo različnih živih organizmov.


Like this post? Please share to your friends:
Dodaj odgovor

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: