Szisztematikus kvantumkémiai számítások biomolekulák szerkezetének és energetikájának vizsgálatára
Title in English
Systematic Quantum Chemical Calculations for Studying Structure and Energetics of Biomolecules
Panel
Chemistry 1
Department or equivalent
Institute of Chemistry (Eötvös Loránd University)
Participants
Pongor, Gábor Szalay, Péter
Starting date
2003-01-01
Closing date
2007-12-31
Funding (in million HUF)
7.968
FTE (full time equivalent)
0.00
state
closed project
Final report
Results in Hungarian
A DNS-bázisok tautomerizációja a mutációk egyik lehetséges mechanizmusa. A citozinra végzett kiterjedt elméleti dinamikai tanulmány atomi felbontású képet adott a tautomerizációról, amely a 'kanonikus' oxo-amino tautomerből a 'ritka' imino formába vezet. A komputeres szimulációkban a potenciálfelületet 'menet közben' ab initio kvantumkémiai (QC) számításból nyerjük, míg az atomok a klasszikus fizika szerint mozognak. A citozin maga nem mutat tautomerizációt (túl magas gát). A monohidratált komplexet tanulmányozva, mintegy 300, véletlenszerűen indított trajektóriából (egyenként 3000 lépés, 1 fs felbontás), egyetlen esetben észleltünk víz-közvetítette tautomerizációt. A mechanizmus egy összehangolt (concerted), szinkron folyamat, amelyet a részt vevő két hidrogén közti erős csatolás jellemez.
Lazán kapcsolódik a projekthez egy benzimidazol-származék rezgési spektrumának elméleti számítása. E tanulmány a laboratóriumunkban korábban kifejlesztett Skálázott Kvantummechanikai (SQM) erőtér módszerét alkalmazta, és hasznos tapasztalatként szolgálhat nitrogén-heterociklusok - mint pl. a DNS-bázisok - jövőbeni számításaihoz. QC elméleti fejlesztésként, új eredményekről számoltunk be az MR-AQCC (Multireference Averaged Quadratic Coupled-Cluster) módszerrel kapcsolatban, ami különösen a gerjesztett eletronállapotokra tervezett vizsgálatainkhoz lehet fontos.
Results in English
Tautomerization of DNA bases is one of the possible mechanisms of mutations. An extensive theoretical dynamics study on cytosine has given atomic-resolution details of the tautomerization which leads from the 'canonical' amino-oxo tautomer to the 'rare' imino-oxo form. In the computer simulations the potential surface is obtained 'on the fly' from ab initio quantum chemistry (QC), with the atoms moving classically. Cytosine itself shows no tautomerization (barrier too high). Studying the monohydrated complex, of about 300 randomly started trajectories (3000 steps each, 1 fs resolution) water-mediated tautomerization was observed in one single case. The mechanism is a concerted, synchronous process characterized by strong coupling between the two participating hydrogens.
Theoretical calculation of the vibrational spectrum of a benzimidazol-derivative is loosely linked with the project. This study applied the method of Scaled Quantum Mechanical (SQM) force fields developed earlier in our laboratory and gives useful experience for future calculations on nitrogen heterocycles, like the DNA bases. As a theoretical development in QC, new results have been reported on the Multireference Averaged Quadratic Coupled-Cluster (MR-AQCC) method which may be important for future investigations on excited electronic states.
Fogarasi, G: Ab initio kvantumkémián alapuló molekuladinamika, XI. Anyagszerkezet-kutatási Konferencia, MTA Anyag- és Molekulaszerkezeti Munkabizottság, Mátrafüred, 2006. május 23-24., 2006
Fogarasi G: Water-mediated Tautomerism in Cytosine: an ab Initio Dynamics Study, 7th Congress of the World Association of Theoreticaly Oriented Chemists, 16-21 January 2005, Cape Town, South Africa, p. 74., 2005
Fogarasi G; Szalay PG: Quantum Chemical and Dynamics Study of the Microhydration of Cytosine Tautomers, Fifth European Conference on Computational Chemistry, June 15-20, 2004, La Londe les Maures, France., p. 37., 2004
Fogarasi G: Microhydration of Cytosine Tautomers, Theory and Applications of Computational Chemistry, Gyeongju, Korea: February 15-20, 2004. p. C60., 2004
Fogarasi G: The Interaction between Cytosine and Water; Structure and Dynamical Study, 11th European Symposium on Gas Electron Diffraction, Blaubeuren/Germany, June 25-29, 2005, 2005
Fogarasi, G: The Interaction between Cytosine Tautomers and Water: a Theoretical Structure and Dynamics Study, Gordon Research Conference ¾ Biological Molecules in the Gas Phase. July 24-29, 2005, Bates College, Lewiston, Maine, USA, 2005
Kolos, Zs., Knausz, D., Rohonczy, J., Vass, E., Tarczay, Gy. and Pongor, G.: On the use of empirically corrected theoretical procedures in preparative chemistry: synthesis, spectroscopic and theoretical studies on 1,3-bis(trimethylsilyl)benzimidaz, Chem. Phys. 318, 191-198, 2005
Fogarasi, G: A szerkezetkutatás új eszköze: Számítógépes Kémia (plenáris ea.), XII. Nemzetközi Vegyészkonferencia, Csíkszereda, 2006. október 3-8., 2006
Fogarasi G: Water-mediated Tautomerization of cytosine to the rare imino form: An ab initio dynamics study, Chem. Phys., doi:10.1016/j.chemphys.2008.02.016, 2008
Fogarasi G: Quantum Chemical Studies on Tautomerism, 12th European Symposium on Gas Electron Diffraction, Blaubeuren, June 24 - June 28, 2007, 2007
Angeli C; Bendazzoli G L; Borini S; Cimiraglia R; Emerson A; Evangelisti S; Maynau D; Monari A; Rossi E; Sanchez-Marin J; Szalay PG; Tajti A: The problem of interoperability: A common data format for quantum chemistry codes, Int J Quantum Chem 107: 2082-2092, 2007
Szalay PG: Multireference Averaged Quadratic Coupled-Cluster (MR-AQCC) Method based on the functional of the total energy, Chem Phys (közlésre elfogadva), 2008
