МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ЭЛЕКТРОННЫХ СПЕКТРОВ БИОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СИСТЕМ КОМБИНИРОВАННЫМИ МЕТОДАМИ КВАНТОВОЙ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ МЕХАНИКИ

Боченкова А.В., Грановский А.А., Немухин А.В.

Химический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова,

кафедра физической химии

Комбинированные методы квантовой и молекулярной механики (КМ/ММ) являются одним из немногих теоретических подходов, позволяющих строить и исследовать поверхности потенциальной энергии с требуемой степенью точности для систем, достигающих нескольких тысяч атомов. Данная работа посвящена развитию и практическому применению двух различных комбинированных подходов КМ/ММ в модели "внедренного кластера" и в варианте стандартного метода потенциалов эффективных фрагментов (ЭФП) для исследования структуры и свойств ряда систем, представляющих интерес для молекулярной биологии и фотохимии. Особое внимание в работе уделяется методическим аспектам, заключающимся в разработке эффективного алгоритма поиска стационарных точек на многомерных поверхностях потенциальной энергии основного состояния рассматриваемых систем и выработке вычислительной стратегии для количественной оценки вертикальной энергии возбуждения. Предложенные алгоритмы реализованы в рамках квантово-химического пакета программ PCGAMESS. В качестве приложений рассматриваются биомолекулярные системы двух типов: молекула ретиналя в фоторецепторном белке родопсине и ДНК-дуплекс, содержащий пирофосфатный модифицированный фрагмент, в водном окружении. Полная оптимизация геометрических параметров рассматриваемых систем в основном электронном состоянии проводилась в рамках модели "внедренного кластера" с использованием теории функционала плотности PBE0/cc-PVDZ//6-31+G** (~1000 функций), а также молекулярно-механического силового поля AMBER. Положение максимума полосы поглощения S₀-S₁ перехода молекулы ретиналя в растворе и белке рассчитывалось методом MCQDPT/cc-pVDZ. Влияние внешнего поля учитывалось с помощью теории ЭФП. Впервые установлено, что определяющим фактором влияния белкового окружения являются структурные изменения хромофорной группы, приводящие к кардинальному изменению характера электронного перехода. Показано, что введение модификации практически не сказывается на конформации ДНК в целом. Работы по данной тематике поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований (проект № 04-03-32007).