Simulación de reacciones en biomoléculas con qm/mm

Resumen

En esta tesis se desarrollará un método de simulación híbrido QM/MM que permite simular biomoléculas con una región del sistema descrita con métodos de mecánica cuántica (QM: Quantum Mechanics) y el resto del sistema con un potencial clásico (MM: Molecular Mechanics). El cálculo cuántico se llevará a cabo con el programa fireball que utiliza la teoría del funcional de la densidad (DFT). Fireball tiene la ventaja de ser un código DFT de orbitales localizados que trabaja en espacio real y tiene una gran eficiencia computacional manteniendo una buena precisión.Gracias a esto es un método que se ajusta perfectamente al tipo de simulación necesaria para hacer estudios de procesos biológicos. Para la región clásica se utilizará el código amber que permite simular una gran cantidad de átomos de forma eficiente con un campo de fuerzas empírico, además tiene multitud de funciones que permiten explorar el espacio conformacional deseado.En el desarrollo de este método se prestará especial atención en como los átomos de la región clásica son capaces de modificar la estructura electrónica a través de las cargas parciales del campo de fuerza de MM. El método DFT fireball utiliza una base de orbitales localizados para conseguir una gran balance entre eficiencia computacional y precisión.Para conseguir este objetivo se desarrollará una base lo más eficiente posible computacionalmente y se optimizará para el estudio de sistema biológicos. Los elementos que formarán la base son hidrógeno, carbono, nitrógeno, oxígeno, azufre, fósforo y magnesio. Estos elementos son los más abundantes en biología y fundamentales en la mayoría de reacciones enzimáticas. A continuación se aplicará este método QM/MM fireball/sc amber para la simulación de reacciones enzimáticas teniendo en cuenta la dinámica de estos procesos. Para estudiar reacciones de desarrollará una metodología para explorar el espacio conformacional de la reacción de forma dinámica y poder calcular la energía libre a lo largo de una superficie 2D. También se calcularán las trayectorias posibles para la reacción. La primera reacción enzimática que se estudiará es la escisión de la molécula de ARN catalizada por la proteína RNasa A. En esta reacción se observarán dos caminos posibles sobre la superficie de energía y se estudiará cual es más probable enérgicamente. También se observarán los diferentes estados intermediarios y de transición que hay a lo largo de las trayectorias de la reacción y qué residuos hacen posible catalizar la reacción disminuyendo la barrera de energía. Posteriormente se simulará la reacción de inter-conversión reversible entre dihidroxiacetona fosfato (DHAP)y gliceraldehido 3-fosfato (GAP) catalizada por la proteína Triosa-fosfato isomerasa (TIM). Para esta enzima se calculará también una superficie de energía libre y se determinara la trayectoria mas probable de la reacción. Para esta reacción se propondrá un nuevo camino de reacción gracias al estudió dinámico de las reacciones. Por último se estudiará la reacción foto-química de formación del dímero de ciclobutano de timina (CTD) en el ADN. Simular este tipo de reacciones donde hay que tener en cuenta los estados excitados en biomoléculas son un gran desafío científico ya que requiere mezclar diferentes estrategias de simulación. Para estudiar la reacción se harán mapas adiabáticos de energía libre del estado fundamental y del primer estado excitado y se determinara que región es del espacio conformacional lleva a la intersección cónica una vez se produce la excitación al absorber un fotón. También se estudiará con dinámicas no adiabáticas qué sucede con las trayectorias que llegan a la intersección cónica donde se produce la des-excitación y pueden formar el CTD o volver a la forma canónica del ADN. Tanto en los mapas adiabáticos como en las trayectorias no adiabáticas se verá como la estructura de doble hélice y el entorno biomolecular del ADN previene la formación del dímero de timina protegiéndonos de mutaciones en el ADN.