Как динамика и неопределенность положения улучшают моделирование молекулярных систем
Исследователи создали новую компьютерную модель, способную точно предсказывать, как ведут себя протоны — положительно заряженные частицы — внутри молекул, связанных сильными водородными связями. Они выяснили, что для получения точных результатов моделирования необходимо принимать во внимание не только среду (растворитель), но и собственное движение протона, а также то, что его точное местоположение в молекуле может быть не фиксированным (квантовая неопределенность). Включение этих факторов в расчеты существенно улучшает надежность компьютерного анализа химических веществ, что критически важно для создания новых медикаментов и материалов. Детали работы, поддержанной грантом РНФ, опубликованы в журнале Journal of Chemical Information and Modeling.
Водородные связи, возникающие между атомом водорода и другими электроотрицательными атомами (например, кислородом), играют ключевую роль во многих биологических процессах и взаимодействиях молекул. Поэтому их изучение — важнейшая задача химии. Одним из действенных методов является спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Этот метод позволяет изучать структуру соединений, помещая их в магнитное поле и анализируя отклик атомов. Получаемый ЯМР-спектр уникален для каждого вещества, подобно «отпечатку пальца».
Внешнее магнитное поле изменяет собственные магнитные поля атомов, причем эти изменения (химический сдвиг) зависят от типа и пространственного расположения соседних атомов. Измерение или компьютерное моделирование химических сдвигов помогает определить структуру молекул и прочность связей. Обычно при экспериментах добавляют растворитель, чтобы оценить его влияние на поведение протонов и химический сдвиг.
Однако стандартные компьютерные модели для расчета химических сдвигов часто не учитывают динамику частиц, то есть их постоянное движение под воздействием различных сил. Простое добавление молекул растворителя в модель оказывается недостаточным. При этом высокая точность расчетов крайне важна, поскольку она позволяет глубоко понять атомные и электронные процессы, лежащие в основе работы различных веществ, включая ферменты — природные катализаторы реакций.
Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета впервые смогли разработать модель, которая количественно оценивает и учитывает влияние трех ключевых факторов на химические сдвиги протонов: наличие растворителя, динамику движения самого протона (ядерную динамику) и его квантовую делокализацию — свойство протона находиться не в одной конкретной точке, а распределяться в пространстве.
Для оценки влияния этих факторов исследователи применили комплекс методов: квантово-химические расчеты, моделирование молекулярной динамики и решение уравнения Шрёдингера, которое используется для определения вероятности нахождения квантовой частицы в разных точках пространства. Все вычисления проводились с использованием мощностей суперкомпьютеров.
Для проверки своей модели авторы изучали химические сдвиги атома водорода в трех хорошо изученных соединениях с сильными водородными связями: анионе бифторида (состоящем из водорода и двух атомов фтора), катионе Цунделя (протон между двумя молекулами воды) и катионе пиридина-пиридиния (соединение с атомами водорода, азота и углерода). Выбор этих веществ позволил сравнить результаты моделирования с уже имеющимися экспериментальными данными.
Проведенные расчеты наглядно продемонстрировали, что учет движения атомов и квантовой делокализации протона значительно меняет расчетные значения химического сдвига. Например, для катиона пиридина-пиридиния, растворенного во фреоне, статическая модель давала сдвиг 20,8 миллионных долей, тогда как модель, учитывающая динамику протона, дала значение 22 миллионные доли. Это последнее значение гораздо ближе к результатам реальных экспериментов. Таким образом, исследование подтвердило, что комплексный подход, учитывающий различные факторы, существенно повышает точность вычислений.
«Результаты нашей работы очень важны для ученых, занимающихся компьютерным моделированием систем с водородными связями. Мы предлагаем конкретные способы, как сделать расчеты более точными и согласованными с экспериментом», — отмечает руководитель проекта РНФ Елена Тупикина, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физической органической химии СПбГУ. Она добавляет, что исследование углубляет понимание природы водородной связи, что критически важно для разработки новых лекарств, материалов и катализаторов. «Более точные модели помогут лучше понять механизмы работы ферментов и создавать новые вещества для энергетики и медицины», — заключает она.
