Practical applications of quantum molecular similarity measures (QMSM): programs and examples

Es descriu l'aproximació de Capes Atòmiques dins de la teoria de la Semblança Molecular Quàntica. Partint només de dades teòriques, s'ha trobat una relació entre estructura molecular i activitat biològica per a diversos conjunts de molècules. Es descriuen els aspectes teòrics de la Semblança Molecular Quàntica i alguns exemples d'aplicació

Simple finite field nuclear relaxation method for calculating vibrational contribution to degenerate four-wave mixing

A simple extended finite field nuclear relaxation procedure for calculating vibrational contributions to degenerate four-wave mixing (also known as the intensity-dependent refractive index) is presented. As a by-product one also obtains the static vibrationally averaged linear polarizability, as well as the first and second hyperpolarizability. The methodology is validated by illustrative calculations on the water molecule. Further possible extensions are suggested

Determination of vibrational polarizabilities and hyperpolarizabilities using field-induced coordinates

An analytical set of field-induced coordinates is defined and is used to show that the vibrational degrees of freedom required to completely describe nuclear relaxation polarizabilities and hyperpolarizabilities is reduced from 3N-6 to a relatively small number. As this number does not depend upon the size of the molecule, the process provides computational advantages. A method is provided to separate anharmonic contributions from harmonic contributions as well as effective mechanical from electrical anharmonicity. The procedures are illustrated by Hartree-Fock calculations, indicating that anharmonicity can be very important

The curvature of the conical intersection seam: an approximate second-order analysis

We present a method for analyzing the curvature (second derivatives) of the conical intersection hyperline at an optimized critical point. Our method uses the projected Hessians of the degenerate states after elimination of the two branching space coordinates, and is equivalent to a frequency calculation on a single Born-Oppenheimer potential-energy surface. Based on the projected Hessians, we develop an equation for the energy as a function of a set of curvilinear coordinates where the degeneracy is preserved to second order (i.e., the conical intersection hyperline). The curvature of the potential-energy surface in these coordinates is the curvature of the conical intersection hyperline itself, and thus determines whether one has a minimum or saddle point on the hyperline. The equation used to classify optimized conical intersection points depends in a simple way on the first- and second-order degeneracy splittings calculated at these points. As an example, for fulvene, we show that the two optimized conical intersection points of C2v symmetry are saddle points on the intersection hyperline. Accordingly, there are further intersection points of lower energy, and one of C2 symmetry - presented here for the first time - is found to be the global minimum in the intersection space

Nuclear magnetic resonance chemical shifts with the statistical average of orbital-dependent model potentials in Kohn-Sham density functional theory

The performance of the SAOP potential for the calculation of NMR chemical shifts was evaluated. SAOP results show considerable improvement with respect to previous potentials, like VWN or BP86, at least for the carbon, nitrogen, oxygen, and fluorine chemical shifts. Furthermore, a few NMR calculations carried out on third period atoms (S, P, and Cl) improved when using the SAOP potential

Are the maximum hardness and minimum polarizability principles always obeyed in nontotally symmetric vibrations?

An overview is given on a study which showed that not only in chemical reactions but also in the favorable case of nontotally symmetric vibrations where the chemical and external potentials keep approximately constant, the generalized maximum hardness principle (GMHP) and generalized minimum polarizability principle (GMPP) may not be obeyed. A method that allows an accurate determination of the nontotally symmetric molecular distortions with more marked GMPP or anti-GMPP character through diagonalization of the polarizability Hessian matrix is introduced

Surface collective oscillations of metal clusters and spheres: Random-phase-approximation sum-rules approach

Using the once and thrice energy-weighted moments of the random-phase-approximation strength function, we have derived compact expressions for the average energy of surface collective oscillations of clusters and spheres of metal atoms. The L=0 volume mode has also been studied. We have carried out quantal and semiclassical calculations for Na and Ag systems in the spherical-jellium approximation. We present a rather thorough discussion of surface diffuseness and quantal size effects on the resonance energies.

Collective dynamic properties in simple crystals: Influence of the structural disorder

Collective dynamic properties in Lennard-Jones crystals are investigated by molecular dynamics simulation. The study is focused on properties such as the dynamic structure factors, the longitudinal and transverse currents and the density of states. The influence on these properties of the structural disorder is analyzed by comparing the results for one-component crystals with those for liquids and supercooled liquids at analogous conditions. The effects of species-disorder on the collective properties of binary crystals are also discussed.

Resonating-valence-bond theory for the square-planar lattice

The short-range resonating-valence-bond (RVB) wave function with nearest-neighbor (NN) spin pairings only is investigated as a possible description for the Heisenberg model on a square-planar lattice. A type of long-range order associated to this RVB Ansatz is identified along with some qualitative consequences involving lattice distortions, excitations, and their coupling.

Assessment of the potential skin irritation of lysine-derivative anionic surfactants using mouse fibroblast and human keratinocytes as an alternative to animal testing

Purpose. The aim of this study was to identify new surfactants with low skin irritant properties for use in pharmaceutical and cosmetic formulations, employing cell culture as an alternative method to in vivo testing. In addition, we sought to establish whether potential cytotoxic properties were related to the size of the counterions bound to the surfactants. Methods. Cytotoxicity was assessed in the mouse fibroblast cell line 3T6, and the human keratinocyte cell line NCTC 2544, using the MTT assay and uptake of the vital dye neutral red 24 h after dosing (NRU). Results. Lysine-derivative surfactants showed higher IC50s than did commercial anionic irritant compounds such as sodium dodecyl sulphate, proving to be no more harmful than amphoteric betaines. The aggressiveness of the surfactants depended upon the size of their constituent counterions: surfactants associated with lighter counterions showed a proportionally higher aggressivity than those with heavier ones. Conclusions. Synthetic lysine-derivative anionic surfactants are less irritant than commercial surfactants such as sodium dodecyl sulphate and Hexadecyltrimethylammonium bromide and are similar to Betaines. These surfactants may offer promising applications in pharmaceutical and cosmetic preparations, representing a potential alternative to commercial anionic surfactants as a result of their low irritancy potential.

Rigorous characterization of oxygen vacancies in ionic oxides

Charged and neutral oxygen vacancies in the bulk and on perfect and defective surfaces of MgO are characterized as quantum-mechanical subsystems chemically bonded to the host lattice and containing most of the charge left by the removed oxygens. Attractors of the electron density appear inside the vacancy, a necessary condition for the existence of a subsystem according to the atoms in molecules theory. The analysis of the electron localization function also shows attractors at the vacancy sites, which are associated to a localization basin shared with the valence domain of the nearest oxygens. This polyatomic superanion exhibits chemical trends guided by the formal charge and the coordination of the vacancy. The topological approach is shown to be essential to understand and predict the nature and chemical reactivity of these objects. There is not a vacancy but a coreless pseudoanion that behaves as an activated host oxygen.

Relacions estructura-propietat per un conjunt d'hidrocarburs a partir de nous descriptors tridimensionals derivats de la semblança molecular quàntica

En aquest article es defineixen uns nous índexs tridimensionals per a la descripció de les molècules a partir de paràmetres derivats de la Teoria de la Semblança Molecular i de les distàncies euclidianes entre els àtoms i les càrregues atòmiques efectives. Aquests indexs,anomenats 3D, s'han aplicat a l'estudi de les relacions estructura-propietat d'una família d'hidrocarburs, i han demostrat una capacitat de descripció de tres propietats de la família (temperatura d'ebullició, temperatura de fusió i densitat) molt més acurada que quan s'utilitzen els indexs 2D clàssics

Obtenció de nous anàlegs amb activitat brassinoesteroide mitjançant modelització molecular i síntesi

Els brassinoesteroides són productes naturals que actuen com a potents reguladors del creixement vegetal. Presenten aplicacions prometedores en l’agricultura degut a que, aplicats exògenament, augmenten la qualitat i la quantitat de les collites. Ara bé, el seu ús s’ha vist restringit degut a la seva costosa obtenció. Aquest fet ha motivat la recerca de nous compostos actius més assequibles. En aquest projecte es planteja el disseny i obtenció de nous anàlegs seguint diferents estratègies que impliquen tant l’ús de mètodes de modelització molecular com de síntesi orgànica. La primera d’aquestes estratègies consisteix en buscar compostos actius en bases de dades de compostos comercials a través de processos de Virtual Screening desenvolupats amb mètodes computacionals basats en Camps d’Interacció Molecular. Així, es van establir i interpretar models de Relacions Quantitatives Estructura-Activitat (QSAR) emprant descriptors independents de l’alineament (GRIND) i, amb col•laboració amb la Universitat de Perugia, aquest criteri de cerca es va ampliar amb l’aplicació de descriptors FLAP de nova generació. Una altra estratègia es va basar en intentar substituir l’esquelet esteroide dels brassinoesteroides per una estructura equivalent, fixant com a cadena lateral el grup (R)-hexahidromandelil. S’han aplicat dos criteris: mètodes computacionals basats en models QSAR establerts amb descriptors GRIND i també en la metodologia SHOP (scaffold hopping), i, per altra banda, anàlegs proposats racionalment a partir d’un estudi efectuat sobre disruptors endocrins no esteroïdals. Sobre les estructures trobades s’hi va unir la cadena lateral comercial esmentada per via sintètica, en la qual s’ha hagut de fer un èmfasi especial en grups protectors. En total, 49 estructures es proposen per a ser obtingudes sintèticament. També s’ha treballat en l’obtenció un agonista derivat de l’hipotètic antagonista KM-01. Totes les molècules candidates, ja siguin comercials o obtingudes sintèticament, estant sent avaluades en el test d’inclinació de la làmina d’arròs (RLIT).

Estudi de la relació estructura-funció de les proteïnes CPT1

En aquest treball s’ha analitzat la relació estructura-funció dels enzims CPT1, o Carnitina palmitoïltransferasa 1, que catalitza la reacció de transesterificació dels àcids grassos de cadena llarga a acil-carnitines, per tal que puguin accedir a la matriu mitocondrial i ser oxidats. Aquest enzim es troba estrictament regulat per malonil-CoA, primer intermediari de la síntesi d’àcids grassos, establint-se així una regulació coordinada entre la formació i la degradació de grasses. S’han estudiat els tres isotips de CPT1 descrits fins al moment: CPT1A, CPT1B i CPT1C. Mitjançant l’expressió heteròloga de mutants de CPT1A de rata i CPT1B de porc en el llevat P. pastoris, s’ha estudiat l’efecte sobre la inhibició per malonil-CoA de petits canvis en la seva estructura, per tal de trobar una relació entre la seva funció enzimàtica i la disposició conformacional de la proteïna. Segons els resultats obtinguts, el residu Glu590 de CPT1A de rata estaria impedint la unió de l’inhibidor, mentre que el residu Met593 estaria afavorint aquesta unió. Els estudis amb l’enzim CPT1B de porc demostraren l’existència d’un determinant positiu per la sensibilitat al malonil-CoA en els primers 18 residus de la proteïna, i definiren la posició Glu17 com la responsable de l’alta afinitat a la carnitina i la baixa sensibilitat a la inhibició per malonil-CoA (8). Es clonà i caracteritzà la regió promotora del gen de CPT1C humana, amb la intenció d’analitzar la funcionalitat de putatius elements de resposta identificats in silico. Cap dels elements estudiats resultà ser funcional in vivo. A més, es demostrà que la manca d’activitat catalítica de la proteïna no és deguda a l’extensió C-terminal que presenta respecte els isotips A i B, tot i presentar un alt percentatge d’identitat de seqüència. S’ha amplificat una isoforma humana de CPT1C (Pubmed Acc. Num. AK299866), corresponent a la regió carboxiterminal de la proteïna, que es pretén utilitzar per obtenir el primer cristall de la part soluble d’una proteïna CPT1.     

Sobre les relacions lineals d'energia lliure: mesures de semblança molecular quàntica sobre funcions de densitat electrònica modificad

En aquest treball es presenta l'ús de funcions de densitat electrònica de forat de Fermi per incrementar el paper que pren una regió molecular concreta, considerada com a responsable de la reactivitat molecular, tot i mantenir la mida de la funció de densitat original. Aquestes densitats s'utilitzen per fer mesures d'autosemblança molecular quàntica i es presenten com una alternativa a l'ús de fragments moleculars aillats en estudis de relació entre estructura i propietat. El treball es complementa amb un exemple pràctic, on es correlaciona l'autosemblanca molecular a partir de densitats modificades amb l'energia d'una reacció isodòsmica