Electronic couplings and on-site energies for hole transfer in DNA: systematic quantum mechanical/molecular dynamic study

The electron hole transfer (HT) properties of DNA are substantially affected by thermal fluctuations of the π stack structure. Depending on the mutual position of neighboring nucleobases, electronic coupling V may change by several orders of magnitude. In the present paper, we report the results of systematic QM/molecular dynamic (MD) calculations of the electronic couplings and on-site energies for the hole transfer. Based on 15 ns MD trajectories for several DNA oligomers, we calculate the average coupling squares 〈 V2 〉 and the energies of basepair triplets X G+ Y and X A+ Y, where X, Y=G, A, T, and C. For each of the 32 systems, 15 000 conformations separated by 1 ps are considered. The three-state generalized Mulliken-Hush method is used to derive electronic couplings for HT between neighboring basepairs. The adiabatic energies and dipole moment matrix elements are computed within the INDO/S method. We compare the rms values of V with the couplings estimated for the idealized B -DNA structure and show that in several important cases the couplings calculated for the idealized B -DNA structure are considerably underestimated. The rms values for intrastrand couplings G-G, A-A, G-A, and A-G are found to be similar, ∼0.07 eV, while the interstrand couplings are quite different. The energies of hole states G+ and A+ in the stack depend on the nature of the neighboring pairs. The X G+ Y are by 0.5 eV more stable than X A+ Y. The thermal fluctuations of the DNA structure facilitate the HT process from guanine to adenine. The tabulated couplings and on-site energies can be used as reference parameters in theoretical and computational studies of HT processes in DNA

Operator expansion: definition and molecular integral applications

Es defineix l'expansió general d'operadors com una combinació lineal de projectors i s'exposa la seva aplicació generalitzada al càlcul d'integrals moleculars. Com a exemple numèric, es fa l'aplicació al càlcul d'integrals de repulsió electrònica entre quatre funcions de tipus s centrades en punts diferents, i es mostren tant resultats del càlcul com la definició d'escalat respecte a un valor de referència, que facilitarà el procés d'optimització de l'expansió per uns paràmetres arbitraris. Es donen resultats ajustats al valor exacte

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

Funcions densitat i semblança molecular quàntica: nous desenvolupaments i aplicacions

La present tesi, tot i que emmarcada dins de la teoria de les Mesures Semblança Molecular Quántica (MQSM), es deriva en tres àmbits clarament definits: - La creació de Contorns Moleculars de IsoDensitat Electrònica (MIDCOs, de l'anglès Molecular IsoDensity COntours) a partir de densitats electròniques ajustades. - El desenvolupament d'un mètode de sobreposició molecular, alternatiu a la regla de la màxima semblança. - Relacions Quantitatives Estructura-Activitat (QSAR, de l'anglès Quantitative Structure-Activity Relationships). L'objectiu en el camp dels MIDCOs és l'aplicació de funcions densitat ajustades, ideades inicialment per a abaratir els càlculs de MQSM, per a l'obtenció de MIDCOs. Així, es realitza un estudi gràfic comparatiu entre diferents funcions densitat ajustades a diferents bases amb densitats obtingudes de càlculs duts a terme a nivells ab initio. D'aquesta manera, l'analogia visual entre les funcions ajustades i les ab initio obtinguda en el ventall de representacions de densitat obtingudes, i juntament amb els valors de les mesures de semblança obtinguts prèviament, totalment comparables, fonamenta l'ús d'aquestes funcions ajustades. Més enllà del propòsit inicial, es van realitzar dos estudis complementaris a la simple representació de densitats, i són l'anàlisi de curvatura i l'extensió a macromolècules. La primera observació correspon a comprovar no només la semblança dels MIDCOs, sinó la coherència del seu comportament a nivell de curvatura, podent-se així observar punts d'inflexió en la representació de densitats i veure gràficament aquelles zones on la densitat és còncava o convexa. Aquest primer estudi revela que tant les densitats ajustades com les calculades a nivell ab initio es comporten de manera totalment anàloga. En la segona part d'aquest treball es va poder estendre el mètode a molècules més grans, de fins uns 2500 àtoms. Finalment, s'aplica part de la filosofia del MEDLA. Sabent que la densitat electrònica decau ràpidament al allunyar-se dels nuclis, el càlcul d'aquesta pot ser obviat a distàncies grans d'aquests. D'aquesta manera es va proposar particionar l'espai, i calcular tan sols les funcions ajustades de cada àtom tan sols en una regió petita, envoltant l'àtom en qüestió. Duent a terme aquest procés, es disminueix el temps de càlcul i el procés esdevé lineal amb nombre d'àtoms presents en la molècula tractada. En el tema dedicat a la sobreposició molecular es tracta la creació d'un algorisme, així com la seva implementació en forma de programa, batejat Topo-Geometrical Superposition Algorithm (TGSA), d'un mètode que proporcionés aquells alineaments que coincideixen amb la intuïció química. El resultat és un programa informàtic, codificat en Fortran 90, el qual alinea les molècules per parelles considerant tan sols nombres i distàncies atòmiques. La total absència de paràmetres teòrics permet desenvolupar un mètode de sobreposició molecular general, que proporcioni una sobreposició intuïtiva, i també de forma rellevant, de manera ràpida i amb poca intervenció de l'usuari. L'ús màxim del TGSA s'ha dedicat a calcular semblances per al seu ús posterior en QSAR, les quals majoritàriament no corresponen al valor que s'obtindria d'emprar la regla de la màxima semblança, sobretot si hi ha àtoms pesats en joc. Finalment, en l'últim tema, dedicat a la Semblança Quàntica en el marc del QSAR, es tracten tres aspectes diferents: - Ús de matrius de semblança. Aquí intervé l'anomenada matriu de semblança, calculada a partir de les semblances per parelles d'entre un conjunt de molècules. Aquesta matriu és emprada posteriorment, degudament tractada, com a font de descriptors moleculars per a estudis QSAR. Dins d'aquest àmbit s'han fet diversos estudis de correlació d'interès farmacològic, toxicològic, així com de diverses propietats físiques. - Aplicació de l'energia d'interacció electró-electró, assimilat com a una forma d'autosemblança. Aquesta modesta contribució consisteix breument en prendre el valor d'aquesta magnitud, i per analogia amb la notació de l'autosemblança molecular quàntica, assimilar-la com a cas particular de d'aquesta mesura. Aquesta energia d'interacció s'obté fàcilment a partir de programari mecanoquàntic, i esdevé ideal per a fer un primer estudi preliminar de correlació, on s'utilitza aquesta magnitud com a únic descriptor. - Càlcul d'autosemblances, on la densitat ha estat modificada per a augmentar el paper d'un substituent. Treballs previs amb densitats de fragments, tot i donar molt bons resultats, manquen de cert rigor conceptual en aïllar un fragment, suposadament responsable de l'activitat molecular, de la totalitat de l'estructura molecular, tot i que les densitats associades a aquest fragment ja difereixen degut a pertànyer a esquelets amb diferents substitucions. Un procediment per a omplir aquest buit que deixa la simple separació del fragment, considerant així la totalitat de la molècula (calcular-ne l'autosemblança), però evitant al mateix temps valors d'autosemblança no desitjats provocats per àtoms pesats, és l'ús de densitats de Forats de fermi, els quals es troben definits al voltant del fragment d'interès. Aquest procediment modifica la densitat de manera que es troba majoritàriament concentrada a la regió d'interès, però alhora permet obtenir una funció densitat, la qual es comporta matemàticament igual que la densitat electrònica regular, podent-se així incorporar dins del marc de la semblança molecular. Les autosemblances calculades amb aquesta metodologia han portat a bones correlacions amb àcids aromàtics substituïts, podent així donar una explicació al seu comportament. Des d'un altre punt de vista, també s'han fet contribucions conceptuals. S'ha implementat una nova mesura de semblança, la d'energia cinètica, la qual consisteix en prendre la recentment desenvolupada funció densitat d'energia cinètica, la qual al comportar-se matemàticament igual a les densitats electròniques regulars, s'ha incorporat en el marc de la semblança. A partir d'aquesta mesura s'han obtingut models QSAR satisfactoris per diferents conjunts moleculars. Dins de l'aspecte del tractament de les matrius de semblança s'ha implementat l'anomenada transformació estocàstica com a alternativa a l'ús de l'índex Carbó. Aquesta transformació de la matriu de semblança permet obtenir una nova matriu no simètrica, la qual pot ser posteriorment tractada per a construir models QSAR.

Molecular quantum similarity in QSAR: applications in computer-aided molecular design

La present tesi està centrada en l'ús de la Teoria de Semblança Quàntica per a calcular descriptors moleculars. Aquests descriptors s'utilitzen com a paràmetres estructurals per a derivar correlacions entre l'estructura i la funció o activitat experimental per a un conjunt de compostos. Els estudis de Relacions Quantitatives Estructura-Activitat són d'especial interès per al disseny racional de molècules assistit per ordinador i, en particular, per al disseny de fàrmacs. Aquesta memòria consta de quatre parts diferenciades. En els dos primers blocs es revisen els fonaments de la teoria de semblança quàntica, així com l'aproximació topològica basada en la teoria de grafs. Ambdues teories es fan servir per a calcular els descriptors moleculars. En el segon bloc, s'ha de remarcar la programació i implementació de programari per a calcular els anomenats índexs topològics de semblança quàntica. La tercera secció detalla les bases de les Relacions Quantitatives Estructura-Activitat i, finalment, el darrer apartat recull els resultats d'aplicació obtinguts per a diferents sistemes biològics.

Linear viscoelasticity from molecular dynamics simulation of entangled polymers

The linear viscoelastic (LVE) spectrum is one of the primary fingerprints of polymer solutions and melts, carrying information about most relaxation processes in the system. Many single chain theories and models start with predicting the LVE spectrum to validate their assumptions. However, until now, no reliable linear stress relaxation data were available from simulations of multichain systems. In this work, we propose a new efficient way to calculate a wide variety of correlation functions and mean-square displacements during simulations without significant additional CPU cost. Using this method, we calculate stress−stress autocorrelation functions for a simple bead−spring model of polymer melt for a wide range of chain lengths, densities, temperatures, and chain stiffnesses. The obtained stress−stress autocorrelation functions were compared with the single chain slip−spring model in order to obtain entanglement related parameters, such as the plateau modulus or the molecular weight between entanglements. Then, the dependence of the plateau modulus on the packing length is discussed. We have also identified three different contributions to the stress relaxation:  bond length relaxation, colloidal and polymeric. Their dependence on the density and the temperature is demonstrated for short unentangled systems without inertia.

Fast training of self organizing maps for the visual exploration of molecular compounds

Visual exploration of scientific data in life science area is a growing research field due to the large amount of available data. The Kohonen’s Self Organizing Map (SOM) is a widely used tool for visualization of multidimensional data. In this paper we present a fast learning algorithm for SOMs that uses a simulated annealing method to adapt the learning parameters. The algorithm has been adopted in a data analysis framework for the generation of similarity maps. Such maps provide an effective tool for the visual exploration of large and multi-dimensional input spaces. The approach has been applied to data generated during the High Throughput Screening of molecular compounds; the generated maps allow a visual exploration of molecules with similar topological properties. The experimental analysis on real world data from the National Cancer Institute shows the speed up of the proposed SOM training process in comparison to a traditional approach. The resulting visual landscape groups molecules with similar chemical properties in densely connected regions.

Molecular structures of benzoic acid and 2-hydroxybenzoic acid, obtained by gas-phase electron diffraction and theoretical calculations

The structures of benzoic acid (C6H5COOH) and 2-hydroxybenzoic acid (C6H4OHCOOH) have been determined in the gas phase by electron diffraction using results from quantum chemical calculations to inform restraints used on the structural parameters. Theoretical methods (HF and MP2/6-311+G(d, p)) predict two conformers for benzoic acid, one which is 25.0 kJ mol(-1) (MP2) lower in energy than the other. In the low-energy form, the carboxyl group is coplanar with the phenyl ring and the O-H group eclipses the C=O bond. Theoretical calculations (HF and MP2/6-311+ G(d, p)) carried out for 2-hydroxybenzoic acid gave evidence for seven stable conformers but one low-energy form (11.7 kJ mol-1 lower in energy (MP2)) which again has the carboxyl group coplanar with the phenyl ring, the O-H of the carboxyl group eclipsing the C=O bond and the C=O of the carboxyl group oriented toward the O-H group of the phenyl ring. The effects of internal hydrogen bonding in 2-hydroxybenzoic acid can be clearly observed by comparison of pertinent structural parameters between the two compounds. These differences for 2-hydroxybenzoic acid include a shorter exocyclic C-C bond, a lengthening of the ring C-C bond between the substituents, and a shortening of the carboxylic single C-O bond.

Molecular structures of 3-hydroxybenzoic acid and 4-hydroxybenzoic acid, obtained by gas-phase electron diffraction and theoretical calculations

The structures of 3-hydroxybenzoic acid and 4-hydroxybenzoic acid have been determined by gas-phase electron diffraction using results from quantum chemical calculations to inform the choice of restraints applied to some of the structural parameters. The results from the study presented here demonstrate that resonance hybrids are not as helpful in rationalizing the structures of 2-, 3-, and 4-hydroxybenzoic acids as are models based upon electrostatic effects.

Lipids and the immune response: from molecular mechanisms to clinical applications

Purpose of review This review critically evaluates recent studies investigating the effects of fatty acids on immune and inflammatory responses in both healthy individuals and in patients with inflammatory diseases, with some reference to animal studies where relevant. It examines recent findings describing the cellular and molecular basis for the modulation of immune function by fatty acids. The newly emerging area of diet-genotype interactions will also be discussed, with specific reference to the anti-inflammatory effects of fish oil. Recent findings Fatty acids are participants in many intracellular signalling pathways. They act as ligands for nuclear receptors regulating a host of cell responses, they influence the stability of lipid rafts, and modulate eicosanoid metabolism in cells of the immune system. Recent findings suggest that some or all of these mechanisms may be involved in the modulation of immune function by fatty acids. Summary Human studies investigating the relationship between dietary fatty acids and some aspects of the immune response have been disappointingly inconsistent. This review presents the argument that most studies have not been adequately powered to take into account the influence of variation (genotypic or otherwise) on parameters of immune function. There is well-documented evidence that fatty acids modulate T lymphocyte activation, and recent findings describe a range of potential cellular and molecular mechanisms. However, there are still many questions remaining, particularly with respect to the roles of nuclear receptors, for which fatty acids act as ligands, and the modulation of eicosanoid synthesis, for which fatty acids act as precursors.

Effect of heat on rheology, surface hydrophobicity and molecular weight distribution of glutens extracted from flours with different bread-making quality

Gluten was extracted from flours of several different wheat varieties of varying baking quality. Creep compliance was measured at room temperature and tan 6 was measured over a range of temperatures from 25 to 95 degrees C. The extracted glutens were heat-treated for 20 min at 25, 40, 50, 60, 70 and 90 degrees C in a water bath, freeze-dried and ground to a fine powder. Tests were carried out for extractability in sodium dodecyl sulphate, free sulphydryl (SH) groups using Ellman's method, surface hydrophobicity and molecular weight (MW) distribution (MWD) using field-flow fractionation and multi-angle laser light scattering. With increasing temperature, the glutens showed a decrease in extractability, with the most rapid decreases occurring between 70 and 90 degrees C, a major transition in tan 6 at around 60 degrees C and a minor transition at 40 degrees C for most varieties, a decrease in free SH groups and surface hydrophobicity and a shift in the MWD towards higher MW. The poor bread-making variety Riband showed the highest values of tan delta and Newtonian compliance, the lowest content of free SH groups and the largest increase of HMW/LMW with increasing temperature. No significant correlations with baking volume were found between any of the measured parameters. (c) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Molecular dynamics simulations of proteins: can the explicit water model be varied?

In molecular mechanics simulations of biological systems, the solvation water is typically represented by a default water model which is an integral part of the force field. Indeed, protein nonbonding parameters are chosen in order to obtain a balance between water-water and protein-water interactions and hence a reliable description of protein solvation. However, less attention has been paid to the question of whether the water model provides a reliable description of the water properties under the chosen simulation conditions, for which more accurate water models often exist. Here we consider the case of the CHARMM protein force field, which was parametrized for use with a modified TIP3P model. Using quantum mechanical and molecular mechanical calculations, we investigate whether the CHARMM force field can be used with other water models: TIP4P and TIP5P. Solvation properties of N-methylacetamide (NMA), other small solute molecules, and a small protein are examined. The results indicate differences in binding energies and minimum energy geometries, especially for TIP5P, but the overall description of solvation is found to be similar for all models tested. The results provide an indication that molecular mechanics simulations with the CHARMM force field can be performed with water models other than TIP3P, thus enabling an improved description of the solvent water properties.

Molecular dynamics simulation of interactions between a sodium dodecyl sulfate micelle and a poly(ethylene oxide) polymer

We have performed atomistic molecular dynamics simulations of an anionic sodium dodecyl sulfate (SDS) micelle and a nonionic poly(ethylene oxide) (PEO) polymer in aqueous solution. The micelle consisted of 60 surfactant molecules, and the polymer chain lengths varied from 20 to 40 monomers. The force field parameters for PEO were adjusted by using 1,2-dimethoxymethane (DME) as a model compound and matching its hydration enthalpy and conformational behavior to experiment. Excellent agreement with previous experimental and simulation work was obtained through these modifications. The simulated scaling behavior of the PEO radius of gyration was also in close agreement with experimental results. The SDS-PEO simulations show that the polymer resides on the micelle surface and at the hydrocarbon-water interface, leading to a selective reduction in the hydrophobic contribution to the solvent-accessible surface area of the micelle. The association is mainly driven by hydrophobic interactions between the polymer and surfactant tails, while the interaction between the polymer and sulfate headgroups on the micelle surface is weak. The 40-monomer chain is mostly wrapped around the micelle, and nearly 90% of the monomers are adsorbed at low PEO concentration. Simulations were also performed with multiple 20-monomer chains, and gradual addition of polymer indicates that about 120 monomers are required to saturate the micelle surface. The stoichiometry of the resulting complex is in close agreement with experimental results, and the commonly accepted "beaded necklace" structure of the SDS-PEO complex is recovered by our simulations.

The molecular structure of propylene sulphide (methylthiirane) by gas-phase electron diffraction and theoretical calculations: a molecule used in MOCVD

Gas-phase electron-diffraction (GED) data together with results from ab initio molecular orbital calculations have been used to determine the structure of propylene sulphide. Values found for the main structural parameters for the molecule are consistent with those obtained from microwave studies and are compared here with those found for similar sulphur containing rings of general formula S(CH2)n (n = 2–5). A high ring strain enthalpy was calculated for propylene sulphide which is consistent with the small C–S–C angle (48.2(6)degrees) and the relatively long C–S bond lengths (ra = 1.831(2) Å). This is thought to account for the ease of ring opening in propylene sulphide observed in MOCVD reactions and the ready polymerisation of the molecule.