Jaké mezimolekulové interakce znáte? Seřaďte je z hlediska síly (velikosti stabilizace). Zkuste odhadnout, jaká je fyzikální podstata jednotlivých interakcí. Martin Novák (NCBR) Mezimolekulové interakce 16. října 2015 3/12 Úloha 1: Mezimolekulové interakce • Jaké mezimolekulové interakce znáte? Seřaďte je z hlediska síly (velikosti stabilizace). Zkuste odhadnout, jaká je fyzikální podstata jednotlivých interakcí. O Vodíková vazba: Elektrostatická aktrakce a orbitalová interakce Q Elektrostatické interakce: náboj - náboj, náboj - dipól... indukovaný dipól - indukovaný dipól O Stacking, van der Waals: Disperzní interakce O „Sigma díra" (halogenové vazby, chalkogenové vazby...): Elektrostatická atrakce a orbitalová interakce 0 CH-7r: Velice komplexní a těžko určitelné O ion-7r: Velice komplexní a těžko určitelné Martin Novák (NCBR) H-BOND & X-BOND ACCEPTORS Proteins: Nucleic Acids: Ligands: Peptide bond (O/N/k) Base (O) (QMS] Side chains (O/O/N/S/n) Phosphoribose (O/O") X (F, Br, Ct, l) Solvent (O) Solvent (O) X-BOND DONORS Proteins: Thyroxine (I) Br-Tyr l-Phe (Engineered) Nucleic Acids: X-Uracil (Engineered) X-Cytosine (Engineered) Ligands: X-Substituents H-BOND DONORS Proteins: Peptide bond (HN) Side chains (HO/HS) Nucleic Acids: Base (HN) Phosphoribose (HO) Ligands: (HO/HN/HS) Solvent (HO) ACCEPTORS ^foe-Bond ^vow* H-Bond t & donors q e1 (D +q o \Ab=+q(+l)b-c\{-l)b (i) o ,A s s A. b oto o o o o h f o Qab= qrarĎ Q„=+q<-l)(-l)-q(+lX+l) +q(+l)(+l)-q(-l)(-l)=0 (•Vo') (!!) Tttrtióäp S .A. H (B) 6.96 a (a.u.) 35.52 E (kcal mol-1) -15.50 HN NH HN NH HN NH HN NH O^N-^D O^N-^o O^N-^s S^N-^j H 6.49 44.97 -15.63 H 5.87 54.33 -15.39 H 5.15 63.76 -14.69 doi:10.1038/nature21701 TĽíralcmp Validation of measurement of hydrophobic interaction by addition of methanol. CD Ma etal. Nature 517, 347-350 (2015) doi:10.1038/naturel4018 nature Lennard-Jonesův potenciál Vypočtěte interakční energii a sílu působící mezi dvěmi atomy argonu, jejihž vzdálenost je 400 pm. Použijte Lennard-Jonesův potenciál: kde: V je hodnota potenciálu e je re je r je aktuální vzdálenost o) Mezimolekulové interakce Lennard-Jonesův potenciál • Vypočtěte interakční energii a sílu působící mezi dvěmi atomy argonu, jejihž vzdálenost je 400 pm. Použijte Lennard-Jonesův potenciál: • kde: • V je hodnota potenciálu • e je hloubka potenciálové jámy • re je rovnovážná vzdálenost • r je aktuální vzdálenost • Použijte hodnoty re = 3,4 Á a e = 100,0 kJ mol-1 Martin Novák (NCBR) Mezimolekulové interakce Nakreslete dusíkové báze nacházející se v DNA a naznačte jejich dipólový moment. Martin Novák (NCBR) Mezimolekulové interakce 16. října 2015 4/12 Úloha 2: Nukleotidy • Nakreslete dusíkové báze nacházející se v DNA a naznačte jejich dipólový moment. Thymin Adenin r 5 CT * Martin Novák (NCBR) Mezimolekulové interakce 16. října 2015 4/12 Kolik vodíkových vazeb je v kanonických párech bazí A-T a G-C? □ S Martin Novák (NCBR) Kolik vodíkových vazeb je v kanonických párech bazí A-T a G-C? O Stabilizována elektrostatickými, kovalentními a disperzními silami O Atomy X-H jsou kovalentně vázány, vazba je polarizována a síla vodíkové vazby vzrůstá s elektronegativitou atomu X Q Vznik vodíkové vazby zpravidla indukuje prodloužení vazby X-H, pozorujeme červený posun v IR spektrech pro vibrace vazby X-H a nové vibrační módy, které náleží vzniku vodíkové vazby Q Úhel X-H- • • Y je blízký 180° a je tím lineárnější, čím je vodíková vazba kratší Q Uskupení X-H- • • Y lze zaznamenat pomocí NMR. Proton ve vodíkové vazbě je zpravidla odstíněn oproti stejnému protonu mimo vodíkovou vazbu. O Gibbsova energie související s formací vodíkové vazby by měla být větší než termální fluktuace. Arunan, E. et al, PureAppl. Chem. 2011, 83, 1637-1641. Martin Novák (NCBR) Mezimolekulové interakce 16. října 2015 5/12 Úloha 3: Nukleotidy - řešení • G-C pár bazí je spojen ve Watson-Crickově konformaci třemi "učebnicovými" vodíkovými vazbami N-H- • • O a N-H- • • N • A-T pár bazí je spojen dvěmi takovými vazbami a dále je možné uvažovat kontakt C2-H2- • • 02 jako třetí stabilizující kontakt: • + Aromatický uhlík C2 je elektronegativnější než vodík • + Vazba C2-H2 se po spárování mírně prodlužuje • + V elektronové hustotě vzniká tzv. "bond path" (Obr. na straně 5) • - Vzdálenost mezi kyslíkem a vodíkem je mnohem větší než součet vdW poloměrů těchto prvků (2,73 Á vs. 2,60 Á) • - Vazebný úhel se velmi liší od linearity (přibližně 120°) • Energetický příspěvek nelze určit o Pohled na A-T pár bazí spojený dvěmi vodíkovými vazbami je pravděpodobně bližší realitě* *Ale filozofické debaty mohou pokračovat. Martin Novák (NCBR) Úloha 4: Vliv solventu na vodíkové vazby a stacking Vysvětlete, čím je zapříčiněna dramatická změna interakční energie mezi dvěmi bázemi v případě Watson-Crickova párování. Proč je stacking ovlivněn pouze minimálně? A=T S -10 -20 10 GeC ul -20 w-c 1 ri Stack H-bond in vacuum • H-bond in SMD I u 8 — 6 o E Stacking in vacuum • -Stacking in SMD ní 4 - • • • • • • • V, Interaction Energy i i i cn J> ro o ro m 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 í .5 3 3.5 4 4.5 Distance (Ä) Distance (A) H-bond in vacuum • H-bond in SMD 4 Stacking in vacuum • Stacking in SMD • r • • • • • • • • • 2 "5 E O >-CD _2 Q) C LU 1 -4 U CO 1 "5 • • • « • v* -8 1 n - 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Distance (A) 3 3.5 4 4.5 Distance (Ä) 5.0 A Martin Novák (NCBR) Mezimolekulové interakce 16. října 2015 7/12 Úloha 4: Řešení • Implicitní vs. Explicitní solvatační model: * Implicitní model tvoří pole s danými vlastnostmi, které ovlivňuje elektronovou hustotu solutu. Používá se zde selfkonzistentí řešení vzájemné polarizace solutu a solventu. Implicitní solvent popisuje dobře slabé solvatační efekty. Pokud ale například existují směrové interakce (např. vodíkové vazby, koordinace vody apod.), je nutné zahrnout "explicitní" molekuly rozpouštědla. • Na čem jsou založeny jednotlivé interakce? o Vodíkové vazby jsou založeny na elektrostatické atrakci a orbitalovém překryvu. • Stacking je primárně založen na disperzi, která vychází z elektronové korelace (kvantové jevy). • Jak solvent ovlivní chování oproti vakuu? o Elektrostatické interakce jsou právě atenuovány přítomnosti dielektrického pole. Z Coulombova zákona plyne, že energie je nepřímo závislá na dielektrické konstantě okolí. Interakce založené na elektrostatické stabilizaci jsou proto ovlivněny mnohem více. Martin Novák (NCBR) Mezimolekulové interakce 16. října 2015 8/12