Химия и Биология: расчеты vs эмпирика

[KP580BE51]

Komissar

Анализ и получение спектров ЯМР при имеющейся геометрии не бином Ньютона для молекулярного моделирования. Я участвовал посильно в параметризации силового поля для ЧАРММа, так вот воспроизведение спектра никогда не было таргетом (обычно используется следующий джентельменский набор - термодинамика, коэффициенты самодиффузии, диэлектрические свойства), однако N15 chemical shifts, quadrupolar splitting получается из МД вполне аккуратно безо всяких шаблонов.

Я не много не понял. Как я понял, главная идея ЯМР, это по спектру получить химическую формулу. Тут уже кидали ссылки, как это делается, как считаются моменты между атомами в молекуле итд. Я так и понял, что это одно из главных на сегодняшний дней применений суперкомпютеров, которые Cray делает.
А как я понял Коммисар говорит то, что ЯМР основан на шаблонах. К примеру берут кукую-то молекулу, типа C2H5OH определяют ее template и на основе этого судят, является часть этой молекулы частью более сложной молекулы.

Я правильно понял?

[Noskov Sergey]

Не химическую формулу. На черта она сдалась для протеина. А пространственную структуру, точнее ансамбль структур. Комmисар, очевидно говорит о моделировании from scratch всего спектра ЯМР для какой-либо сложной молекулы in the absence of structure. Пока это фантастика и информация о геометрии попросту необходима. Т.е. решение обратной задачи имея геометрию получить спектр вполне возможно. Проблема начальной геометрии в био-ЯМР довольно остра, многие структуры были отозваны по причинам неправильного shift assignment = wrong initial guess. DMSO mentioned is a background solvent used in the NMR, which contributes to observed signals. I thought that CHCl3 and TFE are a bit more popular.

[KP580BE51]

Не химическую формулу. На черта она сдалась для протеина.
А пространственную структуру,

Это и имел в виду. Извините.

точнее ансамбль структур.

А что за ансамбль?

Комmисар, очевидно говорит о моделировании from scratch всего спектра ЯМР для какой-либо сложной молекулы in the absence of structure. Пока это фантастика и информация о геометрии попросту необходима.

Не понял. Спектр как я понимаю получают из ЯМР.

Т.е. решение обратной задачи имея геометрию получить спектр вполне возможно. Проблема начальной геометрии в био-ЯМР довольно остра, многие структуры были отозваны по причинам неправильного shift assignment = wrong initial guess. DMSO mentioned is a background solvent used in the NMR, which contributes to observed signals. I thought that CHCl3 and TFE are a bit more popular.

Не понял. Есть растворитель, в нем растворили молекулы, он в любом случае будет какие-то помехи давать.

CHCl3 - хлороформ?
TFE - Tetrafluoroethylen?
TFE применяют потому что Углерод и фтор не дают ЯМР? Но они же как-то реагируют (не химически) с теми же протеинами?

[Noskov Sergey]

Ну молекула то вообще-то не зафиксирована в пространстве, протеины, например, вполне могут показывать liquid-like динамику(thermal fluctuations, isomerization, librational/rotational modes, breathing mode -collective motion). Посему и ансамбль структур. Для одной и той-же боковой цепочки может быть 2-3 стабильные конформации, поскольку для ЯМР используются ограничения по дистанциям то и структур будет несколько.

Т.е. задача по Коммисару (если я правильно его понимаю) - взять молекулу с неизвестной геометрией, но известной аминокислотной последовательностью, и полностью промоделировать спектр ЯМР в каком-либо растворителе. Следующим шагом сделать эксперимент и сравнить. Тут конечно не одна задача а пару десятков, но в такой постановке она пожалуй пока не разрешима для сложной молекулы, но вполне разрешима для аланин-дипептида.

Касательно растворителей, они дают сигнал и сигнал этот идет фоном. Доп. проблемы эффект самих растворителей на структуру протеина - т.е. присуцвие неполярного хлороформа может изменить барьеры для переходов из одной конформации в другую.

Хим.реакции возможны, но обычно очень медленно. Для галоген-производных реакции будут типа присоединения к кольцу триптофана (фотохимическая), которая в отсутствии фотона не пойдет. Выбор растворителя штука вообще неоднозначанай, поскольку протеины могут денатурировать в разных средах.

[Komissar]

полностью промоделировать спектр ЯМР в каком-либо растворителе. Следующим шагом сделать эксперимент и сравнить. Тут конечно не одна задача а пару десятков, но в такой постановке она пожалуй пока не разрешима для сложной молекулы, но вполне разрешима для аланин-дипептида.

Bingo! ЧТД. Умеем моделировать ("предсказывать" - кавычки намеренно) известные простые системы. Потому что на самом деле идем от обратного: есть простая система, известен ее спектр (экспериментально), давайте придумаем, как его "предсказать" (промоделировать) теоретически-аналитически. А потом радуемся, что, вот, наши предсказания-то как здорово описывают эксперимент.

Покажите мне спектр, выведенный действительно "на кончике пера" - т.е. когда эксперимент не был заранее известен, а предсказанный спектр получился очень близок.

Причем экспериментальный спектр не был известен ни для самой системы, ни для ее близких аналогов - типа замену -CH3 на -C2H5 не предлагать (хотя на практике бывает, что и простой этильный заместитель вносит большие изменения).

[Noskov Sergey]

Я не вижу ничего странного в попытках именно предсказать параметры простой системы описанной экспериментально. Повторюсь ещё раз, при параметризации силовых полей СПОСОБНОСТь описывать, ну или если хотите предсказывать, спектры не закладывается (except for vibration spectroscopy i.e. simplest bond,angle, dihedral stretching,bending etc). И да идти от простого к сложному нормальное развитие науки.
Что значит неизвестная система? Возьмите белок из PDB с геометрией полученной другим методом - нейтрон например, и посчитайте сдвиги. Могу поспорить с Вами что для они будут более чем адекватны comparing to unknown exp data. Сдвиги не зависят от информации о аналогах, но от локальной динамики усредненной по времени.

Написал ведь (о предсказаниях - так сказать личный ответ Чемберлену), могу и ссылки дать о своей собственной работе, где мы предсказывали, не спектры, но электофизиологию:
Our paper:
http://www.biophysj.org/cgi/content/abs ... type=HWCIT
Exp данные опубликованы через через пол.года после публикации:
http://www.biophysj.org/cgi/content/abstract/89/5/3059

"Except at position 130 and positions 128 and 131 (see the theoretical study of Noskov et al. (19)), none of the other three mutations were reported to have a major effect on {alpha}HL channel properties without subsequent chemical modification. In addition, only the channel formed by D128C demonstrates an inversion in the conductance-voltage dependence. The latter result is consistent with the assumption (19) that D128, although presumably in a hydrophobic zone (see below), is in a charged form and contributes to the channel conductance rectification. Negative charge predominates in the trans opening, and positive charge predominates in the cis entrance. These findings are consistent with a recent theoretical study (19)."

19 - is my paper.
Мне лениво искать все успешные до-експ. предсказания, поэтому я буду писать о своих Кстати в цитатах от ьекспериментаторов, а мой тезка - Сухарев и есть експериментатор - электрофизиолог и биофизик:
http://www.biophysj.org/cgi/content/full/88/6/3742
"Indeed, explicit computing of channel currents becomes not only possible, but also easier."

[Noskov Sergey]

Ну и вконце концов леденящая душу история о том как поругались Иван Максимыч и Иван Иваныч.

Мой бывший шеф - весьма хороший теоретик делал sabbaticals у весьма известного кристаллографa (Nobel Prize Laureate now). И в процессе счета получалось что в калиевых каналах есть ещё один ion binding site - external (free energy simulation, umbrella sampling and a lot of funny and complex things for references in PM). Electron. densities (1999) данное предположение не поддерживали, соотвественно простые кинетические модели ионного транспорта также отличались. Оба гражданина уперлись и дошло до откровенной ругани и опубликования статей друг без друга. Однако в 2004 с увеличением X-Ray structure resolution from 3 A to 1.9 невидимый прежде binding site появился в новых експ. структурах and theoretical model of multi-ion (3 ions in fact) conductances got some exp.support from the dark side yet without reference or appreciation.

[flip_flop]

В качестве компенсации другая ледянящая душу история из личного опыта.

Конец восьмидесятых. Захожу в комнату с драгоценными чудесами ПС на то время и вижу что мою отраду - ИБМ ПС 286 занимает малоизвестная личность - аспирант с кафедры физики под опекой моего коллеги. Я гневно вопрошаю - "кто снял мою задачу? Система ГЛОНАСС в опасности!" Мой коллега и приятель аспиранта роняет - "да погоди ты - подумаеш электроника какая-та, рокет сайенс понимаеш, биг дил - тут рождается новая обобщенная теория твердого тела в физике. Аспирант и его профессор рассчитали новый энергетический уровень электрона в углероде, надо уравнение Шредингера считать, не на поклон же в этот ужасный ВЦ идти. Они тебя упомянут с благодарностью в торжественной речи при вручении Нобелевской премии по физике." Ну от такого предложения я не смог устоять, потому как сноб и тоже считал, что "есть физика а все остальное - собирание марок"

Далньейшее развитие дела - статьи профессора и аспиранта никуда не принимают, профессор переходит в разряд "чокнутых", один дотошный рецензент указывает на методическую ошибку рассчетов из-за недостаточного анализа базисного численного метода, аспирант переходит в коммерсанты с бандитским уклоном.

Система ГЛОНАСС в очередной раз "вот-вот будет функционировать", не прошло и 20 лет (правда роль одного дня расчетов одной мелкой задачи ничтожна по сравнению с другими причинами).

Такое вот моделирование с теорией.