Quantenchemische Geometrieoptimierungen in Proteinen unter Verwendung kristallographischer Rohdaten

Es wird eine Methode zur Kombination von quantenchemischen Geometrieoptimierungen und kristallographischer Strukturverfeinerung entwickelt. Die Methode wird implementiert, indem die quantenchemische Software Turbomole mit der kristallographischen Software Crystallography and NMR System (CNS) integriert wird, wobei drei kleine Prozeduren verwendet werden, die Informationen zwischen den beiden Programmen übertragen. Das Programm (COMQUM-X) wird verwendet, um die Bindung des Inhibitors N-methylmesoporphyrin an Ferrochelatase zu untersuchen, und wir zeigen, dass sich die Methode einwandfrei verhält und zu einer Verbesserung der Struktur des Inhibitors führt. Sie ermöglicht es uns, energetisch direkt zu quantifizieren, wie stark das Protein die Struktur des gebundenen Inhibitors im Vergleich zur optimalen Vakuumstruktur verzerrt (4-6 kJ/mol). Der Ansatz verbessert den standardmäßigen kombinierten quantenchemischen und molekülmechanischen Ansatz (QC/MM), indem er gewährleistet, dass die endgültige Struktur mit den experimentellen Daten (den Reflexen) übereinstimmt, und das Risiko einer Fehlerfortpflanzung in den Kristallkoordinaten vermeidet. Das Programm kann auch als eine Verbesserung der standardmäßigen kristallographischen Verfeinerung angesehen werden, die eine präzise empirische Potenzialfunktion für jede interessierende Gruppe liefert. Die Ergebnisse können direkt anhand kristallographischer Standardbegriffe interpretiert werden (z. B. R factors oder Elektronendichtekarten). Die Methode kann verwendet werden, um Kristallstrukturen zu interpretieren (z. B. den Protonierungsstatus metallgebundener Wassermoleküle) und diese sogar lokal zu verbessern.