[論文レビュー] Established DFT methods calculation of conjugation disturbed in the presence of torsional hyperconjugation

John N. Sharley|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2015

Advanced Chemical Physics Studies参考文献 66被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、歪みる超共鳴（torsional hyperconjugation）の不適切な取り扱いにより、既存のDFT手法がアミドの共鳴を正確に記述できないという深刻な欠陥を特定している。これはカルボニル基におけるシグマ／パイ軌道の分離を損なう。NBO解析を用いて、タンパク質計算で一般的に使用される小規模な基底関数を用いたDFTでは、電子的構造が正しく維持されず、βヘリックスなどの二次的タンパク質構造における水素結合や空間効果の予測が誤って行われることを示している。

ABSTRACT

Accurate treatment of amide resonance is important in electronic structure calculation of protein, for Resonance-Assisted Hydrogen Bonding in the hydrogen bonded chains of backbone amides of protein secondary structures such as beta sheets and alpha helices is determined by amide resonance. Variation in amide resonance is the means by which the hydrogen bonding in these chains is cooperative. Amide carbonyl orbitals are revealed by Natural Bond Orbital, NBO, analysis to substantially maintain sigma/pi separation in the presence of torsional hyperconjugative interactions with wavefunction methods but not with established Density Functional Theory, DFT, methods. This DFT error is most pronounced with small basis sets such as are used with DFT for proteins to reduce the basis function count. This error disturbs calculation of a range of amide donor-acceptor and steric interactions. This finding has important implications for the selection of electronic structure methods and basis sets for protein calculations. For example, great caution is needed in interpreting the results of applying established DFT methods to proteins containing any beta sheets. We recommend that every protein DFT calculation be accompanied by NBO assessment of maintenance of amide carbonyl sigma/pi separation and absence of carbonyl bond bending. Further, we propose that these metrics be standard benchmarks of electronic structure methods and basis sets.

研究の動機と目的

• 既存のDFT手法がタンパク質の二次的構造におけるアミド共鳴をどの程度正確にモデル化できるかを調査すること。
• ねじれ超共鳴が、特に小規模な基底関数を用いたDFT計算において、電子的構造にどのように歪みをもたらすかを特定すること。
• βヘリックスやアルファヘリックスにおける水素結合や空間効果の相互作用の予測に関して、DFTの信頼性を評価すること。
• NBOに基づく診断指標を、タンパク質モデリングにおける電子的構造手法の妥当性を検証するための必須基準とする提案をすること。
• 共鳴や軌道混合の取り扱いが不十分であるため、DFTに基づくタンパク質シミュレーションで誤った結論に至るリスクを解消すること。

提案手法

• 自然結合軌道（NBO）解析を用いて、アミドカルボニル基におけるシグマ／パイ軌道の分離を評価した。
• 正しい軌道分離を保つことができる波動関数法の結果と、既存のDFT関数との比較を行った。
• タンパク質DFT計算で一般的に用いられる小規模な基底関数を用い、現実的な計算条件を再現した。
• さまざまな二面角の下で、アミドのN–HとC=O軌道間のねじれ超共鳴的相互作用を解析した。
• DFTの誤差が、結合の曲げやドナー・アクセプター相互作用といった重要な電子的性質に与える影響を評価した。
• DFT手法のバイオ分子応用における標準的検証チェックとして、カルボニル軌道分離と結合曲げのNBO指標の導入を提案した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ねじれ超共鳴が生じる状況下で、既存のDFT手法がアミドカルボニルにおける適切なシグマ／パイ軌道分離をどの程度維持できないか。
• RQ2 小規模な基底関数の使用が、タンパク質におけるアミド共鳴のDFT計算誤差をどの程度悪化させるか。
• RQ3 誤った軌道混合が、βヘリックスやアルファヘリックスにおける水素結合の協同効果の予測にどのような影響を及えるか。
• RQ4 NBO解析は、DFTに起因するアミド電子的構造の歪みを信頼性を持って検出できるか。
• RQ5 NBO診断指標は、タンパク質のシミュレーションにおける電子的構造手法の妥当性を検証する上で、どの程度標準化されるべきか。

主な発見

• ねじれ超共鳴が存在する状況下で、既存のDFT手法はアミドカルボニルにおける適切なシグマ／パイ軌道分離を維持できない。
• この欠陥は、計算コストの制約によりタンパク質DFT計算で標準的に使用される小規模な基底関数を用いた場合に特に顕著である。
• 波動関数法は正しく軌道分離を保っているため、誤差はDFT関数と基底関数の制限に起因することが示された。
• DFTの誤差により、シグマとパイの性質が不適切に混合され、アミド基の電子的構造が歪められる。
• DFT計算では、人工的にカルボニル結合の曲げが誘導され、水素結合や空間効果の予測精度に影響を与える。
• NBO解析は、DFTで計算されたタンパク質系におけるこれらの電子的構造誤差を検出する信頼性の高い診断ツールであることが示された。