[论文解读] 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 4

一句话总结

该论文指出，传统DFT方法在准确描述酰胺共振时存在关键缺陷，这是由于对扭转超共轭的处理不当，导致羰基中sigma/pi轨道分离被破坏。通过NBO分析，研究发现：在蛋白质计算中常用的小基组DFT方法无法维持正确的电子结构，从而导致对β折叠等二级蛋白质结构中氢键和立体相互作用的错误预测。

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.

研究动机与目标

• 研究既有的DFT方法在模拟蛋白质二级结构中酰胺共振时的准确性。
• 识别扭转超共轭如何在DFT计算中扭曲电子结构，尤其是使用小基组时。
• 评估DFT在预测β折叠和α螺旋中氢键作用及立体相互作用的可靠性。
• 提出基于NBO的诊断指标作为验证蛋白质建模中电子结构方法的关键基准。
• 解决由于对共轭和轨道混合处理不当，导致DFT基蛋白质模拟得出错误结论的风险。

提出的方法

• 采用自然键轨道（NBO）分析评估酰胺羰基中sigma/pi轨道分离情况。
• 将正确保持轨道分离的波函数方法结果与既有的DFT泛函结果进行对比。
• 使用蛋白质DFT计算中典型的较小基组，以模拟实际计算条件。
• 分析酰胺N–H与C=O轨道之间在不同二面角下的扭转超共轭相互作用。
• 评估DFT误差对键角弯曲和给体-受体相互作用等关键电子性质的影响。
• 提出将NBO指标——特别是羰基轨道分离和键角弯曲——作为生物分子应用中DFT方法的标准验证检查。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在扭转超共轭的情况下，既有的DFT方法在多大程度上无法维持酰胺羰基中sigma与pi轨道的正确分离？
• RQ2 使用小基组在多大程度上加剧了DFT在蛋白质酰胺共振模拟中的误差？
• RQ3 错误的轨道混合对预测β折叠和α螺旋中氢键协同作用的影响是什么？
• RQ4 NBO分析能否可靠检测出DFT引起的酰胺电子结构畸变？
• RQ5 NBO诊断指标应在多大程度上被标准化，以用于蛋白质模拟中电子结构方法的验证？

主要发现

• 当存在扭转超共轭时，既有的DFT方法无法维持酰胺羰基中sigma与pi轨道的正确分离。
• 该缺陷在小基组下最为严重，而小基组因计算成本限制在蛋白质DFT计算中是标准配置。
• 波函数方法能正确保持轨道分离，表明该错误特异性地源于DFT泛函及基组限制。
• DFT误差导致sigma与pi特征的人为混合，从而扭曲酰胺基团的电子结构。
• DFT计算中人为诱导了羰基键角弯曲，影响了氢键和立体相互作用预测的准确性。
• NBO分析被证明是检测DFT计算蛋白质体系中此类电子结构误差的可靠诊断工具。