Моделирование электронных спектров органических хромофоров неэмпирическими методами квантовой химии тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.17 ВАК РФ

На правах рукописи

□□3448443

Бравая Ксения Борисовна

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ СПЕКТРОВ ОРГАНИЧЕСКИХ ХРОМОФОРОВ НЕЭМПИРИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ КВАНТОВОЙ ХИМИИ

Специальность 02 00 17 - математическая и квантовая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

и онт да

Москва - 2008

003448443

Работа выполнена в лаборатории химической кибернетики на кафедре физической химии Химического факультета Московского государственного университета имени М В Ломоносова

Научный руководитель

доктор химических наук, профессор

Немухин Александр Владимирович

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук Медведев Эмиль Самуилович

доктор физико-математических наук Зайцевский Андрей Вениаминович

Ведущая организация

Центр фотохимии Российской академии наук

Защита состоится 6 ноября 2008 г в 16 45 в 337 аудитории Химического факультета МГУ на заседании диссертационного совета Д 501 001 50 при МГУ им MB Ломоносова (119991, Москва, ГСП-2, Ленинские горы, д 1, стр 3, Химический факультет МГУ)

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Химического факультета МГУ им М В Ломоносова

Автореферат разослан 4 октября 2008 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 501 001 50, кандидат химических наук

Матушкина H H

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Моделирование структуры и спектров органических хромофоров предоставляет важную информацию, дополняющую результаты экспериментальных исследований в фотохимии, фотобиологии и оптике Фотопоглощение органических хромофоров лежит в основе процессов фоторецепции, передачи зрительного сигнала, фотосинтеза и биолюминесценции Исследование свойств возбужденных состояний органических сопряженных хромофоров с электрон-донорными/ акцепторными заместителями имеет важное значение для оптимизации свойств хромофоров, применяемых в нелинейной оптике Результаты расчетов энергий и интенсивностей вертикальных электронных переходов позволяют объяснять и предсказывать оптические свойства хромофорных групп в различных средах

Работа посвящена развитию методики расчета возбужденных состояний органических хромофоров в газовой фазе и в конденсированных средах, а также применению предложенных подходов к исследованию, прежде всего, биомолекулярных фотоактивных систем При этом необходимо использование многоконфигурационных методов квантовой химии для сбалансированного описания поверхностей потенциальной энергии основного и возбужденных электронных состояний с учетом статической и динамической электронной корреляции Для расчета энергий вертикальных электронных переходов хромофоров в изолированном состоянии предложена новая методика, основанная на многоконфигурационной квазивырожденной теории возмущений второго порядка Эта же методика в сочетании с гибридными методами квантовой и молекулярной механики (КМ/ММ) позволяет исследовать влияние молекул растворителя, а также белкового окружения на фотопоглощение хромофорных групп

Молекулярные объекты, исследованные в данной работе, включают биологические хромофоры, связанные с процессами старения в хрусталике глаза (3-ОН-кинуренин и аргпиримидин), хромофоры зеленого флуоресцентного белка, получившего широкое применение в качестве биомаркера ш vivo, модельные хромофоры желтого фотоактивного белка Рассмотрены также молекулы родопсина, ответственного за передачу зрительного сигнала, а также фотопереключаемого белка asFP595, обладающего уникальными свойствами разгорающейся флуоресценции и представляющего интерес не только как маркер в живых системах, но и как пер-

спективный материал для хранения информации

Цель работы. Цель работы заключалась в разработке методики точных расчетов возбужденных состояний органических хромофоров в изолированном состоянии, в растворе и в белковой матрице и применении предложенных подходов к исследованию ряда фотоактивных биомолекулярных систем В рамках работы были поставлены следующие задачи

1) Разработка методики для количественных оценок энергий вертикальных электронных переходов органических хромофоров в изолированном состоянии, основанной на многоконфигурационной квазивырожденной теории возмущений (МС<ЭОРТ2)

2) Применение данного подхода к расчетам энергий вертикальных электронных переходов для изолированных хромофоров и сравнение результатов расчета с экспериментальными данными о спектрах поглощения в газовой фазе

3) Исследование фотофизических свойств хромофорных групп в растворе с использованием неэмпирических методов квантовой химии высокого уровня точности в рамках теории КМ/ММ

4) Моделирование структуры и электронных спектров зрительного рецептора родопсина и разгорающегося флуоресцентного белка азРР595 в рамках предложенной методики неэмпирических расчетов в сочетании с методами КМ/ММ

Научная новизна результатов.

1) Разработана методика неэмпирических расчетов возбужденных состояний, основанная на многоконфигурационной квазивырожденной теории возмущений и предполагающая построение серии матриц эффективных гамильтонианов последовательно возрастающей размерности (aug-MCQDPT2) Показано, что для ряда систем подход аи£-МССШРТ2 превосходит по точности такие общепринятые многоконфигурационные методы, как МИМР2, СА5РТ2 и МС(ЗОРТ2

2) По результатам расчетов в рамках предложенной методики были получены новые данные о фотофизических свойствах органических хромофоров

• Впервые с использованием многоконфигурационной теории возмущений предсказаны энергии вертикальных электронных переходов для хромофоров зеленого флуоресцентного белка (GFP) и разгорающегося флуоресцентного белка asFP595 в различных протонированных состояниях

• Установлено, что аномальный гипсохромный сдвиг полосы поглощения для катионной формы хромофора 3-ОН-кинуренина при переходе из газовой фазы к водному раствору обусловлен конкуренцией процессов образования внутри-и межмолекулярных водородных связей и, как следствие, изменением геометрической конфигурации хромофора

• Впервые в рамках единого подхода с использованием многоконфигурационной теории возмущений получены оценки энергий вертикальных электронных переходов для хромофора 11-цис ретиналя в газовой фазе, растворе и белке родопсине Выявлена каталитическая роль белкового окружения в специфичности фотоиндуцированной реакции цис-транс изомеризации ретиналя по связи С11-С12

• По результатам расчетов энергий вертикальных электронных переходов проведена интерпретация экспериментального спектра белка asFP595 Предложен механизм разгорающейся флуоресценции белка asFP595

Научная и практическая значимость. Методический аспект данной работы заключается в разработке новой методики расчета возбужденных состояний органических хромофоров, позволяющей получать оценки энергий вертикальных электронных переходов высокой точности Результаты, полученные в данной работе, могут быть в дальнейшем использованы для предсказания и направленной модуляции оптических свойств хромофоров путем модификации локального окружения в белковой матрице Это может быть достигнуто введением точечных мутаций в аминокислотную последовательность белка по позициям, которые оказывают определяющее влияние на геометрическую конфигурацию и оптические свойства хромофорной группы

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации были представлены на III интернет-конференции "Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных научных проблем и прикладных задач химии, био-

логии, фармацевтики и медицины" (Москва, 2004), международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов" (Москва 2004, 2005, 2006, 2007 и 2008), международной конференции по водородным связям (Москва, 2004), международной школе по квантовой химии (Финляндия, 2005), Всероссийских школах-симпозиумах "Динамика и структура в химии и биологии" (Москва 2005, 2006 и 2007), конференции европейского научного общества "Биомолекулы - от свойств в газовой фазе к реакциям в живых клетках" (Австрия, 2006), VI международной конференции по низкотемпературной химии (Черноголовка, 2006), XIII международной конференции по фотохимии (Германия, 2007), втором международном симпозиуме "Соударения атомных кластеров структура и динамика от ядерных до биологических размеров" (Германия, 2007), XVII международной конференции и школе молодых ученых в области исследования водородных связей (Санкт-Петербург, 2007), VII международной молодежной конференции ИБХФ РАН-ВУЗы "Биохимическая физика" (Москва 2007)

Результаты опубликованы в 18 печатных изданиях, в том числе в 6 статьях в рецензируемых научных журналах

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка цитируемой литературы из 135 наименований Работа изложена на 109 страницах, включает 28 рисунков и 12 таблиц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1 включает обзор литературы по основным методам расчета возбужденных состояний, а также предложенной техники aug-MCQDPT2 для расчета энергий вертикальных электронных переходов органических хромофоров

Методы расчета возбужденных состояний можно разделить на две группы одно-и многореференсные подходы Методы первой группы предполагают использование однодетерминантного приближения для референсной волновой функции для последующего расчета энергий электронных переходов К наиболее часто используемым методам данного типа можно отнести метод конфигурационного взаимодействия с учетом однократных возбуждений (CIS), метод связанных кластеров в варианте уравнений движения (ЕОМ-СС) Также к данной группе принадлежит зависящая от времени теория функционала электронной плотности (TDDFT) в варианте, использующем теорию линейного отклика Основные положения и ограничения дан-

ных подходов описаны и проанализированы в первом разделе главы 1 По результатам анализа литературных данных сделан вывод, что однореференсные методы не могут быть использованы в качестве универсального подхода, позволяющего получать количественные оценки энергий возбуждения органических хромофоров Вторая группа квантово-химических методов расчета возбужденных состояний включает подходы, в основе которых лежит метод многоконфигурационного самосогласованного поля (MCSCF) Второй раздел главы 1 посвящен обзору наиболее распространенных методов данного типа Метод MCSCF в полном пространстве активных орбиталей (CASSCF) позволяет получить начальное приближение для описания электронных уровней Однако, использование данного подхода приводит к значительным количественным погрешностям в оценках энергий электронных переходов, а в некоторых случаях — к неверному качественному описанию возбужденных состояний в связи с отсутствием учета эффектов динамической электронной корреляции Улучшение описания возможно в рамках многоконфигурационной теории возмущений с волновой функцией нулевого порядка, представленной решением CASSCF Среди методов многоконфигурационной теории возмущений выделяются подходы, в которых расчет поправки к энергии осуществляется независимо для каждого состояния, и методы, позволяющие учитывать взаимодействие между исходными решениями CASSCF в рамках техники эффективных гамильтонианов В последнем случае наряду с расчетом поправок к энергиям возможно также качественное изменение волновой функции, что является принципиальным в случае, когда исходные решения метода CASSCF являются плохим начальным приближением для теории возмущений К первому типу методов относится многоконфигурационная теория возмущения Меллера-Плессе (MRMP2) [Hirao К Chem Phys Lett, 1992, 190, 374] Второй тип образуют подходы, аналогичные методу многоконфигурационной квазивырожденной теории возмущений (MCQDPT2) [Nakano Н J Chem Phys , 1993, 99, 7983]

Далее описана предложенная в данной работе техника для расчета возбужденных состояний органических хромофоров, aug-MCQDPT2, основанная на методе MCQDPT2 [Nemukhin et al Proc of SPIE, 2006, 6449, 64490N] В рамках теории MCQDPT2 энергии электронных состояний и волновые функции вычисляются как собственные значения и собственные функции матрицы эффективного гамильтониана MCQDPT2, построенного в базисе референсных состояний CASSCF, об-

разующих референсное пространство Переход к расширенным референсным пространствам позволяет учесть согласованное влияние динамической электронной корреляции на большее число уровней и их связь посредством недиагональных элементов матрицы эффективного гамильтониана Предложенная в данной работе методика а1Щ-МС(ЗОРТ2 направлена на систематическое исследование влияния размерности референсного пространства на получаемые оценки энергий возбуждения и волновые функции Данный подход предполагает построение серии матриц эффективного гамильтониана МС(^ЮРТ2 последовательно возрастающей размерности с целью получения решения, насыщенного относительно числа референсных состояний

Глава 2 посвящена применению предлагаемого подхода аи£-МССШРТ2 к расчету энергий вертикальных электронных переходов для набора модельных органических хромофоров, относящихся к различным классам химических соединений Были рассмотрены полиеновые цепочки на примере ретиналя, а также ароматические, в том числе гетероциклические соединения — хромофоры зеленого флуоресцентного белка (бРР), желтого фотоактивного белка, молекулы азулена и диазаазулена Химические структуры указанных соединений приведены на рисунке 1

Первый раздел посвящен описанию используемых квантово-химических методов Для получения количественных оценок энергий вертикальных электронных переходов необходимо аккуратное описание геометрической конфигурации ядерной подсистемы Это может быть достигнуто при использовании методов, учитывающих эффекты динамической электронной корреляции, в частности, теории функционала электронной плотности (ОРТ) с широкими корреляционно-ориентированными базисными наборами В наших работах поиск равновесной геометрической конфигурации проводился в рамках метода ОРТ с использованием гибридного функционала РВЕО В расчетах был использован корреляционно-согласованный базисный набор сс-рУ02 В случае анионных систем данный базис был также дополнен диффузными функциями на гетероатомах ароматических молекулярных систем, (а1^)-сс-рУ02 Регистрируемые в эксперименте пики поглощения для исследуемых модельных систем отвечают 7г-7г* переходам, и, соответственно, расчет энергий вертикальных электронных переходов проводился в рамках 7г-электронного приближения В активное пространство при расчетах САББСР включались все орбитали сопряженной тг-системы хромофора Для сбалансированного описания основного и возбуж-

денного электронных состояний использовался метод CASSCF с усреднением электронной плотности по состояниям Учет эффектов динамической электронной корреляции проводился в рамках техники aug-MCQDPT2 Также были получены оценки энергий вертикальных электронных переходов в приближении MRMP2 Все расчеты были выполнены с использованием пакета квантово-химических программ PC GAMESS (А А Грановский, http //classic chem msu su/gran/gamess/index html)

Во втором разделе представлены результаты расчетов энергий вертикальных электронных переходов для модельных систем в рамках предложенной техники aug-MCQDPT2 [Nemukhin et al Proc of SPIE, 2006, 6449, 64490N, Бравая и др Химическая физика, 2008, 27, 13] и проведено сравнение результатов с оценками, полученными с использованием общепринятых многоконфигурационных методов квантовой химии Для всех модельных систем было достигнуто хорошее согласие оценок энергий возбуждения и экспериментальных данных о положении максимумов полос поглощения (Табл 1) Особое внимание уделяется хромофору желтого фотоактивного белка в форме депротонированной пара-кумаровой кислоты, рСА", и молекуле протонированного основания Шиффа ретиналя, PSBR (Рис 1), поскольку данные системы иллюстрируют преимущества предложенной методики aug-MCQDPT2 по сравнению с подходами MRMP2 и MCQDPT2

Были рассмотрены различные классы молекулярных систем, включая анионные, катионные и нейтральные формы Первый рассматриваемый тип систем представляют анионные хромофорные группы, для которых характерны низколежащие диффузные ридберговы состояния, что может приводить к смешению ридберговых и валентных состояний в приближении CASSCF Расчет подобных систем представляет сложную задачу для многоконфигурационных подходов, поскольку референс-ные состояния CASSCF являются плохим начальным приближением для теории возмущений Примером хромофора в анионном состоянии с качественно неверным решением CASSCF, является хромофор рСА для которого искомое возбужденное состояние является только шестым Учет динамической электронной корреляции в рамках метода MRMP2 не приводит к изменению порядка электронных уровней В данном случае применение многоконфигурационной теории возмущений в варианте MRMP2 является некорректным и приводит к неверному количественному и качественному описанию возбужденных состояний Использование техники эффективных гамильтонианов в рамках многоконфигурационной теории возмуще-

о

о

GFPa

GFPc

О

НО

N—

GFPn

азулен

DAA О

О

НО

ОН

О-

рСА

рСТМ

Рисунок 1. Химические структуры модельных систем органических хромофоров в газовой фазе протонированное основание Шиффа транс-ретиналя (PSBR), хромофор зеленого флуоресцентного белка в анионной (GFPa), катионной (GFPc) и нейтральной формах (GFPn), молекулы азулена и 1,3-диазаазулена (DAA), а также хромофор желтого фотоактивного белка в виде депротонированной пара-кумаровой кислоты (рСА") и тиофенил-паракумарата (рСТ~)

ний M.CQDPT2 приводит к верному порядку возбужденных состояний и достаточно хорошему согласию полученного значения энергии перехода S0-S1 с экспериментальными данными при размерности эффективного гамильтониана равной 6 (Табл 1) Количественное согласие достигается при использовании техники aug-MCQDPT2, и полученной энергии перехода S0-S1 отвечает длина волны 435 нм, что хорошо описывает экспериментальное значение 430 нм Применение техники aug-MCQDPT2 приводит к изменению разложения волновой функции возбужденного состояния по конфигурационным функциям состояния (КФС) При размерности эффективного гамильтониана 14 волновая функция становится более локализованной и описывается КФС, отвечающей одноэлектронному переходу с высшей занятой на низшую вакантную орбиталь

Показано, что техника aug-MCQDPT2 позволяет количественно описывать энергии возбуждения в случаях, когда подход MCQDPT2 с построением матриц эф-

Таблица 1. Энергии вертикальных электронных переходов S0-S1, эВ, и соответствующие им длины волн (в скобках), нм, полученные в рамках различных многоконфигурационных методов для набора модельных хромофоров в изолированном состоянии '

MRMP2 MCQDPT2 aug-MCQDPT2 эксперимент (•^max)

PSBR 2 04 (607) 2 56 (484) 2.05 (604) 2.00 (620) 1

GFPc 2 94 (422) 3 22 (385) 3 12 (398) 3.05 (406) 2

GFPn 3 61 (343) 3 71 (334) 3.11 (399) 3.11 (399) 1

GFPa 2 47 (501) 3 18 (490) 2 54 (489) 2 59 (479) 2

pCA- 5 17 (240) 3 05 (407) 2 85 (435) 2 83 (430)4

pCT" 2 58 (481) 2 70 (459) 2.71 (458) 2.70 (460) 4

1 равновесные геометрические конфигурации получены в приближении PBE0/(aug) cc-pVDZ

¡ Nielsen et al Phys Rev Lett , 2006, 96, 018304

3 Andersen et al Eur Phys J D 2002, 20, 597

4 для аналога нейтрального хромофора GFP, Lammich et al Biophys 1, 2007, 92, 201 207

5 Nielsen et al Biophys J, 2005, 89 2597

фективных гамильтонианов малой размерности приводит к значительным ошибкам В качестве примера приводятся результаты моделирования электронного спектра PSBR Расчет энергий электронных переходов в рамках метода MCQDPT2 для данной системы приводит к расхождению с экспериментальными данными для положения максимума полосы поглощения в 130 нм Для молекулы PSBR характерно смешивание тг и а орбиталей в активном пространстве CASSCF Использование подобных орбиталей недостаточно для корректного описания эффектов а — п корреляции в рамках подхода CASSCF и, более того, приводит к ухудшению качества решения в ^-приближении Расчет поправок к полученным решениям по теории возмущений ведет к переоценке вкладов эффектов а-тг корреляции и большим величинам недиагональных элементов матрицы эффективного гамильтониана Значительные ошибки в данном случае могут объясняться малой величиной энергии перехода S0-S1 полученные в рамках метода MCQDPT2 недиагональные элементы матрицы эффективного гамильтониана сравнимы по величине с энергией электронного перехода Последовательное увеличение размерности эффективного гамильтониана приводит к более корректному описанию а — -к корреляции и значению

энергии перехода S0-S1, находящемуся в хорошем согласии с экспериментальными данными

Отдельно проиллюстрированы особенности применения предложенной методики для расчетов электронных спектров с учетом симметрии на примере молекул азулена и 1,3-диазаазулена, для которых необходимо описывать электронные переходы между состояниями различной симметрии [Bravaya et al J Mol Struct (Theochem),2008, 855, 40]

В заключение указывается, что предложенная методика позволила получить оценки экспериментальных значений длин волн максимумов полос поглощения для широкого класса органических хромофоров в изолированном состоянии с погрешностью, не превышающей 16 нм для видимого спектрального диапазона Показано, что техника aug-MCQDPT2 в ряде случаев превосходит по точности такие известные подходы, как MRMP2, CASPT2 и MCQDPT2

Моделирование электронных спектров небольших хромофорных групп не только в изолированном состоянии, но и в конденсированных средах имеет важное значения для оптики, фотохимии и фотобиологии Оптимальным подходом при моделировании геометрической конфигурации и электронной структуры небольших систем в окружении является применение гибридных методов КМ/ММ, согласно которым центральная часть исследуемой молекулярной системы рассматривается в приближении квантовой механики (КМ), тогда как окружение, состоящее из нескольких сотен атомов, описывается более экономичным способом в рамках молекулярной механики (ММ) Глава 3 включает описание методов КМ/ММ, используемых в работе

В первом разделе представлена классификация методов КМ/ММ по способу описания взаимодействия с окружением метод механического внедрения или внедренного кластера, описывающий взаимодействие между КМ и ММ подсистемами в рамках модели молекулярной механики, методы электронного внедрения [Bakowies, Thiel I Phys Chem , 1996, 100, 10580] и метод потенциалов эффективных фрагментов (EFP) [Gordon et al J Phys Chem A, 2001, 105, 293], учитывающие влияние окружения на электронную структуру квантовой подсистемы Метод механического внедрения представляет простейший подход КМ/ММ, в рамках которого молекулярно-механическая часть вносит только поправку к энергии и градиенту квантовой подсистемы, накладывая дополнительные ограничения на геомет-

рические параметры Методы электронного внедрения предполагают добавление в гамильтониан КМ подсистемы одноэлектронных операторов кулоновского взаимодействия электронной плотности центральной подсистемы с точечными зарядами на атомах ММ подсистемы Более корректное описание поляризации электронной плотности КМ части окружением возможно с использованием метода EFP, в рамках которого влияние окружения на квантово-механическую подсистему описывается наиболее важными вкладами одночастичных операторов межмолекулярного взаимодействия в оператор Гамильтона КМ подсистемы, а именно электростатического, поляризационного и обменного Электростатический потенциал задается в виде многоцентрового мультипольного разложения

Во втором разделе представлена методика, используемая в данной работе Описаны особенности моделирования равновесной геометрической конфигурации хромофоров в растворе и белковой матрице При моделировании фотопоглощения хромофоров в белковой матрице на этапе оптимизации геометрии предполагается использование метода механически внедренного кластера Для корректного описания электронной структуры хромофорной группы в рамках подхода механического внедрения все близлежащие заряженные аминокислотные остатки, а также остатки, образующие водородные связи с хромофором, включались в квантовую часть С использованием этой методики был, в частности, построен энергетический профиль реакции гидролиза субстрата ферментом группы серин-карбоксильных протеаз и впервые установлен механизм их каталитического действия [Bravaya et al / Chem Theor Comp , 2006, 2, 1168]

При расчете возбужденных состояний хромофора важно учитывать влияние окружения на волновую функцию квантовой подсистемы, что диктует необходимость применения таких подходов, как метод потенциалов эффективных фрагментов или электронного внедрения Описываются основные методические аспекты построения модели и процедура неэмпирических расчетов для получения параметров мультипольного разложения в потенциале метода EFP

Поиск равновесной геометрической конфигурации хромофора в растворе представляет еще более сложную задачу в связи с большим числом локальных минимумов на поверхности потенциальной энергии, а также полярностью молекул растворителя В связи с этим на первом этапе был использован метод молекулярной динамики с последующим отжигом системы до О К для получения равно-

весного положения молекул растворителя, сольватирующих хромофорную группу Полученная геометрия использовалась в качестве стартовой для последующих расчетов Для более корректного описания равновесной геометрической конфигурации хромофорной группы в кластере из молекул воды и для расчетов энергий вертикальных электронных переходов применялся метод ЕРР

Глава 4 посвящена применению техники аи£-МС(^ЮРТ2 в сочетании с методом ЕРР к расчетам спектров поглощения хромофоров в растворе В качестве модельных систем были рассмотрены хромофор йРР (Рис 1), 3-ОН-кинуренин и аргпиримидин в различных протонированных состояниях (Рис 2)

Рисунок 2. Схема химического строения хромофоров аргпиримидина (а) и 3-ОН-кинуренина (б)

В первом разделе описаны используемые методы и детали расчетов для определения равновесных геометрических параметров хромофоров в кластере из молекул воды, а также энергий вертикальных электронных переходов

Во втором разделе представлены результаты моделирования электронных спектров хромофора зеленого флуоресцентного белка в водном растворе Проанализировано влияние растворителя на смещение полос поглощения различных протонированных состояний Показано, что малая величина сдвига полосы поглощения катионной формы хромофора бРР при переходе из газовой фазы в раствор связана с изменением равновесной геометрической конфигурации от неплоской в газовой фазе к плоской структуре в растворе Как следует из таблицы 2, полученные оценки положений максимумов полос поглощения в приближении аи§-МС(20РТ2 находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными

Особый интерес представляет исследование влияния окружения на оптические свойства хромофора 3-ОН-кинуренина в катионной форме, поскольку эксперимен-

а]

"он

.соон

Таблица 2. Энергии вертикальных электронных переходов SO-S1, эВ, а также соответствующие значения длин волн (в скобках), нм, для хромофоров GFP, 3-ОН-кинуренина и аргпиримидина в растворе 1

aug-MCQDPT2 эксперимент (^шах)

GFPa 2 70 (459) 2 85 (435)2, 2 78 (446)э

GFPc 3 19 (388) 3 10 (400)2, 3 05 (406)'

GFPn 3 35 (370) 3 35 (370)2, 3 33 (372)1

3-ОН-кинуренин раствор 3 78 (328) 3 87-4 00 (310-320) 4

3-ОН-кинуренин газовая фаза 2 74 (452) 2 76-2 82 (440-450) 4

аргпиримидин раствор 3 67 (338) 3 65-3 70 (335-340) 1

аргпиримидин газовая фаза 3 89 (319) >3 87 (<320) 4

1 геометрия полученна в приближении PBE0/(aug) сс pVDZ/EFP

2 раствор метанол-вода, Dong et al 1 Am Chem Soc , 2007, 129, 10084

3 раствор этанол, Voityuk et al Chem Phys , 2001, 2b9, 83

4 водный раствор, Kessel et al J Phys Chem A, 2007, lit, 10537

тально установлено, что данный хромофор при переходе из газовой фазы в раствор характеризуется аномальным гипсохромным сдвигом максимума полосы поглощения [Kessel et al J Phys Chem A, 2007, 111, 1053] (Табл 2) Результаты исследования влияния растворителя на оптические свойства хромофоров аргпиримидина и 3-ОН-кинуренина в растворе представлены в третьем разделе Геометрическая оптимизация и расчеты энергий вертикальных электронных переходов показали [Kessel et al J Phys Chem A, 2007, 111, 1053], что причиной сдвига максимума поглощения 3-ОН-кинуренина является конкуренция процессов образования внутри- и межмолекулярных водородных связей и, как следствие, изменение геометрической конфигурации хромофора при переходе из газа в раствор Хромофор в газовой фазе характеризуется существенно неплоской структурой, что обусловлено образованием внутримолекулярной водородной связи (Рис 3), в отличие от катионной формы хромофора GFP В растворе при образовании водородных связей с молекулами растворителя хромофор приобретает плоскую геометрическую

конфигурацию. Поскольку данные изменения конформации хромофорной группы затрагивают сопряженную 7г-систему молекулы, это должно оказывать значительное влияние на спектр поглощения, что подтверждается результатами расчетов энергий вертикальных электронных переходов (Табл. 2). Показано, что изменение геометрической конфигурации 3-ОН-кинуренина приводит к изменению характера электронного перехода от перехода с переносом заряда для хромофора в газовой фазе, к переходу внутри одной 7г-подсистемы для хромофора в растворе.

Рисунок 3. Равновесная геометрическая конфигурация хромофора 3-ОН-кинуренина в катионной форме по данным расчетов методом РВЕ0/(а1^)-сс-рУО2/ЕЁР. (а) изолированное состояние; (б) раствор.

Полученные результаты показывают, что методика а1^-МС0ВРТ2 в сочетании с методом потенциалов эффективных фрагментов позволяет получать достаточно точные количественные оценки положения максимумов полос поглощения органических хромофоров в растворе.

Глава 5 посвящена исследованию фотофизических процессов в белковых систе-

I

мах с использованием техники aug-MCQDPT2 в сочетании с гибридными методами КМ/ММ . В качестве объектов исследования рассматривались фоторецептор ро- ! допсин и фотопереключаемый флуоресцентный белок asFP595.

Первый раздел посвящен моделированию электронных спектров зрительного фоторецептора родопсина [Bravaya et al. J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 13035]. Хромофорной группой данного белка служит молекула протонированного основания Шиффа 11-цис ретиналя (PSBR11), претерпевающая цис-транс изомеризацию по связи С11-С12 (Рис. 4) при поглощении кванта света, что ведет к структурным изменениям белка и дальнейшей передаче зрительного сигнала. Для выявления различных факторов влияния окружения на фотофизические свойства хромофорной

а

а)

б) Ser186

Glu181

Lys296

0

О

Glu 113

Рисунок 4. Протонированное основание Шиффа ретиналя и противоион Glu 113 (а); структура фотоактивного центра родопсина по результатам геометрической оптимизации методом PBEO/cc-pVDZ//AMBER (б). Длины связей приведены в ангстремах.

группы ретиналя проведен расчет энергий вертикальных электронных переходов для молекулы 11-цис ретиналя в газовой фазе, растворе и белковой матрице.

В связи со значительными различиями в геометрических конфигурациях ретиналя в известных кристаллических структурах родопсина отдельной задачей является определение структуры хромофорной группы в фотоактивном центре. По результатам геометрической оптимизации методом КМ/ММ было показано, что ретиналь может принимать конформацию с заметным отклонением от плоской структуры в области С13—С14—С15—NH (Рис. 4), приводящему к нарушению ^-сопряжения. Отклонение от плоской геометрической конфигурации обусловлено наличием сети водородных связей, соединяющей положительно заряженное основание Шиффа хромофорной группы с депротонированной карбоксильной группой консервативного остатка Glul81 родопсина (Рис. 4).

В таблице 3 приводятся результаты, полученные для систем, отвечающих молекуле 11-цис ретиналя в изолированном состоянии, в растворе и в родопсине. Для моделирования ретиналя в растворе использовалась система, в которой молекула ретиналя с противоионом были помещены в кластер из 275 молекул воды. В квантовую часть включались хромофор, противоион СН3СОО~ и молекула растворителя, образующая водородную связь с основанием Шиффа. Модельная система, описывающая родопсин, включала весь белок. Квантовую часть составляли 11-цис-ретиналь, остатки Serl86, Glull3 и Glul81, а также три молекулы воды в фотоактивном центре (Рис. 4). Как следует из таблицы 3, использование подхода

Таблица 3. Энергии вертикальных электронных переходов S0-S1, эВ, и соответствующие длины волн (в скобках), нм, для молекулы 11-цис ретиналя в различном окружении 1

aug-MCQDPT2 эксперимент (^тах)

газовая фаза 2 07 (599) 2 03 (610) 2

раствор 2 77 (448) 2 79 (445) 3

родопсин 2 41 (515) 2 45 (500) 4

1 геометрия получена в приближении PBE0/cc-pVDZ(ra3), РВЕО/сс pVDZ/EFP(pacTBop и родопсин),

2 Nielsen et al Phys Rev Lett 2006 96, 018304

1 метанольный раствор, Freedman et al J Arn Chem Soc, 1986, 108 1245

4 Sakmar et al Proc Natl Acad Set USA, 1989 86, 8309

aug-MCQDPT2 позволяет получать оценки энергий вертикальных электронных переходов хромофоров в изолированном состоянии, в растворе и в белковой матрице с высокой точностью При анализе влияния белкового окружения на фотопоглощение хромофора выделяются такие факторы, как влияние заряженного остатка Glull3, являющегося противоионом основания Шиффа (Рис 4), эффекты, обусловленные искажением геометрии относительно состояния изолированного хромофора, а также взаимодействие с электростатическим полем белка По результатам проведенных расчетов показано, что за смещение максимума полосы поглощения ретиналя при переходе из газовой фазы к белку, ответственны два фактора, действующие в противоположных направлениях Во-первых, добавление в модель противоиона приводит к синему сдвигу максимума полосы поглощения на 212 нм Вторым фактором является взаимодействие хромофорной группы с электростатическим полем белка, обуславливающее красный сдвиг полосы поглощения на 127 нм

Для анализа влияния электростатического поля белкового окружения на электронную структуру ретиналя в родопсине было проведено сравнение порядков связей в основном и возбужденном электронных состояниях На рисунке 5 представлены полученные значения изменения величин порядков двойных связей полиеновой цепи ретиналя при фотовозбуждении для модельной системы, описывающей родопсин, с учетом (КМ/ММ) и без учета поля белка (КМ) Показано, что при учете влияния электростатического поля окружения происходит локализация области значительного уменьшения порядков связи, причем максимум приходится

на С11-С12 двойную связь в отличие от модельной системы без учета поля белка (Рис. 5). По результатам расчетов делается вывод, что электростатическое поле белкового окружения является одним из факторов, приводящих к специфичности реакции фотоизомеризации молекулы ретиналя по связи С11-С12 в родопсине.

Рисунок 5. Изменение порядков двойных связей полиеновой цепи ретиналя при переходе S0-S1 в фотоактивном центре родопсина, рассчитанных с использованием aug-MCQDPT2 натуральных орбиталей

Второй раздел посвящен моделированию структуры и оптических свойств разгорающегося флуоресцентного белка asFP595 . Интерес к исследованию свойств данного белка обусловлен его уникальными фотофизическими свойствами: asFP595 может обратимо переключаться из темной, нефлуоресцентной формы, в активную, флуоресцентную, под действием излучения в различных спектральных диапазонах.

транс цис

Рисунок 6. Хромофор флуоресцентного белка азРР595

Для анализа влияния окружения на фотофизические свойства хромофорной группы на первом этапе актуальным представляется исследование свойств изолированного хромофора [Вгауауа е1 а1. ]. Ркуз. Скет. Л, 2008, 112, 8804]. Был проведен

Таблица 4. Полученные в приближении aug-MCQPDT2(16/14) оценки энергий вертикальных электронных переходов S0-S1, эВ, и соответствующие величины длин волн (в скобках), нм, для темной и активной форм белка asFP595 1

форма хромофора aug-MCQDPT2 эксперимент

(^maz)

темная форма asFP595

транс- анион 2 25 (550) 2 16 (574) 2

активная форма asFP595

цис- анион 2 27 (546)

2 15 (576) 2

цис-цвиттерион 2 57 (482)

1 равновесная геометрия получена в приближении РВЕО/сс pVDZ/AMBER

2 Schuttrigkeit et al Chem Phys , 2006, 323, 149

расчет энергий вертикальных электронных переходов для модельного хромофора asFP595 в газовой фазе в анионной, нейтральной и цвиттерионной формах в цис-и транс- конформациях (Рис 6) При моделировании оптических свойств данного хромофора особое внимание уделялось выбору активного пространства, поскольку в данном случае включение всех 16 орбиталей 7г-системы в активное пространство CASSCF не представляется технически возможным В связи с этим было выполнено исследование влияния размерности усеченного активного пространства на получаемые результаты Показано, что подход aug-MCQDPT2/CASSCF(16/14) позволяет количественно воспроизводить положение максимума полосы поглощения хромофора asFP595, в то время как применение подхода aug-MCQDPT2/CASSCF(14/12) позволяет лишь качественно описывать относительное положение полос поглощения различных протонированных форм Указаны основные причины наибольшей чувствительности цвиттерионной формы хромофора к числу орбиталей, входящих в активное пространство CASSCF

С использованием подхода aug-MCQDPT2/CASSCF(16/14) в сочетании с теорией КМ/ММ было проведено моделирование электронных спектров поглощения разгорающегося флуоресцентного белка asFP595 в темной и активной формах Из кристаллографических данных следует, что в темном состоянии белка хромофор принимает транс- конформацию, в то время как в активной форме asFP595 хромофор находится в цис- конформации (Рис 6) Однако, экспериментальные данные не позволяют однозначно сделать вывод о форме хромофора (анионной или цвиттери-

S1

S1

'X

цвиттерионная форма транс-изомер

n

550 нм

574 нм

S1

цис-транс .изомеризация

S0

546 нм

576 нм 610 нм

S0

цвиттерионная форма цис-изомер

S0'

темная форма asFP595

анионная форма неплоская геометрия транс-изомер

активная форма asFP595

анионная форма плоская геометрия цис-изомер

Рисунок 7. Предложенная схема механизма разгорания флуоресценции белка asFP595 Приведенные длины волн отвечают энергиям переходов S0-S1, полученным в приближении aug-MCQDPT2/CASSCF(16/14)//PBE0/(aug)-cc-pVDZ/CHARMM (курсив), и экспериментальным положениям максимумов полос поглощения

онной) в обоих состояниях белка asFP595 Полученные методом aug-MCQDPT2/ CASSCF(16/14) оценки энергий вертикальных электронных переходов приведены в таблице 4

Показано, что основные пики в спектре поглощения asFP595 как в темной, так и в активной формах белка обусловлены поглощением хромофора в анионной форме Для темной формы белка asFP595 было показано, что в приближении PBEO/(aug)-cc-pVDZ//CHARMM стационарная точка, отвечающая цвиттерионно-му хромофору, не локализуется Для активной формы белка был найден минимум на поверхности потенциальной энергии, отвечающий цвиттерионной форме хромофора, лежащий на 7 3 ккал/моль выше, чем минимум, соответствующий анионной форме хромофора На основании полученных результатов предложена схема механизма фотопереключения белка asFP595 из темной в активную форму (Рис 7) В рамках предложенной схемы за процесс разгорания флуоресценции отвечает процесс цис-транс фотоизомеризации хромофора через образование цвиттерионной формы в возбужденном электронном состоянии, а флуоресцентному состоянию asFP595 отвечает хромофор в цис- анионной форме с плоской геометрической конфигурацией

Основные результаты и выводы.

1) Разработана техника аи§-МС(ЗОРТ2 для расчета энергий вертикальных электронных переходов органических хромофоров, основанная на методе многоконфигурационной квазивырожденной теории возмущений второго порядка Для молекулы ретиналя, хромофоров желтого фотоактивного белка и зеленого флуоресцентного белка в газовой фазе были получены оценки положений максимумов полос поглощения с погрешностью, не превышающей 0 07 эВ

2) Техника aug-MCQDPT2 в сочетании с гибридными методами квантовой и молекулярной механики (КМ/ММ) позволяет получать количественные оценки энергий вертикальных электронных переходов хромофоров в конденсированных средах и может быть использована для изучения влияния окружения на оптические свойства хромофорных групп

3) Аномальный синий сдвиг максимума полосы поглощения при переходе из газовой фазы в раствор для катионной формы 3-ОН-кинуренина объясняется изменением геометрической конфигурации от существенно неплоской для хромофора в изолированном состоянии к плоской в растворе, что связано с процессами образования внутри- и межмолекулярных водородных связей

4) Основными факторами, определяющими смещение полосы максимума поглощения ретиналя при переходе от газовой фазы к родопсину, являются проти-воион и электростатическое поле белкового окружения Электростатическое поле белка является одним из факторов, определяющих специфичность реакции цис-транс фотоизомеризации хромофора по связи С11-С12 Выявлена структурообразующая роль консервативного аминокислотного остатка 01и181 родопсина

5) Впервые с использованием методов квантовой химии высокого уровня точности получены оценки энергий вертикальных электронных переходов хромофора аБрР595 в изолированном состоянии и в белке Показано, что при исследовании оптических свойств данного хромофора необходимо использовать многоконфигурационные подходы

6) По результатам расчетов методами КМ/ММ с использованием техники аи£-МС<20РТ2 проведена интерпретация экспериментального спектра поглощения

белка аБрР595 Показано, что за максимум поглощения как темной, так и активной форм белка ответственна анионная форма хромофорной группы

Основные публикации по теме диссертации

1 Nemukhin А V, Bochenkova А V, Bravaya KB, Granovsky A A Accurate modeling of the S0-S1 photo-absorption in biological chromophores // Proc of SP1E-2006 -Vol 6449 -P 64490N(1)-64490N(5)

2 Бравая К Б , Боченкова А В , Грановский А А , Немухин А В Моделирование структуры и электронных спектров хромофора зеленого флуоресцентного белка // Химическая физика—2008.—1 27 —С 13-17

3 Bravaya KB, Grigorenko BL, Nemukhin A V, Zhu Yun-h, Zhang Jian-Ping Theoretical characterization of the 1,3-diazaazulene molecule and its derivatives // J Mol Struct (Theochem)—2008.—Vol 855 -P 40-44

4 Bravaya KB, Bochenkova A V, Grigorenko BL, Nemukhin A V Molecular modeling of reaction mechanism of serine-carboxyl peptidases // J Chem Theor Comp —2006.—Vol 2 —P 1168-1175

5 Kessel L, Nielsen IB, Bochenkova A V, Bravaya KB, Andersen LH Gas-phase spectroscopy of protonated 3-OH-kynurenine and argpyrimidine Comparison of experimental results to theoretical modeling // / Phys Chem A-2007.-Vol 111 -P 10537-10543

6 Bravaya К В, Bochenkova A V, Granovsky A A , Nemukhin A V An opsin shift in rhodopsin retinal S0-S1 excitation in protein, in solution, and in the gas phase // J Am Chem Soc -2007-Vol 129 -P 13035-13042

7 Bravaya К В, Bochenkova A V, Granovsky A A , Savitsky A P, Nemukhin A V Modeling photoabsorption of the asFP595 chromophore // J Phys Chem A — 2008.—Vol 112-P 8804-8810

8 Bravaya К, Bochenkova A , Nemukhin A V Accurate calculations of spectra of biological chromophores by ab initio methods of quantum chemistry // Sixth International Conference on Low Temperature Chemistry, August 27 - September 1, 2006, Chernogolovka, Russia — Book of abstracts, P 69

9 Бравая К Б , Боченкова А В , Немухин А В Квантово-химическое моделирование структуры и электронных спектров ретиналя в зрительном пигменте Родопсине // Интернет-конференция "Информационно-вычислительные технологии в химии, биологии, фармацевтике и медицине" ИВТН-2004, 2004, Москва, Россия—Материалы конференции, С 18

10 Бравая К Б, Боченкова А В , Немухин А В Моделирование структуры и электронных спектров молекулы ретиналя // Международная конференция аспирантов и студентов "Ломоносов-2004" , 12-15 апреля, 2004, Москва, Россия — Материалы конференции, С 108

11 Bravaya К В, Bochenkova А V, Granovsky А А, Nemukhin А V Photoabsorption of biological chromophores m the gas phase multiconfigurational multireference perturbation theory study of retinal conformers electron spectra // XXIII International Conference on Photochemistry, July 29 - August 3, 2007, Cologne, Germany—Book of abstracts, P 433

12 Bravaya KB, Bochenkova A V, Granovsky A A, Nemukhin AV Photoabsorption of biological chromophores in the gas phase the case of Schiff-base retinal chromophore // The Second International Symposium "Atomic Cluster Collisions structure and dynamics from the nuclear to the biological scale" July 19 - 23, 2007, GSI, Darmstadt, Germany - Book of abstracts, V31D, P 127

13 Бравая К Б , Боченкова А В, Грановский А А , Немухин А В Моделирование электронного спектра хромофора зеленого флуоресцентного белка в газовой фазе // Международная конференция аспирантов и студентов "Ломоносов-2006" , 12-15 апреля, 2006, Москва, Россия — Материалы конференции, т I, С 121

14 Бравая К Б Моделирование механизма гидролиза пептидной связи в активном центре седолизина // Международная конференция студентов и аспирантов "Ломоносов-2005" 12-15 апреля, 2005, Москва, Россия — Материалы конференции, Т 1, С 64

15 Bochenkova А V , Bravaya К В , Granovsky А А , and Nemukhin А V Large-scale QM/MM modeling of the OPSIN shift in Rhodopsin elucidating the role of hydrogen bonding // International Conference on Hydrogen Bonding, October 6-10, 2004, Klyaz'ma, Moscow, Russia — Book of abstracts, P 03

16 KB Bravaya, A V Bochenkova, BL Grogorenko, A V Nemukhin Exploring the mechanism of catalytic action of serine-carboxyl peptidases by QM/MM methods // XVII International conference "Horizons in Hydrogen Bond research" , September 1-8, 2007, Saint-Petersburg, Russia — Book of abstracts, P 32

17 Бравая КБ Моделирование вертикальных электронных спектров биологических хромофоров в различном окружении // Международная конференция студентов и аспирантов "Ломоносов-2007" , 11-14 апреля, 2007, Москва, Россия — Материалы конференции, С 452

18 Бравая К Б Моделирование фотофизических свойств флуоресцентного белка asFP595 // Международная конференция студентов и аспирантов "Ломоносов-2008" , 8-11 апреля, 2008, Москва, Россия — Материалы конференции, С 597

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

КФС конфигурационная функция состояния

КМ/ММ гибридные методы квантовой и молекулярной механики

CIS метод конфигурационного взаимодействия,

учитывающий однократные возбуждения DFT теория функционала электронной плотности

TDDFT зависящая от времени теория

функционала электронной плотности EFP метод потенциалов эффективных фрагментов

ЕОМ-СС метод связанных кластеров в варианте

уравнений движения MCSCF метод многоконфигурационного самосогласованного поля

CASSCF метод многоконфигурационного самосогласованного поля

в полном пространстве активных орбиталей CASPT2 многоконфигурационная теория возмущений второго порядка

с референсными состояниями CASSCF MRMP2 многоконфигурационная теория возмущений

Меллера-Плессе второго порядка MCQDPT2 многоконфигурационная квазивырожденная

теория возмущений второго порядка aug-MCQDPT2 расширенная техника MCQDPT2

50 основное синглетное электронное состояние

51 первое возбужденное синглетное электронное состояние GFP зеленый флуоресцентный белок

PSBR протонированное основание Шиффа ретиналя

рСА" депротонированная форма пара-кумаровой кислоты

Заказ №28/10/08 Подписано в печать 04 10 2008 Тираж 150 экз Уел пл 1,5

/' \ ООО "Цифровичок", тел (495)797-75-76,(495)778-22-20 '\vrnv с/г ги , е-тай т/о@с/г ги

Введение

1. Методы расчета возбужденных состояний

1.1. Одноконфигурационные методы.

1.2. Многоконфигурационные методы

1.2.1. Многоконфигурационный метод самосогласованного поля

1.2.2. Многоконфигурационная теория возмущений

1.2.3. Расширенная техника МС(ЗБРТ2.

2. Моделирование электронных спектров органических хромофоров в изолированном состоянии

2.1. Методы расчета

2.2. Электронные спектры изолированных органических хромофоров

2.2.1. Равновесные геометрические конфигурации.

2.2.2. Энергии вертикальных электронных переходов

3. Гибридные методы квантовой и молекулярной механики (КМ/ММ)

3.1. Классификация методов КМ/ММ по способу описания взаимодействия между КМ и ММ подсистемами.

3.2. Используемая методика моделирования структуры и спектров органических хромофоров в растворе и белковой матрице.

4. Электронные спектры поглощения органических хромофоров в растворе

4.1. Методы расчета

4.2. Моделирование электронных спектров хромофоров в растворе

4.2.1. Хромофор СРР.

4.2.2. 3-ОН-кинуренин.

4.2.3. Аргпиримидин.

5. Моделирование электронных спектров фотоактивных белков

5.1. Фотопоглощение ретиналя в родопсине.

5.1.1. Моделирование электронных спектров ретиналя в газовой фазе, растворе и родопсине.

5.1.2. Анализ влияния окружения на смещение полосы поглощения 11-цис-ретиналя

5.2. Фотофизические свойства разгорающегося флуоресцентного белка аэРР

5.2.1. Электронные спектры изолированного хромофора азРРбЭб

5.2.2. Моделирование спектров поглощения белка аБрР

Выводы

Моделирование структуры и спектров органических хромофоров предоставляет важную информацию, дополняющую результаты экспериментальных исследований в фотохимии, фотобиологии и оптике. Фотопоглощение органических хромофоров лежит в основе процессов фоторецепции, передачи зрительного сигнала, фотосинтеза и биолюминесценции. Исследование свойств возбужденных состояний органических сопряженных хромофоров с электрон-донорными/ акцепторными заместителями имеет важное значение для оптимизации свойств хромофоров, применяемых в нелинейной оптике. Результаты расчетов энергий и интенсивностей вертикальных электронных переходов позволяют объяснять и предсказывать оптические свойства хромофорных групп в различных средах.

Работа посвящена развитию методики расчета возбужденных состояний органических хромофоров в газовой фазе и в конденсированных средах, а также применению предложенных подходов к исследованию, прежде всего, биомолекулярных фотоактивных систем. При этом необходимо использование многоконфигурационных методов квантовой химии для сбалансированного описания поверхностей потенциальной энергии основного и возбужденных электронных состояний с учетом статической и динамической электронной корреляции. Для расчета энергий вертикальных электронных переходов хромофоров в изолированном состоянии предложена новая методика, основанная на многоконфигурационной квазивырожденной теории возмущений второго порядка. Эта же методика в сочетании с гибридными методами квантовой и молекулярной механики (КМ/ММ) позволяет исследовать влияние молекул растворителя, а также белкового окружения на фотопоглощение хромофорных групп.

Молекулярные объекты, исследованные в данной работе, включают биологические хромофоры, связанные с процессами старения в хрусталике глаза (3-ОН-кинуренин и аргпиримидин), хромофоры зеленого флуоресцентного белка, получившего широкое применение в качестве биомаркера in vivo, модельные хромофоры желтого фотоактивного белка. Рассмотрены также молекулы родопсина, ответственного за передачу зрительного сигнала, а также фотопереключаемого белка asFP595, обладающего уникальными свойствами разгорающейся флуоресценции и представляющего интерес не только как маркер в живых системах, но и как перпективный материал для хранения информации.

Цель работы. Цель работы заключалась в разработке методики точных расчетов возбужденных состояний органических хромофоров в изолированном состоянии, в растворе и в белковой матрице и применении предложенных подходов к исследованию ряда фотоактивных биомолекулярных систем. В рамках работы были поставлены следующие задачи:

1) Разработка методики для количественных оценок энергий вертикальных электронных переходов органических хромофоров в изолированном состоянии, основанной на многоконфигурационной квазивырожденной теории возмущений (МСдЭРТ2).

2) Применение данного подхода к расчетам энергий вертикальных электронных переходов для изолированных хромофоров и сравнение результатов расчета с экспериментальными данными о спектрах поглощения в газовой фазе.

3) Исследование фотофизических свойств хромофорных групп в растворе с использованием неэмпирических методов квантовой химии высокого уровня точности в рамках теории КМ/ММ

4) Моделирование структуры и электронных спектров зрительного рецептора родопсина и разгорающегося флуоресцентного белка азРР595 в рамках предложенной методики неэмпирических расчетов в сочетании с методами КМ/ММ.

Научная новизна результатов.

1) Разработана методика неэмпирических расчетов возбужденных состояний, основанная на многоконфигурационной квазивырожденной теории возмущений и предполагающая построение серии матриц эффективных гамильтонианов последовательно возрастающей размерности (а1^-МС(^ЮРТ2). Показано, что для ряда систем подход а1^-МС(^ЮРТ2 превосходит по точности такие общепринятые многоконфигурационные методы, как А№МР2, САБРТ2 и МС(ЗОРТ2

2) По результатам расчетов в рамках предложенной методики были получены новые данные о фотофизических свойствах органических хромофоров:

• Впервые с использованием многоконфигурационной теории возмущений предсказаны энергии вертикальных электронных переходов для хромофоров зеленого флуоресцентного белка (GFP) и разгорающегося флуоресцентного белка asFP595 в различных протонированных состояниях.

• Установлено, что аномальный гипсохромный сдвиг полосы поглощения для катионной формы хромофора 3-ОН-кинуренина при переходе из газовой фазы к водному раствору обусловлен конкуренцией процессов образования внутри-и межмолекулярных водородных связей и, как следствие, изменением геометрической конфигурации хромофора.

• Впервые в рамках единого подхода с использованием многоконфигурационной теории возмущений получены оценки энергий вертикальных электронных переходов для хромофора 11-цис ретиналя в газовой фазе, растворе и белке родопсине. Выявлена каталитическая роль белкового окружения в специфичности фотоиндуцированной реакции цис-транс изомеризации ретиналя по связи С11-С12.

• По результатам расчетов энергий вертикальных электронных переходов проведена интерпретация экспериментального спектра белка asFP595. Предложен механизм разгорающейся флуоресценции белка asFP595.

Научная и практическая значимость. Методический аспект данной работы заключается в разработке новой методики расчета возбужденных состояний органических хромофоров, позволяющей получать оценки энергий вертикальных электронных переходов высокой точности. Результаты, полученные в данной работе, могут быть в дальнейшем использованы для предсказания и направленной модуляции оптических свойств хромофоров путем модификации локального окружения в белковой матрице. Это может быть достигнуто введением точечных мутаций в аминокислотную последовательность белка по позициям, которые оказывают определяющее влияние на геометрическую конфигурацию и оптические свойства хромофорной группы.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации были представлены на III интернет-конференции "Информационно-вычислительные технологии в решении фундаментальных научных проблем и прикладных задач химии, биологии, фармацевтики и медицины" (Москва, 2004), международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов" (Москва 2004, 2005, 2006, 2007 и 2008), международной конференции по водородным связям (Москва, 2004), международной школе по квантовой химии (Финляндия, 2005), Всероссийских школах-симпозиумах "Динамика и структура в химии и биологии" (Москва 2005, 2006 и 2007), конференции европейского научного общества "Биомолекулы - от свойств в газовой фазе к реакциям в живых клетках" (Австрия, 2006), VI международной конференции по низкотемпературной химии (Черноголовка, 2006), XIII международной конференции по фотохимии (Германия, 2007), втором международном симпозиуме "Соударения атомных кластеров: структура и динамика от ядерных до биологических размеров" (Германия, 2007), XVII международной конференции и школе молодых ученых в области исследования водородных связей (Санкт-Петербург, 2007), VII международной молодежной конференции ИБХФ РАН-ВУЗы "Биохимическая физика" (Москва 2007).

Результаты опубликованы в 18 печатных изданиях, в том числе в 6 статьях в рецензируемых научных журналах.

Выводы

1) Разработана техника аи£-МСС;ЮРТ2 для расчета энергий вертикальных электронных переходов органических хромофоров, основанная на методе многоконфигурационной квазивырожденной теории возмущений второго порядка. Для молекулы ретиналя, хромофоров желтого фотоактивного белка и зеленого флуоресцентного белка в газовой фазе были получены оценки положений максимумов полос поглощения с погрешностью, не превышающей 0.07 эВ.

2) Техника аи£-МС(ЗВРТ2 в сочетании с гибридными методами квантовой и молекулярной механики (КМ/ММ) позволяет получать количественные оценки энергий вертикальных электронных переходов хромофоров в конденсированных средах и может быть использована для изучения влияния окружения на оптические свойства хромофорных групп.

3) Аномальный синий сдвиг максимума полосы поглощения при переходе из газовой фазы в раствор для катионной формы 3-ОН-кинуренина объясняется изменением геометрической конфигурации от существенно неплоской для хромофора в изолированном состоянии к плоской в растворе, что связано с процессами образования внутри- и межмолекулярных водородных связей.

4) Основными факторами, определяющими смещение полосы максимума поглощения ретиналя при переходе от газовой фазы к родопсину, являются проти-воион и электростатическое поле белкового окружения. Электростатическое поле белка является одним из факторов, определяющих специфичность реакции цис-транс фотоизомеризации хромофора по связи С11-С12. Выявлена структурообразующая роль консервативного аминокислотного остатка 01и181 родопсина.

5) Впервые с использованием методов квантовой химии высокого уровня точности получены оценки энергий вертикальных электронных переходов хромофора азРР595 в изолированном состоянии и в белке. Показано, что при исследовании оптических свойств данного хромофора необходимо использовать многоконфигурационные подходы.

6) По результатам расчетов методами КМ/ММ с использованием техники аи§-МС(^ОРТ2 проведена интерпретация экспериментального спектра поглощения белка аэРРбЭб. Показано, что за максимум поглощения как темной, так и активной форм белка ответственна анионная форма хромофорной группы.

1. Roos. B.O. Theoretical studies of electronically excited states of molecular systems using multiconfigurational perturbation theory // Acc. Chem. Res.— 1999.—Vol. 32.-P. 137-144.

2. Serrano-Andres L., Merchan M. Quantum chemistry of the excited state: 2005 overview // J. Mol. Struct (Theochem).—2005.-Vol. 729 —P. 99—108.

3. Dreuw A., Head-Gordon M. Single reference ab initio methods for the calculation of excited states of large molecules // it Chem. Rev. — 2005.—Vol. 105.—P. 4009-4037.

4. Foresman J. B., Head-Gordon M., Pople J. A., Frisch M. J. Toward a systematic molecular orbital theory for excited states ///. Chem. Phys.—1992.—Vol. 96.—P. 135-149.

5. Stanton J.F., Barlett R.J. The equation-of-motion coupled-cluster method: a systematic biorthonormal approach to molecular excitation energies, transition probabilities and excited state properties // J. Chem. Phys.—1993.—Vol. 98.—P. 7029-7039.

6. Bauernschtnitt M., Ahlrichs R. Treatment of electronic excitations within the adiabatic approximation of time dependent density functional theory // Chem. Phys. Leii.—1996.—Vol. 256.-P. 454-464.

7. Petersilka M., Gossmann U. J., Gross E. K. U. Excitation energies from time-dependent densityfunctional theory 11 Phys. Rev. Lett.—1996.—Vol. 76.—P. 1212-1215.

8. Hirao K. Multireference Moller-Plesset method 11 Chem. Phys. Lett.—1992.— Vol. 190.—P. 374-380.

9. Andersson K., Malmquist P.-A., Roos B.O., Sadlej A.J., Wolinski K. J. Second-Order perturbation theory with a CASSCF reference function // /. Phys. Chem.— 1990.—Vol. 94.-P. 5483-5488.o

10. Andersson K., Malmqvist P.-A, Roos, B.O. Second-order perturbation theory with a complete active space self-consistent field reference function // J. Chem. Phys- 1992.-Vol. 96. -P. 1218-1226.

11. Nakano H. Quasidegenerate perturbation theory with multiconfigurational self-consistent-field reference functions ///. Chem. Phys.— 1993.—Vol. 99.—P. 7983— 7992.

12. Fitiley J., Malmqvist P.-A., Roos B.O., Serrano-Andrés L. The multi-state CASPT2 method // Chem. Phys. ¿etf.-1998.-Vol. 288.-P. 299-306.

13. Burke K., Werschnik J., Gross E. K. U. Time-dependent density fucntonal theory: past, present and future // J. Chem. Phys—2005—Vol. 123.—P. 062206-1— 062206-9.

14. Krylov A.I. Equation-of-motion coupled-clusters methods for open-shell and electronically excited species: the hitchhicker's guide to the Fock space // Ann. Rev. Phys. Chem. 2008.-Vol. 59.-P. 433-462.

15. Marques M.A.L., Gross E.K.U. Tine-dependent desnity fucntional theory //Ann. Rev. Phys. Chem—2004-Vol. 55—P. 427—455.

16. Jacquemin D., Perpete E.A., Scuseria G.E., Ciofini I., Adamo C. TD-DFT Performance for the Visible Absorption Spectra of Organic Dyes: Conventional versus Long-Range Hybrids //J. Chem. Theor. Comput.—2008.—Vol. 4.—P. 123-135.

17. Tozer D.J., Amos R.D., Handy N.C., Roos B.O., Serrano-Andrés L. Does density fucntional theory contribute to the understanding of excited states of unsaturated organic compounds? // Mol. P/n/s-1999.-Vol. 97.-P. 859-868.

18. Vydrov O. A., Scuseria G. E. Assessment of a long-range corrected hybrid functional // /. Chem. Phys.- 2006,-Vol. 125.-P. 234109-(l)-234109-(9).

19. Song J.-W., Tokura S., Sato T., Watson M. A., Hirao K. An improved long-range corrected hybrid exchange-correlation functional including a short-range Gaussian attenuation (LCgau-BOP) // /. Chem. Phys-2007.-Vol. 127.-P. 154109-(1)-154109-(6).

20. Emrich K. An extension of coupled-cluster formalism to excited states (I) // Nucl. Phys. j4—1981.—Vol. 351.-P. 379-396.

21. Bomble Y. J., Sattelmeyer K. W., Stanton J. F. On the vertical excitation energy of cyclopentadiene 11 J. Chem. Phys—2004,-Vol. 121,—P. 5236—5240.

22. Martin M.E., Negri F., Oliuucci M. Origin, nature and fate of the fluorescent state of green fluorescent protein chromophore at the CASPT2//CASSCF resolution // /. Am. Chem. Soc,-2004,-Vol. 126.-P. 5452-5464.

23. Olsen S., Smith S.C. Bond selection in the photoisomerization reaction of anionic green fluorescent protein and kindling fluorescent protein chromophore models // /. Am. Chem. 5oc.-2008.-Vol.130.-P. 8677-8689.

24. Cembran A., Bernardi F., Olivucci M., Garavelli M. Counterion controlled photoisomerization of Retinal chromophore models: a computational investigation // J. Am. Chem. Soc.-2004. -Vol. 126.-P. 16018-16037.

25. Cembran A., Bernardi F., Olivucci M., Garavelli M. The retinal chromophore/chloride ion pair: structure of the photoisomerization path and interplay of charge transfer and covalent states // Proc. Natl. Acad. Sei. USA— 2005.—Vol. 102.—P. 6255-6260.

26. Schäfer L. V., Groenhof G., Boggio-Pasqua M., Robb M. A., Grubmüller H. Chromophore protonation state controls photoswitching of the fluoroprotein asFP595 //PLoS Comput. Biol- 2008,-Vol. 4.-P. el000034(l)-el000034(14).

27. Kozlowski P. M., Davidson E. R. Considerations in constructing a multireference second-order perturbation theory // /. Chem. Phys—1994 —Vol. 100—P.3672— 3682.

28. Malrieu J.-P., Heully J.-L., Zaitsevskii A. Multiconfigurational second-order perturbative methods: Overview and comparison of basic properties // Theor. Chim. Acta.—1995.—Vol. 90.-P. 167-187.

29. Murakami M., Kobayashi T., Goldberg A., Nakamura S. CASSCF and CASPT2 studies on the structures, transition energies, and dipole moments of ground and excited states for azulene // J. Chetn. Phys.—2004,—Vol. 120—P.1245—1252.

30. Shavitt I., Redmon L.T. Quasidegenerate perturbation theories. A canonical van Vleck formalism and its relationship to other approaches // J. Chem. Phys.— 1980.—Vol. 73,—P.5711—5717.

31. Molina V., Merchan M. On the absorbance changes in the photocycle of the photoactive yellow protein: a quantum-chemical analysis // Proc. Natl. Acad. Sci. USA-2001.-Vol. 98.-P. 4299-4304.

32. Nielsen I. B., Lammich L., Andersen L. H. SI and S2 excited states of gasphase schiff-base retinal chromophores // Phys. Rev. Lett.—2006.—Vol. 96.—P. 018304(1)—018304(4).

33. Nielsen LB. , Lammich L. , Andersen L.H. SI and S2 excited states of gasphase Schiff-base retinal chromophores // Phys. Rev. Lett. —2006.—Vol. 96. P. 018304(1)—018304(4).

34. Andersen L.H., Lapierre A., Nielsen S.B., Nielsen LB., Pedersenb S. U., Pedersen U. V., Tomita S. Chromophores of the green fluorescent protein studied in the gas phase // Eur. Phys. J. D-2002.-Vol. 20.-P. 597-600.

35. Lammich L., Petersen M.A., Nielsen M.B., Andersen L.H. The Gas-Phase Absorption Spectrum of a Neutral GFP Model Chromophore // Biophys. J.— 2007-Vol. 92.—P. 201-207.

36. Nielsen LB., Boye^ronne S., El Ghazaly M.O.A., Kristensen M.B., Nielsen S.B., Andersen L.H. Absorption Spectra of Photoactive Yellow Protein Chromophores in Vacuum // Biophys. J—2005—Vol. 89,—P. 2597-2604.

37. Adamo C., Barone V. Towards reliable density fucntional methods without adjustable parameteres: the PBEO model // /. Chem. Phys.—1999 —Vol. 110.-P. 6158-6170.

38. Page C.S., Olivucci M. Ground and excited state CASPT2 geometry optimizations of small organic molecules 11 J. Comput. Chem.—2003.—Vol. 24.— P. 298-309.

39. Wanko M., Hoffmann M., Strodel P., Koslowski A., Thiel W., Neese F., Frauenheim T., Elstner M. Calculating absorption shifts for retinal proteins: computational challenges ///. Phys. Chem. B-2005.-Vol. 109.-P. 3606—3615.

40. Witek H. A., Choe Y.-K., Finley J. P., Hirao K. Intruder state avoidance multireference Moller-Plesset perturbation theory // /. Comp. Chem.—2002.— Vol. 23.—P. 957-965.

41. Sekharan S., Weingart O., Buss V. Ground and excited states of retinal schiff, base chromophores by multiconfigurational perturbation theory // Biophys. J.— 2006.—Vol. 91.—P. L7-L9.

42. Voityuk A.A, Michel-Beyerle M.-E., Roh N. Protonation effects on the chromophore of green fluorescent protein. Quantum chemical study of the absorption spectrum // Chem. Phys. Lett—1997.—Vol. 272.-P. 162-167.

43. Kurimoto M., Subramony P., Gurney R. W., Lovell S., Chmielewski J., Kahr B. Kinetic stabilization of biopolymers in single-crystal hosts: green fluorescent protein in R-lactose monohydrate // J. Am. Chem. Soc.—1999.—Vol. 121.—P. 6952-6953.

44. Murakami A., Kobayashi T., Goldberg A., Nakamura S. CASSCF and CASPT2 studies on the structures, transition energies, and dipole moments of ground and excited states for azulene // /. Chem. Phys. —2004.—Vol. 120.-P. 1245—1252.

45. Bastiansen 0., Derissen J.L. An electron diffraction investigation of the molecular structure of azuelene // Acta Chem. Scand —1966.—Vol. 20,—P. 1319—1324.

46. Hanson A. W. The crystal structure of the azulene, s-trinitrobenzene complex // Acta Crystallogr—1965 —Vol. 19.-P. 19—26.

47. Foggi P., Neuwahl F. V.R., Moroni L., Salvi P. R. Si — Sn and S2—Sn absorption of azulene: femtosecond transient spectra and excited state calculations // /. Phys. Chem. A-2003.-Vol. 107.-P. 1689-1696.

48. Shevyakov S. V., Li H., Muthyala R., Asato A.E., Croney J.C., Jameson DM., Liu R.S.H. Orbital control of the color and excited state properties of formylated and fluorinated derivatives of azulene // /. Phys. Chem. A—2003.—Vol. 107.—P. 3295-3299.

49. Warshel A., Levitt M. Theoretical studies of enzymic reactions : dielectric, electrostatic and steric stabilization of the carbonium ion in the reaction of lysozyme // J. Mol. Biol.- 1976.-Vol. 103.-P.227-249.

50. Bakowies D., Thiel W. Hybrid models for combined quantum mechanical and molecular mechanical approaches // J. Phys. Chem.—1996.—Vol. 100.—P. 10580-10594.

51. Rosta E., Klahn M., Warshel A. Towards accurate ab initio QM/MM calculations of free-energy profiles of enzymatic reactions // /. Phys. Chem. B—2006.—Vol. 110.—P. 2934-2941.

52. Lin H., Truhlar D. G. QM/MM: what have we learned, where are we, and where do we go from here? // Theor. Chem. Acc.—2007-Vol. 117.-P. 185-199.

53. Tomasi J., Pérsico M. Molecular interactions in solution: an overview of methods based on continuous distributions of the solvent // Chem. Rev.—1994.—Vol. 94.— P. 2027-2094.

54. Field M. J., Bash P. A., Karplus M. A combined quantum mechanical and molecular mechanical potential for molecular dynamics simulations. // J. Comput. C/zem.—1990.—Vol. 11.-P. 700-733.

55. Day P. A., Jensen J. H., Gordon .M. S., Webb S. P., Stevens W. J., Krauss M., Garmer D., Basch H., Cohen D. An effective fragment method for modeling solvent effects in quantum mechanical calculations // /. Chem. Phys —1996.— Vol. 105.-P. 1968-1986.

56. Gordon M. S., Freitag M. A., Bandyopadhyay P., Jensen J. H., Kairys V., Stevens W. The effective fragment potential method: a QM-based MM approach to modeling environmental effects in chemistry // /. Phys. Chem. A.—2001.—^Vol. 105.—P. 293-307.

57. Stone A. J. Distributed multipole analysis, or how to describe a molecular charge distribution // Chem. Phys. Lett-1981.-Vol. 83.-P. 233-239.

58. Nemukhin A. V., Grigorenko B. L., Topol I. A., Burt S. K. Flexible effective fragment QM/MM method: validation through the challenging tests ///. Comput. Chem.-2003.-Vol. 24.-P. 1410-1420.

59. Reuter N., Dejaegere A., Maigret B., Karplus M. Frontier bonds in QM/MM methods: a comparison of different approaches // Phys. Chem. A.—2002.—^Vol. 104.—P. 1720-1735.

60. Thery V., Rinaldi D., Rivail J.-L., Maigret B., Ferenczy J. J. Quantum mechanical computations on very large molecular systems: the local self consistent field method // /. Comput. Chem.—1994.—Vol. 15,— P. 269—282.

61. Wlodawer A., Li M., Dauter Z.,Gustchina A., Uchida K., Oyama O., Dunn B. M., Oda K. Carboxyl proteinase from Pseudomonas defines a novel family of subtilisin-like enzymes // Nat. Struct. Biol—2001.—Vol. 8—P. 442— 446.

62. Hedstrom L. Serine protease mechanism and specificity // Chem. Rev.—2002,— Vol. 102.—P. 4501-4523.

63. Dunn B. M. Structure and mechanism of the pepsin-like family of aspartic peptidases // Chem. ReV.-2002.-Vol. 102.-P. 4431-4458.

64. Zimmer M. Green fluorescent protein (GFP): applications, structure, and related photophysical behavior // Chem. Rev.—2002.-Vol. 102—P. 759-781.

65. Lippincott-Schwatz J., Snapp E., Kenworthy A. Studying protein dynamics in living cells //Nat. Rev. Mol. Cell Biol-2001,-Vol. 2.-P. 444-456.

66. Bastiaens P.I.H, Pepperkok R. Observing proteins in their natural habitat: the living cell // Trends Biochem. Sci—2000.—Vol. 25,—P. 631—637.

67. Dong J., Solntseu KM., Poizat O., Tolbert L.M. The Meta-Green Fluorescent Protein Chromophore // J. Am. Chem. Soc-2007.-Vol. 129.-P. 10084-10085.

68. Voityuk A.A., Kutnmer A.D., Michel-Beyerle M.-E., Rosch ^.Absorption spectra of the GFP chromophore in solution: comparison of theoretical and experimental results // Chem. Phys.-200l.-Vol 269.-P. 83-91.

69. Toniolo A., Granucci G., Martinez T.J. Conical intersections in solution: a QM/MM study using floating occupation semiempirical configuration interaction wave functions // J. Phys. Chem. ,4-2003 -Vol. 107.-P. 3822-3830.

70. Totiiolo A., Olsen S., Manohara L., Martriez TJ. Conical intersection dynamics in solution: the chromophore of Green Fluorescent Protein // Faraday Discuss.— 2004,—Vol. 127.-P. 149-163.

71. Voiyuk A.A., Zerner M.C., Rosch N. Extension of the neglect of diatomic differential overlap method to spectroscopy. NDDO-G parametrization and results for organic molecules // /. Phys. Chem. A—1999.—Vol. 103.—P. 4553—4559.

72. Padayatti P. S., Ng A.S., Uchida K., Glomb M.A., Nagaraj R.H. Argpyrimidine, a blue fluorophore in human lens proteins: high levels in brunescent cataractous lenses // Invest. Ophthalmol. Visual Sci-2001,—Vol. 42—P. 1299-1304.

73. Ulrich P., Cerami A. Protein glycation, diabetes, and aging // Recent Prog. Horm. Res.—2001.—Vol, 56.-P. 1-21.

74. Reuter N., Lin H., Thiel W. Green fluorescent proteins: empirical force field for the neutral and deprotonated forms of the chromophore. Molecular dynamics simulations of the wild type and S65T mutant // /. Phys. Chem. 5—2002.—Vol. 106.-P. 6310-6321.

75. Lewis A. The molecular mechanism of excitation in visual transduction and bacteriorhodopsin // Proc. Natl. Acad. Sci. USA—1978.—Vol. 75.-P. 549-553.

76. Baylor D. How photons start vision // Proc. Natl. Acad. Sci. USA—1996,—Vol. 93.—P. 560-565.

77. Menon N. T., Han M., Sakrnar T. P. Rhodopsin: structural basis of molecular physiology // Physiol. Rev.-2001.^-Vol. 81.-P. 1659—1688.

78. Palczewski K., Kumasaka T., Hori T.y Behnke C. A., Motoshima H., Fox B. A., Le Trong I., Teller D., Okada T.y Stenkamp R. E.y Yamamoto M., Miyano M. Crystal structure of rhodopsin: a G protein-coupled receptor //Science—2000.— Vol. 289.—P. 739-745.

79. Teller D. C., Okada T., Behnke C. A., Palczewski K., Stenkamp R. E. Advances in determination of a high-resolution three-dimensional structure of rhodopsin, a model of G-protein-coupled receptors (GPCRs) // Biochemistry—2001,—Vol. 40.-P. 7761-7772.

80. Okada T., Fujhjoshi Y., Silow M., Navarro JLandau E. M., Schichida Y. Functional role of internal water molecules in rhodopsin revealed by X-ray crystallography 11 Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.-2002.—Vol. 99,—P. 5982— 5987.

81. Okada T., Sugihara M., Bondar A.-N., Elstrier M., Eritel P., Buss V. J. The retinal conformation and its environment in rhodopsin in light of a new 2.2 A° crystal structure ///. Mol. Biol.-2004,-Vol. 342.-P. 571-583.

82. Lin S. W., Sakmar T. P., Franks R. R., Khorana H. G., Mathies R. A. Resonance Raman Microprobe Spectroscopy of rhodopsin mutants: effect of substitutions in the third transmembrane helix / ¡Biochemistry—1992.—Vol. 31,—P. 5105—5111.

83. Sakmar T. P., Franke R. R., Khonara H. G. Glutamic acid 113 serves as the retinylidene Schiff base counterion in bovine rhodopsin // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.^.—1989.-Vol. 86.—P. 8309-8313.

84. Kim J. E., Tauber M. J., Mathies R. A. Wavelength dependent cis-trans isomerization in vision // Biochemistry—2001.—^Vol. 40.—P. 13774—13778.

85. Freedman K. A., Becker R. S. Comparative investigation of the photoisomerization of the protonated and unprotonated n-butylamine Schiff bases of 9-cis-, 1 1 -cis-, 13-cis-, and all-trans-retinals ///. Am. Chem. Soc.—1986.—Vol. 108.-P. 1245-1251.

86. Ferre N., Olivucci M. Probing the rhodopsin cavity with reduced retinal models at the CASPT2// CASSCF/AMBER level of theory ///. Am. Chem. Soc.-2003,-Vol. 125.-P. 6868-6869.

87. Coto P. B., Strambi A., Ferre N., Olivucci M. The color of rhodopsins at the ab initio multiconfigurational perturbation theory resolution Proc. Natl. Acd. Sci. U.S.A.-2006.-Vol. 103.-P. 17154-17159.

88. Andruniow T., Ferre N., Olivucci M. Structure, initial excited-state relaxation, and energy storage of rhodopsin resolved at the multiconfigurational perturbation theory level //Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.-2004.-Vol 101.—P. 17908-17913.

89. Hufen J., Sugihara M., Buss V. J. How the counterion affects ground- and excited-state properties of the rhodopsin chromophore // Phys. Chem. /3—2004.— Vol. 108.—P. 20419-20426.

90. Sekharan S., Sugihara M., Buss V. Origin of spectral tuning in rhodopsin — it is not the binding pocket // Angew. Chem., Int. Ed—2007—Vol. 46,—P. 269—271.

91. Sekharan S., Sugihara M., Weingart O., Okada T., Buss V. J. Protein assistance in the photoisomerization of rhodopsin and 9-cis-rhodopsins — insights from experiment and theory ///. Am. Chem. Soc.—2007—Vol. 129—P. 1052—1054.

92. Schreiber M., Buss V. Exploring the opsin shift with ab initio methods: geometry and counterion effects on the electronic spectrum of retinal // J. Chem. Phys.— 2003.—Vol. 119.—P. 12045-12048.

93. Sugihara M., Buss VEntel P., Elstner M., Frauenheim T. 11-cis-Retinal protonated Schiff base: influence of the protein environment on the geometry of the rhodopsin chromophore 11 Biochemistry—2002.—Vol. 41.-P. 15259—15266.

94. Gascon J. A., Batista V. S. QM/MM study of energy storage and molecular rearrangements due to the primary event in vision // Biophys /.—2004.—Vol. 87.—P. 2931-2941.

95. Losa A. M., Galvan I. F., Martn M. E., Aguilar M. A. Solvent effects on the low-lying excited states of a model of retinal 11 J. Phys. Chem. B—2006.—Vol. 110.—P. 18064-18071.

96. Sugihara M., Buss V., Entel P., Hafner J., Bondar A. N., Elstner M., Frauenheim T. Ab initio, tight-binding and QM/MM calculations of the rhodopsin chromophore in its binding pocket // Phase Transitions—2004.—Vol. 77.—P. 31— 45.

97. Lüdeke S„ Beck M„ Yan E. C. Y., Sakmar T. P., Siebert F., Vogel R. The role of Glul81 in the photoactivation of rhodopsin //J. Mol. Biol.—2005.—Vol. 353.—P. 345-356.

98. Watiko M., Garcivelli M., Bernardi F., Niehaus T. A., Frauenheim T., Elstner M. A global investigation of excited state surfaces within time-dependent density-functional response theory // J. Chem. Phys,-2004.—Vol. 120.-P. 1674—1692.

99. Sun M., Ding Y., Cui G., Liu Y. SI and S2 excited states of gas-phase schiff-base retinal chromophores: a time-dependent density functional theoretical investigation // /. Phys. Chem. ^-2007.-Vol. 111.—P. 2946-2950.

100. Honig B., Hudson B., Sykes D., Karplus M. Ring orientation in ¡3-ionone and retináis // Proc. Nat. Acad. Sci. U.S. A-1971.-Vol 68.-P. 1289-1293.

101. Salgado G. F. /., Struts A. V., Tanaka K., Fujioka N., Nakanishi K., Brown M. F. Deuterium NMR structure of retinal in the ground state of rhodopsin // Biochemistry-2004.—Vol 43.-P. 12819-12828.

102. Spooner P. J. R., Sharpies J. MVerhoeven M. A., Lugtenburg J., Glaubitz C., Watts A. Relative orientation between the /¡Monone ring and the polyene chain for the chromophore of rhodopsin in native membranes // Biochemistry—2002,—Vol. 41.—P. 7549-7555.

103. Janz J. M., Farrens D. L. Role of the retinal hydrogen bond network in rhodopsin schiff base stability and hydrolysis 11 J. Biomol. Chem.—2004.—Vol. 279,—P. 55886-55894.

104. Gascon J. A., Sproviero E. M., Batista V. S. Computational studies of the primary phototransduction event in visual rhodopsin // Acc. Chem. Res.—2006.—^Vol. 39.—P. 184-193.

105. Fujimoto K., Hayashi S., Hasegawa J., Nakatsuji H. Theoretical studies on the color-tuning mechanism in retinal proteins // /. Chem. Theor. Comput—2007.— Vol. 3.-P. 605-618.

106. Nakayama K., Nakano H., Hirao K. Theoretical study of the it — pi* excited states of linear polyenes: the energy gap between 1XBU + and 21Ag ~ states and their character 11 Int. J. Quant. Chem-1998.—Vol. 66,—P. 157—175.

107. Chudakov D. M., Feofanov A. V., Mudrik N. N., Lukyanov S., Lukyanov K. A. Chromophore environment provides clue to "Kindling Fluorescent Protein"riddle // J. Biol. Chem.-2003.—Vol. 278.-P. 7215-7219.

108. Quillin M. L., Anstrom D. M., Shu X., O'Leary SKallio K., Chudakov D. M., Remington S. J. Kindling fluorescent protein from anemonia sulcata: dark-state structure at 1.38 Ä resolution// Biochemistry—2005.—Vol. 44.—P. 5774—5787.

109. Wilmann P. G., Petersen J., Devenish R. J., Prescott M., Rossjohn J. Variations on the GFP Chromophore'// J. Biol. Chem—2005.-Vol. 280.-P. 2401-2404.

110. Amat P., Granucci G., Buda F., Pérsico M., Tozzini V. The Chromophore of asFP595: A Theoretical Study// J. Phys. Chem. B —2006.—Vol. 110 -P. 93489353.

111. Tretyakova Y. A., Pakhomov A. A., Martynov V. I. Chromophore structure of the kindling fluorescent protein asFP595 from Anemonia sulcata //J. Am. Chem. Soc.—2007.—Vol. 129.—P. 7748-7749.

112. Grigorenko B., Savitsky A., Topol I., Burt S., Nemukhin A. Ground-state structures and vertical excitations for the kindling fluorescent protein asFP595 // /. Phys. Chem. B-2006.-Vol. 110-P. 18635-18640.

113. Schäfer L. V., Groenhof G., Boggio-Pasqua M., Robb M. A., Grubmüller H. Photoswitching oi the fluorescent protein asFP595: mechanism, proton pathways, and absorption spectra // Angew. Chem —2007.—Vol. 119.—P. 536-542.

114. Andresen M., Stiel A.C., Trowitzsch S., Weber G., Eggeling C., Wahl M.C., Hell S.W., Jakobs S. Structural basis for reversible photoswitching in Dronpa// Proc. Natl. Acad. Sei. USA-2007-Vol. 104.-P. 13005-13009.

115. Boye S., Krogh H., Nielsen I. В., Nielsen S. В., Pedersen S. U.,Pederse U. V., Andersen L. H., Bell A. F., He X., Tonge P. // J. Phys. Rev. Lett—2003.—Vol. 90.—P. 118103(1)—1118103(4)

116. Andersen L. H., Bluhme H., Boye S., Jorgensen T. J. D. Krogh H., Nielsen /. В., Nielsen S. В., Svendsen A. // Phys. Chem. Chem. Phys.—2004,—Vol. 6.—P. 2617-2627.

117. Sun M. Excited State Properties of the Chromophore of the asFP595 Chromoprotein: 2D and 3D Theoretical Analyses// Int. J. Quant. Chem.—2006.— Vol. 106.-P. 1020-1026.

118. Nemukhin A. V., Topol I. A., Burt S. K. Electronic Excitations of the Chromophore from the Fluorescent Protein asFP595 in Solutions// J. Chem. Theory Comput-2006-Vol. 2.-P. 292—299.

119. Основные публикации по теме диссертации

120. Nemukhin A.V., Bochenkova A.V., Bravaya К.В., Granovsky A.A. Accurate modeling of the S0-S1 photo-absorption in biological chromophores // Proc. of SPIE-2006,-Vol. 6449.—P. 64490N(1)-64490N(5).

121. Бравая К.Б., Боченкова А.В., Грановский А.А., Немухин А.В. Моделирование структуры и электронных спектров хромофора зеленого флуоресцентного белка // Химическая физика—2008.—Т. 27.—С. 13—17.

122. Bravaya К.В., Grigorenko B.L., Nemukhin А. VZhu Yun-Ji, Zhang Jian-Ping Theoretical characterization of the 1,3-diazaazulene molecule and its derivatives // J. Mol. Struct. (Theochem)—2008.—Vol. 855.-P. 40-44.

123. Bravaya K.B., Bochenkova A.V., Grigorenko B.L., Nemukhin A.V. Molecular modeling of reaction mechanism of serine-carboxyl peptidases // J. Chem. Theor. Сотр.-2006,-Vol. 2.-P. 1168-1175.

124. Kessel L., Nielsen I.В., Bochenkova A. V., Bravaya K.B., Andersen L.H. Gas-phase spectroscopy of protonated 3-OH-kynurenine and argpyrimidine. Comparison of experimental results to theoretical modeling // J. Phys. Chem. A—2007.—Vol. 111.—P. 10537-10543.

125. Bravaya K.B., Bochenkova A.V, Granovsky A.A., Nemukhin A.V. An opsin shift in rhodopsin: retinal S0-S1 excitation in protein, in solution, and in the gas phase // /. Am. Chem. Soc.-2007.-Vol. 129.-P. 13035-13042.

126. Bravaya К. В., Bochenkova A.V., Granovsky A. A., Savitsky A.P., Nemukhin A.V. Modeling photoabsorption of the asFP595 chromophore 11 J. Phys. Chem. A— 2008.—Vol. 112.—P. 8804-8810.

127. Бравая К.Б., Боченкова А.В., Немухин А.В. Моделирование структуры и электронных спектров молекулы ретиналя // Международная конференция аспирантов и студентов "Ломоносов-2004", 12—15 апреля, 2004, Москва, Россия — Материалы конференции, С. 108.

128. Бравая К.Б. Моделирование механизма гидролиза пептидной связи в активном центре седолизина // Международная конференция студентов и аспирантов "Ломоносов-2005", 12—15 апреля, 2005, Москва, Россия — Материалы конференции, Т. 1, С. 64.

129. Бравая К.Б. Моделирование вертикальных электронных спектров биологических хромофоров в различном окружении // Международная конференция студентов и аспирантов "Ломоносов-2007", 11—14 апреля, 2007, Москва, Россия — Материалы конференции, С. 452.

130. Бравая К.Б. Моделирование фотофизических свойств флуоресцентного белка asFP595 // Международная конференция студентов и аспирантов "Ломоносов-2008", 8—11 апреля, 2008, Москва, Россия — Материалы конференции, С. 597.