Реализация алгоритмов комбинированных методов квантовой и молекулярной механики и приложения к исследованиям механизмов реакций в растворах и биологических системах

Морозов, Дмитрий Иванович

Реализация алгоритмов комбинированных методов квантовой и молекулярной механики и приложения к исследованиям механизмов реакций в растворах и биологических системах тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

Морозов, Дмитрий Иванович АВТОР

кандидата химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Реализация алгоритмов комбинированных методов квантовой и молекулярной механики и приложения к исследованиям механизмов реакций в растворах и биологических системах»

Автореферат диссертации на тему "Реализация алгоритмов комбинированных методов квантовой и молекулярной механики и приложения к исследованиям механизмов реакций в растворах и биологических системах"

На правах рукописи

005048863

Морозов Дмитрий Иванович

Реализация алгоритмов комбинированных методов квантовой и молекулярной механики и приложения к исследованиям механизмов реакций в растворах и биологических системах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Специальность 02.00.04 - физическая химия

з 1 ЯН6 Г013

Москва-2012

005048863

Работа выполнена на кафедре физической химии Химического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Григоренко Белла Людвиговна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Сулимов Владимир Борисович

Научно-исследовательский вычислительный центр МГУ им. М.В. Ломоносова

доктор химических наук Боженко Константин Викторович

Институт проблем химической физики РАН

Ведущая организация:

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

Защита состоится 8 февраля 2013 года в 15:00 в аудитории 446 Химического факультета МГУ на заседании диссертационного совета Д 501.001.90 при МГУ имени М.В. Ломоносова (119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д. 1, стр. 3, Химический факультет МГУ).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: г. Москва, Ломоносовский проспект, д. 27.

Автореферат диссертации размещен на сайте ВАК Министерства образования и науки РФ: vak.ed.gov.ru

Автореферат разослан «28» декабря 2012 года. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 501.001.90

кандидат химических наук

Бобылева М.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Современные методы компьютерного моделирования оказывают существенную поддержку экспериментальным исследованиям сложных биомолекулярных систем, позволяя рассчитывать геометрические параметры биомолекул, оценивать энергии различных конформаций, положения и интенсивности спектральных полос. Значительную роль в подобном моделировании занимают комбинированные методы квантовой и молекулярной механики (КМ/ММ), сочетающие в себе точность квантовых методов, необходимую для описания химических реакций в системе, и возможности молекулярно-механических подходов при моделировании систем, состоящих из десятков тысяч атомов. Разработка новых эффективных алгоритмов метода КМ/ММ, ориентированных на современные суперкомпьютеры, представляет актуальную задачу вычислительной и квантовой химии.

Основное внимание в диссертационной работе уделено новой реализации методики КМ/ММ с конформационно-подвижными эффективными фрагментами и ее применению к конкретным задачам моделирования химических превращений, включая:

• реакции в растворах - моделирование реакции гидролиза циклического гуанозинмонофосфата в воде,

• ферментативные реакции - расщепление нейромедиатора ацетилхолина ферментом ацетилхолинэстеразой,

• фотореакции в белках- декарбоксилирование зеленого флуоресцентного белка.

Каждая из рассмотренных систем представляет интерес для соответствующей области биофизики (биохимии), но для целей данной работы также важно было установить, насколько эффективно применение данной реализации метода КМ/ММ. С этой целью в ряде примеров проводилось сравнение результатов различных вариантов КМ/ММ. Во всех случаях расчеты выполнялись на суперкомпьютерных ресурсах МГУ им. М.В. Ломоносова или Российской академии наук.

Цель работы: Развитие алгоритмов комбинированного метода квантовой

и молекулярной механики (КМ/ММ), ориентированных на суперкомпьютеры, и

его применение для прогнозирования механизмов реакций, проходящих в белках

и растворах. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Реализация метода КМ/ММ в варианте конформационно-подвижных эффективных фрагментов в программном пакете ОАМЕ88(и8).

2. Исследование механизма реакции гидролиза циклического гуанозинмонофосфата в водном растворе двумя различными вариантами метода КМ/ММ.

3. Детализация механизма расщепления ацетилхолина в активном центре ацетилхолинэстеразы двумя различными вариантами метода КМ/ММ.

4. Исследование фотореакции декарбоксилирования зелёного флуоресцентного белка.

Научная новизна результатов:

1. Показано, что новый вариант компьютерной программы метода КМ/ММ с конформационно-подвижными фрагментами, реализованный в пакете САМЕ88(и8), демонстрирует высокую эффективность при проведении расчётов с использованием суперкомпьютеров.

2. Установлено, что реакция гидролиза циклического гуанозинмонофосфата в водном растворе проходит по ассоциативному механизму через интермедиат с пентакоординированным фосфором.

3. Подтверждена гипотеза о стабильности тетраэдрического интермедиата стадии ацилирования реакции гиролиза ацетилхолина в активном центре фермента ацетилхолинэстеразы.

4. Показано, что скорость реакции декарбоксилирования зелёного флуоресцентного белка зависит от длины волны облучающего света, и реакция может происходить как по однофотонному, так и по двухфотонному механизму.

Личный вклад диссертанта заключается в сборе и анализе литературных данных, постановке задач, разработке путей решения поставленных задач, реализация алгоритмов метода конформационно-подвижных эффективных фрагментов в программном пакете ОАМЕ55(и8), проведении вычислений методами квантовой химии, комбинированными методами квантовой и молекулярной механики, интерпретации результатов, подготовке публикаций и докладов по теме диссертационной работы.

Научная и практическая значимость данной работы заключается в том, что полученные результаты позволяют детализировать механизмы ферментативных и фотохимических реакций для широкого класса белков. Результаты данной работы могут быть применены, в частности, для прогнозирования свойств новых перспективных биомаркеров на основе флуоресцентных белков, новых потенциальных ингибиторов важнейшего фермента высшей нервной деятельности - ацетилхолинэстеразы.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации были представлены на международных конференциях "Ломоносов" (Москва 2009 и 2011), 7-й Всероссийской конференции "Молекулярное моделирование" (Москва 2011), IX и X ежегодных международных молодежных конференциях "Биохимическая физика" ИБХФ РАН-ВУЗы (Москва 2009, 2010), Симпозиумах "Современная химическая физика" (Туапсе 2010 и 2011), 5-й международной конференции "Параллельные вычислительные технологии (ПаВТ)" (Москва 2011), 26-й зимней школе теоретической химии (Финляндия 2010), 19-й международной конференции "Новые горизонты в исследованиях водородных связей" (Германия 2011)

Результаты опубликованы в 11 печатных изданиях, в том числе в 6 статьях в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень журналов ВАК РФ и в 5 тезисах докладов на конференциях.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка цитируемой литературы из 208 наименований. Работа изложена на 136 страницах машинописного текста и включает 30 рисунков и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1 содержит описание современных методов квантовой химии, а также подходов к изучению биологических систем и реакций в растворах на основе квантовой теории. Проведён подробный разбор современных вариантов комбинированных методов квантовой и молекулярной механики (КМ/ММ).

В Главе 2 рассматривается новая реализация и тестирование метода КМ/ММ в варианте конформационно-подвижных эффективных фрагментов в программном пакете GAMESS(US) с использованием оригинального интерфейса с молекулярно—механическим пакетом TINKER.

В методе потенциалов эффективных фрагментов гамильтониан молекулярной системы, состоящий из ab initio части и части, описывающей взаимодействие окружения с ab initio частью, записан следующим образом:

H=Hab+V.

Оператор НаЬ соответствует области КМ, описываемой ab initio, а потенциал V моделирует вклады от эффективных фрагментов, составляющих ММ-подсистему. В нашей реализации ММ часть рассматривается как связанная цепочка небольших (от 3 до 11 атомов) эффективных фрагментов с фиксированными внутренними координатами, взаимодействия которых с квантовой частью рассчитываются по исходной версии теории потенциалов эффективных фрагментов; однако, взаимодействия фрагментов между собой моделируется с силовыми полями молекулярной механики На рис. 1 показан типичный фрагмент ММ системы, разбитый (пунктирные линии) на 5 эффективных фрагментов: две СН3 группы, две CONH группы и СН2 группа.

Рис. 1. Пример разделения ММ-части на эффективные фрагменты. Атомы углерода выделены зеленым цветом, кислорода - красным, азота — синим.

Описание разрывов по ковалентной связи между КМ- и ММ-частями осуществляется по Са-Ср (либо по Ср-Ст) связи в аминокислотном остатке, при этом также используются эффективные фрагменты. На рис. 2 показано разделение системы на КМ и ММ части по ковалентной С-С связи. При этом фрагмент пептидной цепи относится к ММ части, а боковая цепь гистидина описывается квантово-механическими методами, справа показаны разведённые в пространстве КМ и ММ части.

Рис. 2. Разделение системы па КМ и ММ части, а также буферный фрагмент.

Особенностью нашего метода является введение буферного фрагмента -группы атомов, которая принадлежит одновременно к КМ и ММ подсистемам. В данном случае буфером является -СНг- группа. В КМ-подсистеме для насыщения разорванной ковалентной связи используется дополнительный атом водорода (ЬЕЧК-атом), показанный на рис. 2 в правой верхней части. Таки образом, в КМ части буфер состоит из специальной группы атомов (в данном случае -СН3). Предполагается, что в ММ части буфером является эффективный фрагмент в такой же геометрической конфигурации. Позиция ЬГЫК-атома рассматривается как дополнительная точка мультипольного разложения эффективного фрагмента, которая, однако, не содержит каких либо электростатических параметров и позволяет сохранять положение атома вдоль разорванной С-С связи при оптимизации геометрии. В нашей схеме, эта пустая

точка входит во фрагмент -СН- из пептидной цепочки, который взаимодействует с буферным фрагментом посредством силовых полей.

В текущей реализации метода конформационно-подвижных эффективных фрагментов вклады в одноэлектронный гамильтониан КМ части от ММ части рассчитываются только для квантовых атомов, буферные атомы исключены. Электронная плотность буферных частей описывается в минимальном базисном наборе.

Силы в квантовой части, кроме буферного региона, вычисляются как сумма квантовых сил Р*3*1 и вкладов от эффективных фрагментов На рис. 3

приведены силы, действующие на модельный фрагмент ССЖН молекулярно-механической части.

Рис. 3. Схема вычисления сил, действующих на эффективный фрагмент

Компоненты сил FMM, которые действуют только на атомные центры (С, О, N, Н), вычисляются программным пакетом TINKER и описываются силовым

EFP-OM

полем. Силы взаимодействия с КМ частью F действуют на атомные

центры и на точки мультипольного разложения эффективного фрагмента, данные силы рассчитываются программным пакетом GAMESS(US). Как показано на рис. 3 справа, силы, действующие на каждый атомный центр, складываются и переносятся в центр масс, в результате получается равнодействующая сила F и вращательный момент силы М, действующие на центр масс.

CONH.

Для буферной области схема вычисления сил похожа на схему для ММ части. Силы, действующие на буферный регион со стороны КМ части FQM, вычисляемые GAMESS(US), складываются с силами действующими со стороны ММ части FMM, вычисляемыми TINKER. Полученные результирующие силы прикладываются к двум фрагментам ММ части: буферному -СН2- фрагменту соединяющему КМ и ММ части и следующему за ним фрагменту, содержащему пустую точку разложения.

Для новой реализации метода конформационно-подвижных эффективных фрагментов потребовалось внести существенные изменения в программный код пакета квантовой химии GAMESS(US). В первую очередь были внесены изменения в параметры описания эффективных фрагментов: расширено количество возможных типов фрагментов, одновременно доступных программе, увеличено максимальное количество точек мультипольного разложения, которые могут присутствовать в каждом фрагменте. Для улучшения читаемости входного файла, была также расширена возможная длина названия фрагмента. Добавлена возможность фиксации отдельных фрагментов при оптимизации, что делает оптимизацию геометрии значительно более эффективной. Далее был реализован код, ответственный за LINK-атомы КМ части: по-умолчанию данные атомы всегда описываются минимальным базисом, кроме того изменён код расчёта одноэлектронных вкладов в квантовый гамильтониан от фрагментов таким образом, чтобы LINK-атомы не взаимодействовали с эффективными фрагментами.

Переработке подвергся код расчёта одноэлектронных вкладов в градиенты: был отключен расчёт взаимодействия фрагментов друг с другом. На его место установлена процедура генерации входного файла для программного пакета TINKER с последующим вызовом функции расчёта молекулярно-механической энергии и сил взаимодействия атомов ММ части друг с другом. Далее полученные силы применяются к соответствующим атомным центрам эффективных фрагментов, а энергия ММ части прибавляется к энергии КМ части. Полученные таким образом силы и полная энергия системы используются в процедуре оптимизации геометрических параметров . В начале каждой

итерации поиска координаты ЫЫК-атомов согласуются с координатами соответствующих им атомных центров буферных фрагментов.

В главе 3 методами КМ/ММ исследуются минимальные пути энергии реакции гидролиза циклического гуанозинмонофосфата (цГМФ) в водном окружении, а также производится сравнение двух различных вариантов метода КМ/ММ. В первом случае использовался метод внедрённого кластера, во втором - описанный в главе 2 метод конформационно-подвижных эффективных фрагментов в новой реализации.

Циклический гуанозинмонофосфат относится к группе вторичных посредников при передаче внутри клетки внешних сигналов. В живых организмах концентрация цГМФ контролируется ферментами гуанилциклазой, которая синтезирует цГМФ, и фосфодиэстеразами, которые гидролизуют реакцию с образованием нециклического 5-ГМФ (рис. 4).

Рис. 4. Реакция гидролиза цГМФ с образованием нециклического 5'-ГМФ.

При исследованиях реакций гидролиза циклических нуклеозидфосфатов остаются неясными несколько принципиальных моментов. Кинетические эксперименты не могут различить, произошла ли реакция под действием гидроксид-аниона ОН" или под действием нейтральной молекулы воды Н20. Остаётся непонятным механизм реакции, который может идти по ассоциативному каналу (через интермедиат с пентакоординированным фосфором) или по диссоциативному каналу (через диссоциацию связи Р-3'0 и образование гидратированного Р03~ аниона).

Были расчитаны энергетические профили минимальной энергии для реакции цГМФ + Н20 —> 5-цГМФ в водном растворе с использованием

дискретной модели растворителя. На первом этапе была построена модель системы: молекула цГМФ была помещена в куб из 1600 молекул воды размерам 30 х 30 х 30 А. Далее были проведены расчеты молекулярно-динамических траекторий с использованием программы МЛМО с силовым полем СНА11ММ. Из траектории длиной 3 не были выбраны несколько кадров, которые были использованы для начального приближения в КМ/ММ расчётах. Система в каждом кадре была нагрета от 0 до 300 К за 500 пс, затем в течение 1000 пс рассчитывалась траектория при 300 К, потом система охлаждалась до 0 К за 1500 пс с последующей оптимизацией в течении 2000 шагов. Из полученных (практических идентичных) молекулярных систем были выбраны 306 молекул воды, окружающие цГМФ на расстоянии не более 10 А. Цепочка из 5 молекул воды была включена в квантовую часть наряду с молекулой цГМФ.

Точки минимальной энергии на поверхности потенциальной энергии были получены путём оптимизации геометрических параметров для реагентов, продуктов и интермедиата. Для определения двух точек переходных состояний, разделяющих минимумы, выбирались координаты реакции и производилось сканирование вдоль данной координаты: при каждом значении геометрии производилась геометрическая оптимизация при постоянном значении координаты. По изменению знака градиента по данной координате определялось положение переходных состояний ПС1 и ПС2.

Расчёты методом внедрённого кластера проводились с программным пакетом Н\¥СЬет для сравнения результатов с методом конформационно-подвижных эффективных фрагментов. В обоих случаях использовался метод теории функционала плотности (БРТ) с функционалом ВЗЬУР и базисом сс-рУБг, для описания взаимодействия молекул воды в ММ подсистеме использовался потенциал Т1РЗР. На рис. 5 показаны найденные стационарные точки на пути реакции.

Рассчитанная энергетическая диаграмма показана на рис. 6. Как видно, результаты обоих версий КМ/ММ качественно схожи. Подтверждено наличие петакоординированного интермедиата, а также установлено, что реакция гидролиза идёт по ассоциативному механизму. Полученные методом внедрённого кластера энергетические барьеры не превосходят 20 ккал/моль, что

существенно меньше, чем в прежних расчетах (гЬап е1 а1.) с использованием континуальной модели растворителя (36 ккал/моль)

Реагенты

■л о О

«• л чшиг

\Vat3'

Продукты

Рис. 5. Схема реакции гидролиза цГМФ по данным расчётов методами КМ/ММ.

Рис. 6. Энергетическая диаграмма реакции гидролиза 1(ГМФ по данным расчётов методами КМ/ММ: методом внедрённого кластера (синяя) и методом конформационно—подвижных эффективных фрагментов (красная).

Глава 4 посвящена моделированию реакции гидролиза ацетилхолина в активном центре ацетилхолинэстеразы. Моделирование проводилось двумя различными вариантами методами КМ/ММ: методом внедрённого кластера и методом конформационно-подвижных эффективных фрагментов.

Важнейший фермент центральной нервной системы, ацетилхолинэстераза, относится к классу гидролаз - ферментов, расщепляющих сложноэфирную связь. Роль ацетилхолинэстеразы состоит в быстром гидролизе нейромедиатора ацетилхолина на последней стадии передачи нервного импульса. Вследствие своей высокой физиологической активности ацетилхолинэстераза является мишенью фосфорорганических отравляющих веществ, в том числе боевых. Кроме того, нарушение механизма передачи нервного импульса является фактором развития ряда тяжёлых заболеваний, например, болезни Альцгеймера, и ингибиторы ацетилхолинэстеразы в этих случаях оказывают терапевтическое действие.

Стадия ацилирования (рис. 7) протекает по механизму присоединения-отщепления через образование стабильного тетраэдрического интермедиата. При нуклеофильной атаке кислорода 8ег200 по карбонильному атому углерода субстрата происходит протонирование Шв440, играющего роль основания в данном процессе. Протонированный гистидин стабилизируется при взаимодействии с С1и324.

Рис. 7. Схема стадии ацилирования гидролиза ацетилхолина. В результате на первой стадии ацилирования происходит образование первого тетраэдрического интермедиата, стабилизированного водородными связями с кислородами пептидных связей между остатками оксианионного

центра (С1у121, С1у122, А1а204), который быстро распадается под действием протонированного гистидина, выступающего в качестве кислоты, до ацилфермента с выделением холина.

С целью как можно более точного определения положения энергетического уровня тетраэдрического интермедиата относительно уровня фермент-субстратного комплекса были проведены расчеты энергетической диаграммы стадии ацилирования. В качестве исходной взята структура 2\ОА базы данных РБВ. Квантово-механическая часть системы показана на рис. 8. Она включает в себя следующие остатки: ацетилхолин, каталитическая триада (8ег200, Н1з440, С1и327), а также остаток ОЫ199, ответственный за связывание заряженной части субстрата. Моделирование методом внедрённого кластера проводилось с программным пакетом Н\¥С11ет, а методом конформационно-подвижных эффективных фрагментов с модифицированной программой ОАМЕ88(и5).

ур-

" А .

АцетйлХОлин

His440

Рис. 8. Квантовая подсистема, использованная при моделировании реакции гидролиза ацетилхолина аг{етилхолинэстеразой.

Стационарные точки на поверхности потенциальной энергии были локализованы в ходе расчетов при минимизации полной энергии системы методом КМ/ММ. Для описания молекулярно-механических взаимодействий было использовано поле AMBER. Оптимизация квантово-механической подсистемы проводилась методом функционала электронной плотности с функционалом B3LYP с базисом 6-31G*. Выбранной координатой реакции являлось расстояние между кислородом серина и карбонильным углеродом

субстрата на первой стадии и расстояние между углеродом субстрата и кислородом сложноэфирной связи на второй стадии. Чтобы найти переходное состояние, из оптимизированной структуры тетраэдрического интермедиата варьированием координаты реакции с шагом 0.1 А. получены промежуточные геометрические конфигурации, соответствующие точкам на поверхности потенциальной энергии. Каждая из этих конфигураций затем оптимизировалась при фиксации расстояния, отвечающего координате реакции. Переходное состояние идентифицировалось при отслеживании изменения знака градиента по координате реакции.

Рис. 9 иллюстрирует геометрические конфигурации фермент-субстратного комплекса, а на рис. 10 приведена энергетическая диаграмма, построенная по результатам расчетов двумя вариантами метода КМ/ММ.

Рис. 9. . Геометрии фермент—субстратных комплексов оптимизированные методами внедрённого кластера (слева) и конформационно—подвижных эффективных фрагментов (справа). Все расстояния приведены в А.

Существенное различие в энергетических диаграммах относится только к первому переходному состоянию, что, по всей видимости, связано с разницей в геометрических конфигурациях фермент-субстратного комплекса (рис. 9) -рассчитанные двумя способами расстояния между кислородом серина и карбонильным углеродом субстрата отличается на 0.2 А. Важным результатом моделирования является заключение, что тетрадэрический интермедиат является стабильным: лежит ниже фермент-субстратного комплекса и отделён значительным энергетическим барьером. В обоих вариантах расчета подтверждается однопротонный механизм реакции гидролиза.

ФСК ПС1 ТИ1 ПС2 АФ

Рис. 10. . Энергетическая диаграмма стадии ацилирования по результатам моделирования методом КМ/ММ в варианте: внедрённого кластера (вверху) и конформационно-подвижных эффективных фрагментов (внизу).

Глава 5 посвящена моделированию реакции декарбоксилирования зелёного флуоресцентного белка, а также новым возможностям, которые предоставляет метод КМ/ММ для рационального дизайна фотоактивируемых белков.

Облучение зелёного флуоресцентного белка (ОБР) интенсивным ультрафиолетовым светом ведёт к декарбоксилированию остатка С1и222, расположенного в полости хромофора и приводит к значительному увеличению квантового выхода флуоресценции ОБР. Это явление используется для оптической подсветки при помощи так называемых фотоактивируемых флуоресцентных белков (РА-ОБР). Предполагаемая схема данной реакции изображена на рис. 11. Согласно данной гипотезе начальной стадией данной

реакции является возбуждение системы на высокие электронные уровни с переносом электрона с остатка Glu222 на хромофор. Предполагается, что данный процесс может быть двухфотонным, тогда он идёт через последовательный переход системы в первое возбуждённое состояние Sb после чего второй поглощённый фотон приводит к возбуждению уровня с переносом электрона (в этом случае данный процесс идёт при облучении интенсивным светом с длинной волны порядка 400 нм). С другой стороны облучение ультрафиолетовым светом с длинной волны 254 нм должен приводить к переходу системы в возбуждённое состояние с переносом электрона без промежуточных состояний.

При построении модельной системы начальные координаты были взяты из структуры 1ЕМА базы данных PDB. После добавления недостающих атомов водорода, структура была оптимизирована методом конформационно-подвижных эффективных фрагментов. Теория функционала плотности с функционалом РВЕО и базисом cc-pVDZ использовалась для описания КМ части, силовое поле AMBER использовалось для описания ММ части. Поскольку по данным экспериментов в основном состоянии хромофор GFP является нейтральным, а остаток Glu222 заряжен отрицательно, мы использовали именно такую конфигурацию. Тщательная проработка сетки водородных связей в полости хромофора и последующее сравнение данной структуры с данными из структур 1ЕМА и 1GFL банка данных PDB, показывает хорошее согласие между полученной структурой и кристаллографическими данными. Полученная таким образом модельная система показана на рис. 12.

Для расчёта спектров возбуждения хромофора использовался метод расширенной многоконфигурационной квазивырожденной теории возмущений второго порядка (xMCQDPT2). Поскольку включение в активное пространство орбиталей аниона глутаминовой кислоты приводит к слишком большому числу конфигураций, нами использовался алгоритм ограниченных по заселённости множественных активных пространств (ORMAS) для выделения конфигураций, ответственных за перенос электрона. Также нами был использован метод SOS— CIS(D), с которым можно рассматривать возбуждения всей системы без подразделения орбитального пространства.

НО'

N1—Я

Е222

Рис. 11. Схема реакции декарбоксилирования зелёного флуоресцентного белка.

Зег205

^ "*-с5

С1и222

•-О.

___у"'

6«?

сг л

-ЦК

Хромофор

"о

АгдЭб^ о

А/с. 72. Модельная система, использовавшаяся для изучения реакции декарбоксилирования ОГР.

В таблице 1 приведены энергии Эо—Э] перехода нейтральной формы хромофора зелёного флуоресцентного белка, рассчитанные в данной работе. По данным экспериментов в данной системе максимум полосы поглощения соответствует энергии возбуждения 3.12 эВ.

Как видно, предлагаемые методы хорошо описывают переход в первое возбуждённое состояние данной системы. Было определено возбуждённое состояние хромофора 87 с энергией перехода 6.18 эВ - практически неактивное при переходе из 80 и активное при переходе из 8Ь что говорит о возможности двухфотонного процесса. В таблице 2 показаны рассчитанные энергии переходов с непосредственным переносом заряда по данным расчетов двумя методами

Таблица 1. Вертикальные энергии переходов (эВ) нейтральной формы хромофора СЕР, рассчитанные различными методами.

Модельная система Метод вычисления Энергия возбуждения, эВ

КМ система (хром., 8ег205, С1и222, Агё9б, вода) хМС(ЗОРТ2/ва-СА88СР(12/11)/сс- руог 3.08

КМ система (хром., 8ег205, С1и222, А^96, вода) + эффективные фрагменты хМССШРТ2/5а-СА88СР(12/11)/сс- руог 3.40

КМ система (хром., 8ег205, 01и222, Аг&6, вода) 808-С18(Б)/сс-рУВг 3.23

КМ система (хром., 8ег205, С1и222, Аг£96, вода) + эффективные фрагменты зоз-ещоусс-руэг 3.78

Таким образом, методом хМС<ЗОРТ2 были найдены два состояния с переносом электрона, хорошо согласующиеся с экспериментальной полосой 254 нм и одно состояние с использованием метода 803-03(0).

На основании расчётов были предложены три сценария реакции декарбоксилирования зелёного флуоресцентного белка, проиллюстрированные на рис. 13. Согласно нашей схеме, при интенсивном облучении видимым светом реакция идёт по двухфотонному механизму, а при облучении ультрафиолетовым светом состояния с переносом электрона могут заселяться напрямую. Это объясняет различие в скоростях реакции при переходе от видимого света к ультрафиолету на порядок.

Таблица 2. Энергии переходов с переносом заряда (эВ) с й1и222 на хромофор нейтральной формы хромофора СЕР, рассчитанные различными методами.

Модельная система Метод вычисления 8о-8ст2 Бо-Зстг

КМ система (Хром., 8ег205, аи222, А^96, вода) мерпртг/оьшАБ/сс-рУог 4.0 4.96

КМ система (Хром., 8ег205, аи222, А^96, вода) ЗОБ-СЩОУсс-рУПг 4.70

----'

'СМ

'•..410 (0.5)

390 (1.7)/384 (1.3)

в.

310 (0.2)

30 Ъ^Г

250 (0.1)/264 (0.01)

Рис. 13. Энергетические диаграммы показывающие электронные переходы, которые приводят к состояниям с переносами электронов. Рассчитанная сила осциллятора приведена в скобках.

Выводы

1. Показана эффективность новой реализации алгоритма метода КМ/ММ в варианте конформационно-подвижных фрагментов в программном пакете ОАМЕ55(иЗ) при расчётах свойств ряда биомолекулярных систем на современных суперкомпьютерах.

2. С использованием двух различных вариантов метода КМ/ММ (конформационно-подвижных эффективных фрагментов и внедрённого кластера) подтверждено, что реакция гидролиза циклического гуанозинмонофосфата в водном растворе протекает по ассоциативному

механизму с образованием интермедиата с пентакоординированным фосфором.

3. Двумя различными методами КМ/ММ подтверждена стабильность тетраэдрического интермедиата стадии ацилирования реакции гидролиза ацетилхолина в активном центре ацетилхолинэстеразы. Подтверждено, что данная реакция проходит по однопротонному механизму.

4. Предложены сценарии реакции декарбоксилирования зелёного флуоресцентного белка с учетом переноса электрона с аниона Glu222 на хромофор через высоколежащие возбужденные состояния.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Morozov D.I., Khrenova M.G., Andrijchenko N.N., Grigorenko B.L., Nemukhin A.V. Minimum energy reaction profiles for the hydrolysis reaction of the cyclic guanosine monophosphate in water: Comparison of the results of two QM/MM approaches // Сотр. Theor. Chem. 2012 V. 983. P. 88-94.

2. Grigorenko B.L., Nemukhin A.V., Morozov D.I., Polyakov I.V., Bravaya K.B. and Krylov A.I.. Towards molecular-level characterization of photo-induced decarboxylation of the green fluorescent protein: Accessibility of the chargetransfer states // J. Chem. Theory Comput. 2012 V. 8. P. 1912-1920.

3. Nemukhin A.V., Grigorenko B.L., Morozov D.I., Kochetov M.S., Lushchekina S.V., Varfolomeev S.D.. On quantum mechanical - molecular mechanical (QM/MM) approaches to model hydrolysis of acetylcholine by acetylcholinesterase // Chem. Biol. Interact. 2012. DOI 10.1016/j.cbi.2012.08.027, опубликовано в интернет издании журнала с 12.09.2012

4. Lushchekina S.V., Nemukhin A.V., Morozov D.I., Varfolomeev S.D., Correlation between the substrate structure and the rate of acetylcholinesterase hydrolysis modeled with the combined quantum mechanical/molecular mechanical studies // Chem. Biol. Interact. 2010. V. 187. P. 59-63.

5. Немухин A.B., Григоренко Б.Л., Поляков И.В., Морозов Д.И., Хренова М.Г. Алгоритмы метода конформационно-подвижных эффективных

фрагментов для моделирования превращений в активных центрах ферментов // Вестник Моск. Ун-та. Сер. Химия 2010. Т. 65. С. 427-429.

6. Лущекина С.В., Немухин А.В., Морозов Д.И., Варфоломеев С.Д. Квантово-химическое обоснование специфичности ферментативного катализа. Корреляция между скоростью ферментативного катализа ацетилхолинэстеразой и структурой субстратов // Доклады АН 2009. Т. 426. С. 344-347.

7. Morozov D.I., Nemukhin A.V., Minimum energy reaction profiles for the hydrolysis reaction of the cyclic guanosine monophosphate in water: Comparison of the results of two QM/MM approaches. // XIX international conference on "Horizons in Hydrogen Bond Research". Germany, Gottingen 2011. Book of abstracts. P. 133.

8. Морозов Д.И., Немухин A.B., Григоренко Б.Л. Моделирование процессов в биомолекулярных системах методами квантовой и молекулярной механики (КМ/ММ). // 5ая международная конференция "Параллельные вычислительные технологии (ПаВТ)". Россия, Москва 2011. Электронный ресурс. ISBN 978-5-696-04090-5

9. Морозов Д.И., Поляков И.В., Григоренко Б.Л. Исследование реакции декарбоксилирования зеленого флуоресцентного белка методами квантовой химии. // 7ая всероссийская конференция "Молекулярное моделирование". Россия, Москва 2011. Материалы. С. 30.

Ю.Морозов Д.И., Поляков И.В., Григоренко Б.Л. Реализация метода конформационно-подвижных эффективных фрагментов и его применение в исследованиях биологических систем. // XXII симпозиум "Современная химическая физика". Россия, Туапсе 2010. Материалы. С. 66.

П.Морозов Д.И. Исследование реакции декарбоксилирования зеленого флуоресцентного белка методами квантовой химии. // XVIII Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов". Россия, Москва 2011. Электронный ресурс. ISBN 978-5-317-03634-8.

Заказ № 435-i/12/2012 Подписано в печать 26.12.2012 Тираж 150 экз. Усл. п.л. 1

000 "Дифровичок", тел. (495) 649-83-30 К «Г)) www.cfr.ru ; e-mail:zak@cfr.ru

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата химических наук, Морозов, Дмитрий Иванович

Введение.

Глава 1. Литературный обзор. Комбинированные методы квантовой и молекулярной механики.

1.1. Общие сведения.

1.2. Метод КМ/ММ.

1.2.1. Терминология.

1.2.2. Полная энергия в методе КМ/ММ.

1.2.3. Механическое внедрение.

1.2.3. Электростатическое внедрение.

1.2.4. Поляризационное внедрение.

1.3. Другие взаимодействия, используемые в КМ/ММ схемах.

1.3.1. Дальнодействующие электростатические взаимодействия.

1.3.2. Ван-дер-ваальсовые взаимодействия в методе КМ/ММ.

1.3.3. Связанные КМ/ММ взаимодействия.

1.4. Разрыв между КМ и ММ подсистемами по ковалентной связи.

1.4.1. Обзор методов.

1.4.2. Выбор места разрыва.

1.4.3. LINK-атомы.

1.4.4. Связывающие атомы.

1.4.4. Замороженные локализованные орбитали.

1.5. Программные реализации метода КМ/ММ.

1.6. Метод потенциалов эффективных фрагментов.

Глава 2. Метод конформационно-подвижных эффективных фрагментов.

2.1. Введение.

2.2. Конформационно-подвижные жёсткие фрагменты.

2.3. Электростатическое взаимодействие.

2.4. Разрыв по ковалентной связи.

2.5. Расчёт сил взаимодействия КМ/ММ.

2.6. Реализация метода конформационно-подвижных эффективных фрагментов.

Глава 3. Моделирование реакции гидролиза циклического гуанозинмонофосфата в водном растворе.

3.1. Введение.

3.2. Циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ).

3.3. Протокол вычислений.

3.4. Результаты моделирования.

3.5. Обсуждение результатов.

Глава 4. Моделирование реакции гидролиза ацетилхолина в активном центре фермента ацетилхолинэстеразы.

4.1. Фермент ацетилхолинэстераза.

4.2. Модельная система и протокол вычислений.

4.3. Результаты моделирования.

4.4. Обсуждение результатов.

4.4.1. Роль квантово-химического метода и КМ/ММ разделения системы.

4.4.2. Роль начальной кристаллической структуры.

4.4.3. Сравнение двух различных методов КМ/ММ.

Глава 5. Моделирование реакции декарбоксилирования зелёного флуоресцентного белка (ОБР).

5.1. Зелёный флуоресцентный белок (вРР).

5.2. Фотореакция декарбоксилирования вБР.

5.3. Модельная система и протокол вычислений.

5.4. Результаты моделирования.

5.4.1. Электронный переход 80-81 в М-ОБР.

5.4.2. Электронные переходы 8о-8п (п>1) в нейтральном хромофоре \vt-GFPl

5.4.3. Возбуждения на уровни с переносом электрона 8СТ.

5.4.4. Влияние мутации ПиЗОЗИв.

5.5. Возможные механизмы процесса декарбоксилирования \vt-GFP.

Выводы.

Введение диссертация по химии, на тему "Реализация алгоритмов комбинированных методов квантовой и молекулярной механики и приложения к исследованиям механизмов реакций в растворах и биологических системах"

Современные методы компьютерного моделирования оказывают существенную поддержку экспериментальным исследованиям сложных биомолекулярных систем, позволяя рассчитывать геометрические параметры биомолекул, оценивать энергии различных конформаций, положения и интенсивности спектральных полос. Значительную роль в подобном моделировании занимают комбинированные методы квантовой и молекулярной механики (КМ/ММ), сочетающие в себе точность квантовых методов, необходимую для описания химических реакций в системе, и возможности молекулярно-механических подходов при моделировании систем, состоящих из десятков тысяч атомов. Разработка новых эффективных алгоритмов метода КМ/ММ, ориентированных на современные суперкомпьютеры, представляет актуальную задачу вычислительной и квантовой химии.

• реакции в растворах - моделирование реакции гидролиза циклического гуанозинмонофосфата в воде,

• ферментативные реакции - расщепление нейромедиатора ацетилхолина ферментом ацетилхолинэстеразой,

• фотореакции в белках - декарбоксилирование зеленого флуоресцентного белка.

Цель работы: Развитие алгоритмов комбинированного метода квантовой и молекулярной механики (КМ/ММ), ориентированных на суперкомпьютеры, и его применение для прогнозирования механизмов реакций, проходящих в белках и растворах. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Реализация метода КМ/ММ в варианте конформационно-подвижных эффективных фрагментов в программном пакете GAMESS(US).

4. Исследование фотореакции декарбоксилирования зелёного флуоресцентного белка.

Научная новизна результатов:

1. Показано, что новый вариант компьютерной программы метода КМ/ММ с конформационно-подвижными фрагментами, реализованный в пакете GAMESS(US), демонстрирует высокую эффективность при проведении расчётов с использованием суперкомпьютеров.

Личный вклад диссертанта заключается в сборе и анализе литературных данных, постановке задач, разработке путей решения поставленных задач, реализация алгоритмов метода конформационно-подвижных эффективных фрагментов в программном пакете ОАМЕ88(и8), проведении вычислений методами квантовой химии, комбинированными методами квантовой и молекулярной механики, интерпретации результатов, подготовке публикаций и докладов по теме диссертационной работы.

Финляндия 2010), 19-й международной конференции "Новые горизонты в исследованиях водородных связей" (Германия 2011)

Заключение диссертации по теме "Физическая химия"

Выводы

1. С использованием новой реализации алгоритмов метода КМ/ММ в варианте конформационно-подвижных фрагментов в программном пакете GAMES S (US) проведены расчеты свойств ряда биомолекулярных систем и показана эффективность данной реализации на современных суперкомпьютерах.

2. С использованием двух различных вариантов метода КМ/ММ (конформационно-подвижных эффективных фрагментов и внедрённого кластера) установлено, что реакция гидролиза циклического гуанозинмонофосфата в водном растворе протекает по ассоциативному механизму с образованием интермедиата с пентакоординированным фосфором.

4. Предложены сценарии реакции декарбоксилирования зелёного флуоресцентного белка с учетом переносом электрона с аниона Glu222 на хромофор с участием высоко-лежащих возбужденных состояний. s

Список источников диссертации и автореферата по химии, кандидата химических наук, Морозов, Дмитрий Иванович, Москва

1. Warshel А., М. Levitt, Theoretical studies of enzymic reactions: Dielectric, electrostatic and steric stabilization of the carbonium ion in the reaction of lysozyme. //J. Mol. Biol., 1976.103(2): p. 227-249.

2. Warshel A., M. Karplus, Calculation of ground and excited state potential surfaces of conjugated molecules. I. Formulation and parametrization. // J. Am. Chem. Soc., 1972. 94(16): p. 5612-5625.

3. Field M.J., P.A. Bash, M. Karplus, A combined quantum mechanical and molecular mechanical potential for molecular dynamics simulations. // J. Comput. Chem., 1990.11(6): p. 700-733.

4. Gao J., Hybrid Quantum and Molecular Mechanical Simulations: □ An Alternative Avenue to Solvent Effects in Organic Chemistry. // Acc. Chem. Res., 1996. 29(6): p. 298-305.

5. Gao J., Methods and Applications of Combined Quantum Mechanical and Molecular Mechanical Potentials, in Reviews in Computational Chemistry 2007, John Wiley & Sons, Inc. p. 119-185.

6. Cunningham M.A., P.A. Bash, Computational enzymology. // Biochimie, 1997. 79(11): p. 687-689.

7. Beck В., Т. Clark, Some biological applications of semiempirical MO theory. // Perspect. Drug Discovery Des., 1998. 9-11(0): p. 131-159.

8. Hillier I.H., Chemical reactivity studied by hybrid QM/MM methods. // THEOCHEM, 1999. 463(1-2): p. 45-52.

9. Sherwood P., Hybrid quantum mechanics/molecular mechanics approaches. // Modern methods and algorithms of quantum chemistry, 2000.3: p. 257-277.

10. MacKerell Jr A.D., Atomistic models and force fields. // Computational biochemistry and biophysics, 2001: p. 7-38.

11. Ponder J.W., D.A. Case, Force fields for protein simulations. // Advances in protein chemistry, 2003. 66: p. 27-85.-s

12. Senn H., W. Thiel, QM/MM Methods for Biological Systems

13. Atomistic Approaches in Modern Biology, M. Reiher, Editor 2007, Springer Berlin / Heidelberg, p. 173-290.

14. Mackerell A.D., Empirical force fields for biological macromolecules: Overview and issues. //J. Comput. Chem., 2004. 25(13): p. 1584-1604.

15. Maseras F., K. Morokuma, IMOMM: A new integrated ab initio + molecular mechanics geometry optimization scheme of equilibrium structures and transition states. //J. Comput. Chem., 1995.16(9): p. 1170-1179.

16. Dapprich S., I. Komaromi, K.S. Byun, K. Morokuma, M.J. Frisch, A new ONIOM implementation in Gaussian98. Part I. The calculation of energies, gradients, vibrational frequencies and electric field derivatives. //THEOCHEM, 1999. 461-462(0): p. 1-21.

17. Froese R.D.J., K. Morokuma, Hybrid methods. // Encyclopedia of computational chemistry, 1998.

18. Komaromi I., L. Muszbek, Application of the IMOMM (integrated molecular orbital molecular mechanics) method for biopolymers. // Frontiers of multifunctional nanosystems. NATO science series II: Mathematics, physics and chemistry, 2002. 57: p. 17-28.

19. Vreven T., K.S. Byun, I. Komaromi, S. Dapprich, J.A. Montgomery, K. Morokuma, M.J. Frisch, Combining Quantum Mechanics Methods with Molecular Mechanics Methods in ONIOM. //J. Chem. Theory Comput., 2006. 2(3): p. 815826.

20. Vreven T., K. Morokuma, Investigation of the S 0- S 1 excitation in bacteriorhodopsin with the ONIOM (MO: MM) hybrid method. // Theor. Chem. Acc., 2003.109(3): p. 125-132.

21. Bakowies D., W. Thiel, Hybrid Models for Combined Quantum Mechanical and Molecular Mechanical Approaches. //J. Phys. Chem., 1996. 100(25): p. 1058010594.

22. Antes I., W. Thiel. On the treatment of link atoms in hybrid methods. 1998. ACS Publications.

23. Rick S. W., S.J. Stuart, Potentials and Algorithms for Incorporating Polarizability in Computer Simulations, in Reviews in Computational Chemistry, 2003, John Wiley & Sons, Inc. p. 89-146.

24. Yu H., W.F. van Gunsteren, Accounting for polarization in molecular simulation. //Comput. Phys. Commun., 2005.172(2): p. 69-85.

25. Stern H.A., F. Rittner, BJ. Berne, R.A. Friesner, Combined fluctuating charge and polarizable dipole models: Application to a five-site water potential function. //J. Chem. Phys., 2001.115(5): p. 2237-2251.

26. Grossfield A., P. Ren, J.W. Ponder, Ion Solvation Thermodynamics from Simulation with a Polarizable Force Field. // J. Am. Chem. Soc., 2003. 125(50): p. 15671-15682.

27. Lamoureux G., J.A.D. MacKerell, B. Roux, A simple polarizable model of water based on classical Drude oscillators. //J. Chem. Phys., 2003. 119(10): p. 51855197.

28. Lamoureux G., B. Roux, Modeling induced polarization with classical Drude oscillators: Theory and molecular dynamics simulation algorithm. // J. Chem. Phys., 2003.119(6): p. 3025-3039.

29. Ren P., J.W. Ponder, Polarizable Atomic Multipole Water Model for Molecular Mechanics Simulation. //J. Phys. Chem. B, 2003.107(24): p. 5933-5947.

30. Yu H., T. Hansson, W.F. van Gunsteren, Development of a simple, self-consistent polarizable model for liquid water. // J. Chem. Phys., 2003.118(1): p. 221-234.

31. Yu H., W.F. van Gunsteren, Charge-on-springpolarizable water models revisited: From water clusters to liquid water to ice. // J. Chem. Phys., 2004. 121(19): p. 9549-9564.

32. Anisimov V.M., G. Lamoureux, I.V. Vorobyov, N. Huang, B. Roux, A.D. MacKerell, Determination of Electrostatic Parameters for a Polarizable Force Field Based on the Classical Drude Oscillator. //J. Chem. Theory Comput., 2004. 1(1): p. 153-168.

33. Patel S., A.D. Mackerell, C.L. Brooks, CHARMM fluctuating charge force field for proteins: II Protein/solvent properties from molecular dynamics simulationsusing a nonadditive electrostatic model // J. Comput. Chem., 2004. 25(12): p. 1504-1514.

34. Vorobyov I.V., V.M. Anisimov, A.D. MacKerell, Polarizable Empirical Force Field for Alkanes Based on the Classical Drude Oscillator Model. // J. Phys. Chem. B, 2005.109(40): p. 18988-18999.

35. Wang J., P. Cieplak, P.A. Kollman, How well does a restrained electrostatic potential (RESP) model perform in calculating conformational energies of organic and biological molecules? //J. Comput. Chem., 2000. 21(12): p. 1049-1074.

36. Wang Z.-X., W. Zhang, C. Wu, H. Lei, P. Cieplak, Y. Duan, Strike a balance: Optimization of backbone torsion parameters of AMBER polarizable force field for simulations ofproteins and peptides. // J. Comput. Chem., 2006. 27(6): p. 781790.

37. Banks J.L., G.A. Kaminski, R. Zhou, D.T. Mainz, B.J. Berne, R.A. Friesner, Parametrizing a polarizable force field from ab initio data. I. The fluctuating point charge model. //J. Chem. Phys., 1999.110(2): p. 741-754.

38. Stern H.A., G.A. Kaminski, J.L. Banks, R. Zhou, B.J. Berne, R.A. Friesner, Fluctuating Charge, Polarizable Dipole, and Combined Models: □ Parameterization from ab Initio Quantum Chemistry. // J. Phys. Chem. B, 1999. 103(22): p. 4730-4737.

39. Kaminski G.A., H.A. Stern, B.J. Berne, R.A. Friesner, Development of an Accurate and Robust Polarizable Molecular Mechanics Force Field from ab Initio Quantum Chemistry. //J. Phys. Chem. A, 2003.108(4): p. 621-627.

40. Ren P., J.W. Ponder, Consistent treatment of inter- and intramolecular polarization in molecular mechanics calculations. // J. Comput. Chem., 2002. 23(16): p. 1497-1506.

41. Thompson M.A., G.K. Schenter, Excited States of the Bacteriochlorophyll b Dimer of Rhodopseudomonas viridis: A QM/MM Study of the Photosynthetic

42. Reaction Center That Includes MM Polarization. //J. Phys. Chem., 1995. 99(17): p. 6374-6386.

43. Nam K., J. Gao, D.M. York, An Efficient Linear-Scaling Ewald Method for LongRange Electrostatic Interactions in Combined QM/MM Calculations. // J. Chem. Theory Comput., 2004.1(1): p. 2-13.

44. Dinner A.R., X. Lopez, M. Karplus, A charge-scaling method to treat solvent in QM/MM simulations. //Theor. Chem. Acc., 2003.109(3): p. 118-124.

45. Gregersen B.A., D.M. York, Variational Electrostatic Projection (VEP) Methods for Efficient Modeling of the Macromolecular Electrostatic and Solvation Environment in Activated Dynamics Simulations. // J. Phys. Chem. B, 2004. 109(1): p. 536-556.

46. Gregersen B.A., D.M. York, A charge-scaling implementation of the variational electrostatic projection method. // J. Comput. Chem., 2006. 27(1): p. 103-115.

47. Schaefer P., D. Riccardi, Q. Cui, Reliable treatment of electrostatics in combined QM/MM simulation of macromolecules. // J. Chem. Phys., 2005. 123(1): p. 014905-14.

48. Beglov D., B. Roux, Finite representation of an infinite bulk system: Solvent boundary potential for computer simulations. //J. Chem. Phys., 1994. 100(12): p. 9050-9063.

49. King G., A. Warshel, A surface constrained all-atom solvent model for effective simulations of polar solutions. //J. Chem. Phys., 1989. 91(6): p. 3647-3661.

50. Im W., S. Berneche, B. Roux, Generalized solvent boundary potential for computer simulations. //J. Chem. Phys., 2001.114(7): p. 2924-2937.

51. Riccardi D., P. Schaefer, Q. Cui, pKa Calculations in Solution and Proteins with QM/MM Free Energy Perturbation Simulations:U A Quantitative Test of QM/MM Protocols. //J. Phys. Chem. B, 2005.109(37): p. 17715-17733.is

52. König P.H., N. Ghosh, M. Hoffmann, M. Elstner, E. Tajkhorshid, T. Frauenheim, Q. Cui, Toward Theoretical Analyis of Long-Range Proton Transfer Kinetics in Biomolecular Pumps f. //J. Phys. Chem. A, 2005.110(2): p. 548-563.

53. Murphy R.B., D.M. Philipp, R.A. Friesner, A mixed quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) method for large-scale modeling of chemistry in protein environments. // J. Comput. Chem., 2000. 21(16): p. 14421457.

54. Freindorf M., Y. Shao, T.R. Furlani, J. Kong, Lennard-Jones parameters for the combined QM/MM method using the B3LYP/6-31G*/AMBER potential. // J. Comput. Chem., 2005.26(12): p. 1270-1278.

55. Riccardi D., G. Li, Q. Cui, Importance of van der Waals Interactions in QM/MM Simulations. //J. Phys. Chem. B, 2004.108(20): p. 6467-6478.

56. Eichinger M., P. Tavan, J. Hutter, M. Parrinello, A hybrid method for solutes in complex solvents: Density functional theory combined with empirical force fields. //J. Chem. Phys., 1999.110(21): p. 10452-10467.

57. Eichler U., C.M. Kölmel, J. Sauer, Combining ab initio techniques with analytical potential functions for structure predictions of large systems: Method and application to crystalline silica polymorphs. //J. Comput. Chem., 1997. 18(4): p. 463-477.

58. Field M.J., M. Albe, C. Bret, F. Proust-De Martin, A. Thomas, The dynamo library for molecular simulations using hybrid quantum mechanical and1. S,molecular mechanical potentials. // J. Comput. Chem., 2000. 21(12): p. 10881100.

59. Lyne P.D., M. Hodoscek, M. Karplus, A Hybrid QM-MM Potential Employing Hartree-Fock or Density Functional Methods in the Quantum Region. // J. Phys. Chem. A, 1999.103(18): p. 3462-3471.

60. Swart M., AddRemove: A new link model for use in QM/MM studies. // Int. J. Quantum Chem., 2003. 91(2): p. 177-183.

61. Woo T.K., L. Cavallo, T. Ziegler, Implementation of the IMOMM methodology for performing combined QM/MM molecular dynamics simulations and frequency calculations. //Theor. Chem. Acc., 1998.100(5): p. 307-313.

62. Ferré N., M. Olivucci, The amide bond: pitfalls and drawbacks of the link atom scheme. //THEOCHEM, 2003. 632(1-3): p. 71-82.

63. Lin H., D.G. Truhlar, Redistributed Charge and Dipole Schemes for Combined Quantum Mechanical and Molecular Mechanical Calculations. // J. Phys. Chem. A, 2005.109(17): p. 3991-4004.

64. Waszkowycz B., I.H. Hillier, N. Gensmantel, D.W. Payling, A quantum mechanical/molecular mechanical model of inhibition of the enzyme phospholipase A2. //J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2, 1991(11): p. 1819-1832.

65. Amara P., M.J. Field, Evaluation of an ab initio quantum mechanical/molecular mechanical hybrid-potential link-atom method. // Theor. Chem. Acc., 2003. 109(1): p. 43-52.

66. CPMD. http://www.cpmd.org/.

67. Antes I., W. Thiel, Adjusted Connection Atoms for Combined Quantum Mechanical and Molecular Mechanical Methods. // J. Phys. Chem. A, 1999. 103(46): p. 9290-9295.

68. Zhang Y., Improved pseudobonds for combined ab initio quantum mechanical/molecular mechanical methods. // J. Chem. Phys., 2005. 122(2): p. 024114-7.

69. Zhang Y., T.-S. Lee, W. Yang, A pseudobond approach to combining quantum mechanical and molecular mechanical methods. //J. Chem. Phys., 1999. 110(1): p. 46-54.

70. Bessac F., F. Alary, Y. Carissan, J.-L. Heully, J.-P. Daudey, R. Poteau, Effective group potentials: a powerful tool for hybrid QM/MM methods? // THEOCHEM, 2003. 632(1-3): p. 43-59.

71. Carissan Y., F. Bessac, F. Alary, J.-L. Heully, R. Poteau, What can we do with an effective group potential? //Int. J. Quantum Chem., 2006.106(3): p. 727-733.

72. Poteau R., I. Ortega, F. Alary, A.R. Solis, J.-C. Barthelat, J.-P. Daudey, Effective Group Potentials. 1. Method. //J. Phys. Chem. A, 2000.105(1): p. 198-205.

73. DiLabio G.A., R.A. Wolkow, E.R. Johnson, Efficient silicon surface and cluster modeling using quantum capping potentials. // J. Chem. Phys., 2005. 122(4): p. 044708-5.

74. Laio A., J. VandeVondele, U. Rothlisberger, A Hamiltonian electrostatic coupling scheme for hybrid Car—Parrinello molecular dynamics simulations. // J. Chem. Phys., 2002.116(16): p. 6941-6947.

75. Slavicek P., T.J. Martinez, Multicentered valence electron effective potentials: A solution to the link atom problem for ground and excited electronic states. // J. Chem. Phys., 2006.124(8): p. 084107-10.

76. Assfeld X., N. Ferre, J.L. Rivail. The Local Self-Consistent Field Principles and Applications to Combined Quantum Mechanical-Molecular Mechanical Computations on Biomacromolecular Systems. 1998. ACS Publications.

77. Ferre N., X. Assfeld, J.-L. Rivail, Specific force field parameters determination for the hybrid ab initio QMJMMLSCF method. //J. Comput. Chem., 2002. 23(6): p.610-624.

78. Monard G., M. Loos, V. Thery, K. Baka, J.-L. Rivail, Hybrid classical quantum force field for modeling very large molecules. // Int. J. Quantum Chem., 1996. 58(2): p. 153-159.

79. Philipp D.M., R.A. Friesner, Mixed ab initio QM/MM modeling using frozen orbitals and tests with alanine dipeptide and tetrapeptide. // J. Comput. Chem., 1999. 20(14): p. 1468-1494.

80. Amara P., M.J. Field, C. Alhambra, J. Gao, The generalized hybrid orbital method for combined quantum mechanical/molecular mechanical calculations: formulation and tests of the analytical derivatives. // Theor. Chem. Acc., 2000. 104(5): p. 336-343.

81. Gao J., P. Amara, C. Alhambra, M.J. Field, A Generalized Hybrid Orbital (GHO) Method for the Treatment of Boundary Atoms in Combined QM/MM Calculations. //J. Phys. Chem. A, 1998.102(24): p. 4714-4721.

82. Pu J., J. Gao, D.G. Truhlar, Combining Self-Consistent-Charge Density-Functional Tight-Binding (SCC-DFTB) with Molecular Mechanics by the Generalized Hybrid Orbital (GHO) Method. // J. Phys. Chem. A, 2004. 108(25): p. 5454-5463.

83. Pu J., J. Gao, D.G. Truhlar, Generalized Hybrid Orbital Method for Combining Density Functional Theory with Molecular Mechanicals. // ChemPhysChem, 2005. 6(9): p. 1853-1865.

84. Case D.A., T.E. Cheatham, T. Darden, H. Gohlke, R. Luo, K.M. Merz, A. Onufriev, C. Simmerling, B. Wang, R.J. Woods, The Amber biomolecular simulation programs. // J. Comput. Chem., 2005.26(16): p. 1668-1688.

85. MacKerell Jr A.D., B. Brooks, C.L. Brooks III, L. Nilsson, B. Roux, Y. Won, M. Karplus, CHARMM: the energy function and its parameterization. // Encyclopedia of computational chemistry, 1998.

86. Martyn F., I.J. Bush, H.J.J. Van Dam, P. Sherwood, J.M.H. Thomas, J.H. Van Lenthe, R.W.A. Havenith, J. Kendrick, The GAMESS-UK electronic structure package: algorithms, developments and applications. // Molecular Physics, 2005. 103(6-8): p. 719-747.

87. GAUSSIAN. Available from: http://www.gaussian.com/.

88. Kendall R.A., E. Aprä, D.E. Bernholdt, E.J. Bylaska, M. Dupuis, G.I. Fann, RJ. Harrison, J. Ju, J.A. Nichols, J. Nieplocha, T.P. Straatsma, T.L. Windus, A.T.

89. Wong, High performance computational chemistry: An overview of NWChem a distributed parallel application. // Comput. Phys. Commun., 2000. 128(1-2): p. 260-283.

90. Colombo M.C., L. Guidoni, A. Laio, A. Magistrate, P. Maurer, S. Piana, U. Rohrig, K. Spiegel, M. Sulpizi, J. VandeVondele, Hybrid QM/MM Car-Parrinello simulations of catalytic and enzymatic reactions. // CHIMIA, 56, 2002. 1(2): p. 13-19.

91. Laino T., F. Mohamed, A. Laio, M. Parrinello, An Efficient Real Space Multigrid QM/MM Electrostatic Coupling. //J. Chem. Theory Comput., 2005.1(6): p. 11761184.

92. QMMM. Available from: http://comp.chem.umn.edu/qmmm/.

93. Gordon M.S., M.A. Freitag, P. Bandyopadhyay, J.H. Jensen, V. Kairys, W.J. Stevens, The effective fragment potential method: a QM-based MM approach to modeling environmental effects in chemistry. // J. Phys. Chem. A, 2001. 105(2): p. 293-307.

94. Adamovic I., M.A. Freitag, M.S. Gordon, Density functional theory based effective fragment potential method. // J. Chem. Phys., 2003.118: p. 6725-6733.

95. Gordon M.S., L. Slipchenko, H. Li, J.H. Jensen, The effective fragment potential: A general method for predicting intermolecular interactions. // Ann. Rep. Comp. Chem., 2007.3: p. 177-193.

96. Jensen J.H., Modeling intermolecular exchange integrals between nonorthogonal molecular orbitals. //J. Chem. Phys., 1996.104: p. 7795-7797.

97. Jensen J.H., M.S. Gordon, An approximate formula for the intermolecular Pauli repulsion between closed shell molecules. II Application to the effective fragment potential method. //J. Chem. Phys., 1998.108: p. 4772-4783.

98. Bash P.A., M.J. Field, M. Karplus, Free energy perturbation method for chemical reactions in the condensed phase: a dynamic approach based on a combined quantum and molecular mechanics potential. // J. Am. Chem. Soc., 1987.109(26): p. 8092-8094.

99. Krauss M., Effective fragment potentials and spectroscopy at enzyme active sites. //Comput. Chem., 1995.19(3): p. 199-204.

100. Wladkowski B.D., M. Krauss, W.J. Stevens, Transphosphorylation catalyzed by ribonuclease A: computational study using ab initio effective fragment potentials. //J. Am. Chem. Soc., 1995.117(42): p. 10537-10545.

101. Day P.N., J.H. Jensen, M.S. Gordon, S.P. Webb, W.J. Stevens, M. Krauss, D. Garmer, H. Basch, D. Cohen, An effective fragment method for modeling solvent effects in quantum mechanical calculations. // J. Chem. Phys., 1996.105: p. 1968.

102. Nemukhin A.V., B.L. Grigorenko, A.V. Bochenkova, I.A. Topol, S.K. Burt, A QM/MM approach with effective fragment potentials applied to the dipeptide-water structures. //THEOCHEM, 2002. 581(1-3): p. 167-175.

103. Nemukhin A.V., B.L. Grigorenko, I.A. Topol, S.K. Burt, Flexible effective fragment QM/MM method: Validation through the challenging tests. //J. Comput. Chem., 2003.24(12): p. 1410-1420.

104. Chen W., M.S. Gordon, The effective fragment model for solvation: Internal rotation informamide. //J. Chem. Phys., 1996.105(24): p. 11081-11090.

105. Day P.N., R. Pachter, M.S. Gordon, G.N. Merrill, A study of water clusters using the effective fragment potential and Monte Carlo simulated annealing. // J. Chem. Phys., 2000.112(5): p. 2063-2073.

106. Krauss M., S.P. Webb, Solvation and the excited states offormamide. // J. Chem. Phys., 1997.107(15): p. 5771-5775.

107. Nemukhin A.V., I.A. Topol, B.L. Grigorenko, S.K. Burt, On the Origin of Potential Barrier for the Reaction OH- + C02 -> HC03- in Water: □ Studies by Using Continuum and Cluster Solvation Methods. // J. Phys. Chem. B, 2002. 106(7): p. 1734-1740.

108. Kairys V., J.H. Jensen, QM/MM Boundaries Across Covalent Bonds: □ A Frozen Localized Molecular Orbital-Based Approach for the Effective Fragment Potential Method. //J. Phys. Chem. A, 2000.104(28): p. 6656-6665.

109. Krauss M., B.D. Wladkowski, Vanadate complex spectroscopy at the RNase A active site. //Int. J. Quantum Chem., 1998. 69(1): p. 11-19.

110. Li H., A.W. Hains, J.E. Everts, A.D. Robertson, J.H. Jensen, The Prediction of Protein pKa's Using QM/MM: □ The pKa of Lysine 55 in Turkey Ovomucoid Third Domain. //J. Phys. Chem. B, 2002.106(13): p. 3486-3494.

111. Roitberg A.E., S.E. Worthington, M.J. Holden, M.P. Mayhew, M. Krauss, The Electronic Spectrum of the Prephenate Dianion. An Experimental and Theoretical (MD/QM) Comparison. //J. Am. Chem. Soc., 2000.122(30): p. 7312-7316.

112. Worthington S.E., M. Krauss, Effective fragment potentials and the enzyme active site. //Comput. Chem., 2000. 24(3-1): p. 275-285.

113. Worthington S.E., A.E. Roitberg, M. Krauss, An MD/QM Study of the Chorismate Mutase-Catalyzed Claisen Rearrangement Reaction. // J. Phys. Chem. B, 2001. 105(29): p. 7087-7095.

114. Ponder J.W. TINKER. Available from: http://dasher.wustl.edu/ffe/.

115. Hu L., P. Soderhjelm, U. Ryde, On the Convergence of QM/MM Energies. // J. Chem. Theory Comput., 2011. 7(3): p. 761-777.

116. Reuter N., A. Dejaegere, B. Maigret, M. Karplus, Frontier Bonds in QMJMM Methods: A Comparison of Different Approaches. // J. Phys. Chem. A, 2000. 104(8): p. 1720-1735.

117. Schmidt H.H.H.W., F. Hofmann, J.P. Stasch, cGMP: generators, effectors and therapeutic implications. 2009: Springer Verlag.

118. Ribeiro A.n.J.M., M.J. Ramos, P.A. Fernandes, Benchmarking of DFT Functionals for the Hydrolysis of Phosphodiester Bonds. // J. Chem. Theory Comput., 2010. 6(8): p. 2281-2292.

119. Chen X., C.-G. Zhan, Fundamental Reaction Pathways and Free-Energy Barriers for Ester Hydrolysis of Intracellular Second-Messenger 3 ',5 '-Cyclic Nucleotide. // J. Phys. Chem. A, 2004.108(17): p. 3789-3797.

120. Grigorenko B.L., A.V. Rogov, A.V. Nemukhin, Mechanism of Triphosphate Hydrolysis in Aqueous Solution: □ QM/MM Simulations in Water Clusters. // J. Phys. Chem. B, 2006.110(9): p. 4407-4412.

121. Jorgensen W.L., J. Chandrasekhar, J.D. Madura, R.W. Impey, M.L. Klein, Comparison of simple potential functions for simulating liquid water. // J. Chem. Phys., 1983. 79(2): p. 926-935.

122. Zhu X., P.E.M. Lopes, A.D. MacKerell Jr, Recent developments and applications of the CHARMM force fields. // Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science.

123. Phillips J.C., R. Braun, W. Wang, J. Gumbart, E. Tajkhorshid, E. Villa, C. Chipot, R.D. Skeel, L. Kale, K. Schulten, Scalable molecular dynamics with NAMD. // J. Comput. Chem., 2005. 26(16): p. 1781-1802.

124. Yang Y., Q. Cui, Does Water Relay Play an Important Role in Phosphoryl Transfer Reactions? Insights from Theoretical Study of a Model Reaction in Water andtert-Butanol. //J. Phys. Chem. B, 2009.113(14): p. 4930-4939.

125. Kamerlin S.C.L., M. Haranczyk, A. Warshel, Are Mixed Explicit/Implicit Solvation Models Reliable for Studying Phosphate Hydrolysis? A Comparative Study of Continuum, Explicit and Mixed Solvation Models. // ChemPhysChem, 2009.10(7): p. 1125-1134.

126. Fuxreiter M., A. Warshel, Origin of the catalytic power of acetylcholinesterase: computer simulation studies. //J. Am. Chem. Soc., 1998.120(1): p. 183-194.

127. Quinn D.M., Acetylcholinesterase: enzyme structure, reaction dynamics, and virtual transition states. //Chem. Rev., 1987. 87(5): p. 955-979.

128. Rosenberry T.L., Strategies to resolve the catalytic mechanism of acetylcholinesterase. //Journal of molecular neuroscience, 2010. 40(1): p. 32-39.

129. Taylor P., Z. Radic, The cholinesterases: from genes to proteins. //Annu. Rev. Pharmacool. Toxicol., 1994. 34(1): p. 281-320.

130. Manojkumar T., C. Cui, K.S. Kim, Theoretical insights into the mechanism of acetylcholinesterase catalyzed acylation of acetylcholine. // J. Comput. Chem., 2005.26(6): p. 606-611.

131. Sant'Anna C.M.R., A. dos Santos Viana, N.M. do Nascimento Junior, A semiempirical study of acetylcholine hydrolysis catalyzed by Drosophila melanogaster acetylcholinesterase. //Bioorg. Chem., 2006. 34(2): p. 77-89.

132. Tachikawa H., M. Igarashi, J. Nishihira, T. Ishibashi, Ab initio model study on acetylcholinesterase catalysis: potential energy surfaces of the proton transfer reactions. //J. Photochem. Photobiol. B, 2005. 79(1): p. 11-23.

133. Vagedes P., B. Rabenstein, J. Aqvist, J. Marelius, E.W. Knapp, The deacylation step of acetylcholinesterase: Computer simulation studies. // J. Am. Chem. Soc., 2000.122(49): p. 12254-12262.

134. Wang Q., H. Jiang, J. Chen, K. Chen, R. Ji, On the possible reaction pathway for the acylation of AChE catalyzed hydrolysis of ACh: Semiempirical quantum chemical study. //Int. J. Quantum Chem., 1998. 70(3): p. 515-525.

135. Wang Q.M., H.L. Jiang, K.X. Chen, R.Y. Ji, Y.J. Ye, Theoretical studies on the possible reaction pathway for the deacylation of the AChE catalyzed reaction. // Int. J. Quantum Chem., 1999. 74(3): p. 315-325.

136. Wlodek S.T., J. Antosiewicz, J.M. Briggs, On the mechanism of acetylcholinesterase action: The electrostatically induced acceleration of the catalytic acylation step. //J. Am. Chem. Soc., 1997.119(35): p. 8159-8165.

137. Nemukhin A.V., S.V. Lushchekina, A.V. Bochenkova, A.A. Golubeva, S.D. Varfolomeev, Characterization of a complete cycle of acetylcholinesterase catalysis by ab initio QM/MM modeling. // J. Mol. Model., 2008. 14(5): p. 409416.

138. Zhang Y., J. Kua, J.A. McCammon, Role of the catalytic triad and oxyanion hole in acetylcholinesterase catalysis: an ab initio QM/MM study. // J. Am. Chem. Soc., 2002.124(35): p. 10572-10577.

139. Zhang Y., J. Kua, J.A. McCammon, Influence of structural fluctuation on enzyme reaction energy barriers in combined quantum mechanical/molecular mechanical studies. //J. Phys. Chem. B, 2003.107(18): p. 4459-4463.

140. Zhou Y., S. Wang, Y. Zhang, Catalytic Reaction Mechanism of Acetylcholinesterase Determined by Born- Oppenheimer Ab Initio QM/MM Molecular Dynamics Simulations. //J. Phys. Chem. B, 2010. 114(26): p. 88178825.

141. Lushchekina S., I. Kaliman, B. Grigorenko, A. Nemukhin, S. Varfolomeev, Quantum mechanical/molecular mechanical analysis of mechanisms of enzyme action. Human acetylcholinesterase. //Russ. Chem. Bull., 2011. 60(11): p. 21962204.

142. Kwasnieski O., L. Verdier, M. Malacria, E. Derat, Fixation of the two Tabun isomers in acetylcholinesterase: a QM/MM study. // J. Phys. Chem. B, 2009. 113(29): p. 10001-10007.

143. Tormos J.R., K.L. Wiley, Y. Wang, D. Fournier, P. Masson, F. Nachon, D.M. Quinn, Accumulation of Tetrahedral Intermediates in Cholinesterase Catalysis: A

144. Secondary Isotope Effect Study. //J. Am. Chem. Soc., 2010. 132(50), p. 1775117759

145. Bourne Y., P. Taylor, P. Marchot, Acetylcholinesterase inhibition by fasciculin: crystal structure of the complex. //Cell, 1995. 83(3): p. 503-512.

146. Tsien R.Y., The green fluorescent protein. //Annu. Rev. Biochem., 1998. 67(1): p. 509-544.

147. Matz M.V., A.F. Fradkov, Y.A. Labas, A.P. Savitsky, A.G. Zaraisky, M.L. Markelov, S.A. Lukyanov, Fluorescent proteins from nonbioluminescent Anthozoa species. //Nat. Biotechnol., 1999.17(10): p. 969-973.

148. Rao B.D.N., M. Kemple, F. Prendergast, Proton nuclear magnetic resonance and fluorescence spectroscopic studies of segmental mobility in aequorin and a green fluorescent protein from Aequorea forskalea. //Biophys. J., 1980. 32(1): p. 630632.

149. Ward W.W., S.H. Bokman, Reversible denaturation of Aequorea green-fluorescent protein: physical separation and characterization of the renatured protein. //Biochemistry, 1982. 21(19): p. 4535-4540.

150. Labas Y.A., N. Gurskaya, Y.G. Yanushevich, A. Fradkov, K. Lukyanov, S. Lukyanov, M. Matz, Diversity and evolution of the green fluorescent protein family. //PNAS, 2002. 99(7): p. 4256.

151. Zimmer M., Green fluorescent protein (GFP): applications, structure, and related photophysical behavior. //Chem Rev, 2002.102(3): p. 759-781.

152. Bogdanov A.M., A.S. Mishin, I.V. Yampolsky, V.V. Belousov, D.M. Chudakov, F.V. Subach, V.V. Verkhusha, S. Lukyanov, K.A. Lukyanov, Green fluorescent proteins are light-induced electron donors. // Nat. Chem. Biol., 2009. 5: p. 459461.

153. Dikici E., S. Daunert, Engineering bioluminescent proteins: expanding their analytical potential. //Anal. Chem., 2009. 81(21): p. 8662-8668.

154. Lippincott-Schwartz J., G.H. Patterson, Photoactivatable fluorescent proteins for diffraction-limited and super-resolution imaging. // Trends Cell Biol., 2009. 19: p.555-565.

155. Lukyanov K.A., D.M. Chudakov, S. Lukyanov, V.V. Verkhusha, Photoactivatable fluorescent proteins. //Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 2005. 6: p. 885.

156. Patterson G.H., Highlights of the optical highlighter fluorescent proteins. // J. Microsc., 2011.243: p. 1-7.

157. Subach F.V., V.N. Malashkevich, W.D. Zencheck, H. Xiao, G.S. Filonov, S.C. Almo, V.V. Verkhusha, Photoactivation mechanism of PAmCherry based on crystal structures of the protein in the dark and fluorescent states. // PNAS, 2009. 106: p. 21097-21102.

158. Subach F.V., G.H. Patterson, M. Renz, J. Lippincott-Schwartz, V.V. Verkhusha, Bright monomeric photoactivatable red fluorescent protein for two-color superresolution sptPALM of live cells. //J. Am. Chem. Soc., 2010.132: p. 6481-6491.

159. Langhojer F., F. Dimler, G. Jung, T. Brixner, Ultrafast photoconversion of the green fluorescent protein studied by accumulative femtosecond spectroscopy. // Biophys. J., 2009. 96: p. 2763-2770.

160. Patterson G.H., J. Lippincott-Schwartz, A photoactivatable GFP for selective photolabeling ofproteins and cells. //Science, 2002. 297: p. 1873-1877.

161. Henderson J.N., R. Gepshtein, J.R. Heenan, K. Kallio, D. Huppert, S.J. Remington, Structure and mechanism of the photoactivatable green fluorescent protein. //J. Am. Chem. Soc., 2009.131: p. 4176-4177.

162. Bravaya K.B., A.V. Bochenkova, A.A. Granovsky, A.V. Nemukhin, Modeling photoabsorption of the asFP595 chromophore. //Russ. J. Phys. Chem. B, 2008. 2: p. 671-679.

163. Bravaya K.B., B.L. Grigorenko, A.V. Nemukhin, A.I. Krylov, Quantum Chemistry Behind Bioimaging: Insights from Ab Initio Studies of Fluorescent Proteins and Their Chromophores. //Acc. Chem. Res., 2012. 45: p. 265-275.

164. Das A.K., J.Y. Hasegawa, T. Miyahara, M. Ehara, H. Nakatsuji, Electronic excitations of the green fluorescent protein chromophore in its protonation states: SAC/SAC-CIstudy. //J. Comput. Chem., 2003. 24: p. 1421-1431.

165. Filippi C., F. Buda, L. Guidoni, A. Sinicropi, Bathochromic shift in Green Fluorescent Protein: A puzzle for QM/MM approaches. // J. Chem. Theory Comput., 2012. 8: p. 112-124.

166. Filippi C., M. Zaccheddu, F. Buda, Absorption Spectrum of the Green Fluorescent Protein Chromophore: A Difficult Case for ab Initio Methods? // J. Chem. Theory Comput., 2009. 5: p. 2074-2087.

167. Hasegawa J.Y., K. Fujimoto, B. Swerts, T. Miyahara, H. Nakatsuji, Excited states of GFP chromophore and active site studied by the SAC-CI method: Effect of protein environment and mutations. // J. Comput. Chem., 2007. 28: p. 2443-2452.

168. Laino T., R. Nifosi, V. Tozzini, Relationship between structure and optical properties in green fluorescent proteins: a quantum mechanical study of the chromophore environment. // Chem. Phys., 2004. 298: p. 17-28.

169. Topol I., J. Collins, I. Polyakov, B. Grigorenko, A. Nemukhin, On photoabsorption of the neutral form of the green fluorescent protein chromophore. //Biophys. Chem., 2009.145: p. 1-6.

170. Bravaya K.B., M.G. Khrenova, B.L. Grigorenko, A.V. Nemukhin, A.I. Krylov, Effect of Protein Environment on Electronically Excited and Ionized States of the Green Fluorescent Protein Chromophore. //J. Phys. Chem. B, 2011.115: p. 82968303.

171. Sinicropi A., T. Andruniow, N. Ferré, R. Basosi, M. Olivucci, Properties of the emitting state of the green fluorescent protein resolved at the CASPT2//CASSCF/CHARMM level. //J. Am. Chem. Soc., 2005. 127: p. 1153411543-11535.

172. Creemers T.M.H., AJ. Lock, V. Subramaniam, T.M. Jovin, S. Volker, Three photoconvertible forms of green fluorescent protein identified by spectral hole-burning. //Nat. Struct. Biol., 1999. 6: p. 557-560.

173. Ormô M., A.B. Cubitt, K. Kallio, L.A. Gross, R.Y. Tsien, SJ. Remington, Crystal structure of the Aequorea victoria green fluorescent protein. // Science, 1996. 273: p. 1392-1395.

174. Yang F., L.G. Moss, G.N. Phillips, The molecular structure of green fluorescent protein. //Nat. Biotechnol., 1996.14: p. 1246-1251. ,

175. Ivanic J., Direct configuration interaction and multiconfigurational self-cons is tent-field method for multiple active spaces with variable occupations. I. Method. //J. Chem. Phys., 2003.119: p. 9364-9377.

176. Granovsky A.A., Extended multi-configuration quasi-degenerate perturbation theory: The new approach to multi-state multi-reference perturbation theory. // J. Chem. Phys., 2011.134: p. 214113-214127.

177. Granovsky A.A. Firefly. Available from: http://classic.chem.msu.su/gran/firefly/index.html.

178. Grimme S., Improved second-order Moller-Plesset perturbation theory by separate scaling of parallel-and antiparallel-spin pair correlation energies. // J. Chem. Phys., 2003.118: p. 9095-9103.

179. Rhee Y.M., M. Head-Gordon, Scaled second-order perturbation corrections to configuration interaction singles: Efficient and reliable excitation energy methods. //J. Phys. Chem. A, 2007. Ill: p. 5314-5326.

180. Krylov A.I., Equation-of-motion coupled-cluster methods for open-shell and electronically excited species: The Hitchhiker's guide to Fock space. // Annu. Rev. Phys. Chem., 2008. 59: p. 433-462.

181. Nifosi R., Y. Luo, Predictions of novel two-photon absorption bands in fluorescent proteins. //J. Phys. Chem. B., 2007. Ill: p. 14043-14050.