Energía libre de hidratación obtenidas por simulaciones de dinámica molecular utilizando cargas atómicas derivadas de la densidad electrónica

Abstract

Las simulaciones computacionales de los sistemas biomoleculares a menudo usan campos de fuerza, los cuales son combinaciones de funciones empíricas simples basadas en atomos para describir las interacciones atómicas. Aunque los campos de fuerza polarizables proporcionan una descripció más detallada de las interacciones intermoleculares, los campos de fuerza no polarizables desarrollados hace varias décadas a menudo siguen siendo preferibles debido a su bajo costo de cálculo. Las interacciones electrostáticas desempeñan un papel importante en los sistemas químicos y biomoleculares las cuales son descritas por cargas atómicas puntuales. En este trabajo se estudó el rendimiento de diferentes cargas atómicas para reproducir las energías libres de hidratación experimentales en la base de datos FreeSolv, que consiste de 613 moléculas orgánicas en combinación con el campo de fuerza GAFF. Las cargas atómicas se calcularon mediante diferentes aproximaciones de atomos en moléculas, Hirshfeld-I y Minimal Basis Iterative Stockholder (MBIS). Para tener en cuenta los efectos de la polarización, las cargas se derivaron de la densidad electrónica del soluto polarizada por un modelo de solvente implícito SMD y la energía requerida para polarizar el soluto se agregó al ciclo de energía libre. Además, para un pequeño grupo de moléculas se estudiaron las cargas dinámicas de MBIS (D-MBIS), la entalpía y entropíoa de hidratación. Para los diferentes m éodos de carga atómica estudiados se encontó que la mejor concordancia con los datos experimentales se observa para el método de carga atómica S-MBIS. Este incluye la polarización de la densidad electrónica por el solvente y presenta un error cuadrático medio de 2.0 kcal mol -1 para las 613 moléculas orgánicas estudiadas. La mayor desviación se observó para las moléculas que contienen fósforo y las moléculas con grupos funcionales amida, éster y amina. Las cargas dinámicas dan cuenta de efectos que no describen ninguno de los demás modelos de cargas estudiados, como por ejemplo cambios conformacionales y formación de puente de hidrógeno. Estas cargas presentan problemas para compuestos alifáticos o cuando hay un gran número de grupos hidroxilos, lo cual se debe a que los parámetros de Lennard Jones del campo de fuerza fueron optimizados usando otro modelo de carga en los compuestos alifáticos y en el caso de las moléculas con gran número de hidroxilo el mayor error está asociado a la corrección de polarización que se hace más positiva proporcional al número de hidroxilos presentes en la molécula. La entalpía de hidrataci on es muy dependiente del modelo de agua que se utilice, pero no depende mucho del modelo de carga utilizado ya que se estudiaron principalmente hidrocarburos, los cuales son mayormente sensibles a los parámetros no enlazantes del campo de fuerza. Pese a esto, se pudo reproducir los valores experimentales de las entalp as de hidrataci on con un error menor a 1 kcal mol -1 para la mayor a de las mol eculas y con un error mayor, entre 2-3 kcal mol 􀀀1, para los ciclos alcanos, lo cual se asocia a un posible error en los parámetros de Lennard Jones para este tipo de moléculas.