Journal of Computational Chemistry

The Poisson–Boltzmann equation (PBE) is an established model for the electrostatic analysis of biomolecules. The development of advanced computational techniques for the solution of the PBE has been an important topic in the past two decades. This article presents a matched interface and boundary (MIB)‐based PBE software package, the MIBPB solver, for electrostatic analysis. The MIBPB has a unique feature that it is the first interface technique‐based PBE solver that rigorously enforces the solution and flux continuity conditions at the dielectric interface between the biomolecule and the solvent. For protein molecular surfaces, which may possess troublesome geometrical singularities, the MIB scheme makes the MIBPB by far the only existing PBE solver that is able to deliver the second‐order convergence, that is, the accuracy increases four times when the mesh size is halved. The MIBPB method is also equipped with a Dirichlet‐to‐Neumann mapping technique that builds a Green's function approach to analytically resolve the singular charge distribution in biomolecules in order to obtain reliable solutions at meshes as coarse as 1 Å — whereas it usually takes other traditional PB solvers 0.25 Å to reach similar level of reliability. This work further accelerates the rate of convergence of linear equation systems resulting from the MIBPB by using the Krylov subspace (KS) techniques. Condition numbers of the MIBPB matrices are significantly reduced by using appropriate KS solver and preconditioner combinations. Both linear and nonlinear PBE solvers in the MIBPB package are tested by protein–solvent solvation energy calculations and analysis of salt effects on protein–protein binding energies, respectively. © 2010 Wiley Periodicals, Inc. J Comput Chem, 2011

A method for the estimation of pK_a from empirically calculated atomic charges has been developed and tested on a diverse set of organic oxyacids. The approach involves a comparison of the atomic charges calculated for both the acid and the negative ion that is formed after loss of the acidic proton. These charges have been used in conjunction with the familiar concepts of induction and resonance to develop an accurate formula to predict pK_a. Results for a set of 135 compounds, including alcohols, phenols, and carboxylic acids, yielded a fit of pK_a with r = 0.993 and an rms error of 0.455. © John Wiley & Sons, Inc.

Most of the methods that have been developed for computational protein design involve the selection of side‐chain conformations in the context of a single, fixed main‐chain structure. In contrast, multistate design (MSD) methods allow sequence selection to be driven by the energetic contributions of multiple structural or chemical states simultaneously. This methodology is expected to be useful when the design target is an ensemble of related states rather than a single structure, or when a protein sequence must assume several distinct conformations to function. MSD can also be used with explicit negative design to suggest sequences with altered structural, binding, or catalytic specificity. We report implementation details of an efficient multistate design optimization algorithm based on FASTER (MSD‐FASTER). We subjected the algorithm to a battery of computational tests and found it to be generally applicable to various multistate design problems; designs with a large number of states and many designed positions are completely feasible. A direct comparison of MSD‐FASTER and multistate design Monte Carlo indicated that MSD‐FASTER discovers low‐energy sequences much more consistently. MSD‐FASTER likely performs better because amino acid substitutions are chosen on an energetic basis rather than randomly, and because multiple substitutions are applied together. Through its greater efficiency, MSD‐FASTER should allow protein designers to test experimentally better‐scoring sequences, and thus accelerate progress in the development of improved scoring functions and models for computational protein design. © 2009 Wiley Periodicals, Inc. J Comput Chem, 2010

The geometry of the ground states of the isomers and transition state for the systems HCN ⇌ HNC and BCN ⇌ BNC have been investigated using a wide variety of basis sets, both at the self‐consistent‐field (SCF) level and including correlation at the second‐, and third‐order Møller–Plesset (MP2 and MP3) levels. The barrier to isomerization and the isomerization energy were shown to be strongly dependent on the basis set and method, particularly for the BCN system.

Atomic charges obtained with a previously published charge scheme are given for amino acids and peptides. In order to do this, a method of handling charged species with the basic scheme^2,3 has been developed. The charges obtained for alkylammonium ions and carboxylate ions with the scheme are presented and compared with CNDO and ab initio values. The calculated experimental dipole moments of the zwitterionic forms of glycine, alanine and β‐alanine are then discussed. Finally, the atomic charges obtained for the naturally occurring amino acids are given, both in the form of the N‐acetyl‐N′‐methyl amino acid amides, used as models for the amino acid residues in enzymes, and as the free zwitterionic amino acids. The charges obtained show a good correlation with n. m. r. chemical shifts of both carbon and hydrogen atoms.

A general method for calculating pi charges based on the Hückel molecular orbital (HMO) approach is incorporated into an existing scheme for calculating partial atomic charges in saturated systems. The parametrization of the Hückel coulomb and resonance integrals is given based on (a) the CNDO pi densities and (b) the observed molecular dipole moments. The results for these two schemes are compared both with other theoretical methods and also with the observed dipole moments of a variety of conjugated and aromatic compounds. The dipole moment (DM) parametrization gives in general more consistent results and is to be preferred. The compounds studied include substituted olefins and aromatics (with substituents R, F, Cl, Br, I, OR), aldehydes, ketones, acids, esters, amides, and the heterocyclic ring systems of furan, pyrrole, pyridine, and indole.

Các phương pháp thay thế để ước lượng điện tích nguyên tử trong haloalkanes được trình bày, xuất phát từ các phương pháp cơ học lượng tử và cổ điển. Một sơ đồ dựa trên việc phân tích truyền tải điện tích bởi các nguyên tử phân cực thành các đóng góp cộng thêm của một liên kết, hai liên kết và ba liên kết được đưa ra, trong đó hiệu ứng một liên kết tỷ lệ với sự khác biệt trong độ âm điện của các nguyên tử liên kết, và hai liên kết và ba liên kết là các hàm của độ âm điện và độ phân cực của nguyên tử. Các phát triển phù hợp của sơ đồ cơ bản, bao gồm một quy trình tự nhất quán lặp lại, cho ra các mômen lưỡng cực tính toán cho nhiều haloalkane với độ chính xác cao so với các giá trị quan sát được. Các điện tích nguyên tử thu được từ sơ đồ này được so sánh với các ước lượng khác về các điện tích này. Chúng tương tự như những điện tích được suy diễn từ sơ đồ LCAO–MO đơn giản nhưng khác với những điện tích thu được thông qua phân tích phân bố của các phép tính cơ học lượng tử tinh vi hơn.

Một phương pháp đã được công bố trước đây để ước lượng điện tích nguyên tử trong haloalkanes đã được mở rộng để bao gồm olefin, rượu, amin, axit, ether và amid. Trong các hệ thống liên hợp, các hiệu ứng chuyển giao điện tích do cộng hưởng đã được xem xét một cách rõ ràng. Sự phù hợp tốt nói chung với các mômen lưỡng cực quan sát được của các hợp chất này và các dẫn xuất đã thay thế của chúng được tìm thấy. Các điện tích nguyên tử thu được được so sánh với các phép tính bán thực nghiệm và cơ học lượng tử khác cho nhóm amid. Các điện tích này nằm trong khoảng giá trị thu được bởi các phương pháp khác, hỗ trợ cho tính hợp lệ tổng quát của phương pháp này.

Phân tích Trường Phân Tử So Sánh (CoMFA) được phát triển để nghiên cứu mô hình mối quan hệ hoạt động cấu trúc định lượng ba chiều (3D-QSAR) của các ligand đối với thụ thể sigma 1. Hình học khởi đầu của các ligand thụ thể sigma-1 được lấy từ quá trình tối ưu hóa lực Tripos và các hình thái được xác định từ DISCOtech sử dụng chương trình SYBYL 6.8. Cấu trúc của 48 phân tử đã được tối ưu hóa hoàn toàn tại mức ab initio HF/3-21G* và các tính toán bán thực nghiệm AM1 sử dụng GAUSSIAN 98. Các điện tích tĩnh điện được tính toán bằng nhiều phương pháp như AM1 bán thực nghiệm, chức năng mật độ B3LYP/3-21G* và ab initio HF/3-21G*, tính toán MP2/3-21G* trong GAUSSIAN 98. Sử dụng các hình học tối ưu hóa, kết quả CoMFA đến từ phương pháp HF/3-21G cho kết quả tốt hơn so với AM1. CoMFA tốt nhất được thu được từ hình học tối ưu hóa HF/3-21G* và các điện tích (R² = 0.977). Sử dụng các hình học tối ưu hóa, kết quả CoMFA từ phương pháp HF/3-21G cho kết quả tốt hơn so với các giá trị từ tính toán AM1. Bộ huấn luyện gồm 43 phân tử cho kết quả R² cao hơn (0.989–0.977) từ các hình học tối ưu hóa HF/3-21G* so với các giá trị R² (0.966–0.911) từ các hình học tối ưu hóa AM1. Bộ kiểm tra gồm năm phân tử cũng cho thấy rằng các hình học tối ưu hóa HF/3-21G* tạo ra các mô hình CoMFA tốt để dự đoán khả năng sinh học của các ligand thụ thể sigma 1, trong khi các hình học tối ưu hóa AM1 không thể dự đoán khả năng sinh học hợp lý của các ligand thụ thể sigma 1 bằng cách sử dụng các tính toán khác nhau cho điện tích nguyên tử. © 2004 Wiley Periodicals, Inc. J Comput Chem 25: 1385–1399, 2004

Bài viết này mô tả bộ phần mềm GROMACS (Groningen MAchine for Chemical Simulation) được phát triển tại Đại học Groningen, Hà Lan, vào đầu những năm 1990. Phần mềm, được viết bằng ngôn ngữ ANSI C, bắt nguồn từ một dự án phần cứng song song, và rất phù hợp cho việc phân tán trên các cụm xử lý. Nhờ tối ưu hóa cẩn thận việc tìm kiếm hàng xóm và hiệu suất vòng lặp bên trong, GROMACS là một chương trình rất nhanh cho mô phỏng động lực học phân tử. Nó không có một trường lực riêng, nhưng tương thích với các trường lực GROMOS, OPLS, AMBER và ENCAD. Ngoài ra, GROMACS có thể xử lý các mô hình vỏ polarisable và các ràng buộc linh hoạt. Chương trình rất linh hoạt, vì người dùng có thể thêm các quy trình lực, chỉ định các hàm bảng và tùy chỉnh phân tích một cách dễ dàng. Động lực học không cân bằng và các phép xác định năng lượng tự do được tích hợp. Nó cung cấp giao diện với các gói hóa học lượng tử phổ biến (MOPAC, GAMES‐UK, GAUSSIAN) để thực hiện các mô phỏng MM/QM hỗn hợp. Gói phần mềm bao gồm khoảng 100 chương trình tiện ích và phân tích. GROMACS thuộc miền công cộng và được phân phối (cùng với mã nguồn và tài liệu) theo Giấy phép Công cộng Tự do GNU. Nó được bảo trì bởi một nhóm các nhà phát triển từ Đại học Groningen, Uppsala, Stockholm và Viện Max Planck về Nghiên cứu Polime ở Mainz. Trang web của nó là http://www.gromacs.org. © 2005 Wiley Periodicals, Inc. J Comput Chem 26: 1701–1718, 2005