Methodenunabhängige freie Energien von Ladungsänderungen

Die Methode der Moleküldynamiksimulation hat sich in den letzten Jahrzehnten als wichtiges Instrument zur Untersuchung von molekularer Struktur, Thermodynamik und Dynamik etabliert, denn es können experimentell oft unzugängliche Zeit- und Längenskalen aufgelöst werden. Aufgrund von Einschränkungen hinsichtlich der heute verfügbaren Rechenleistung können aber nur mikroskopisch kleine Systeme simuliert werden, und es muss auf näherungsweise Methoden zur Berechnung von nicht-kovalenten Wechselwirkungen zurückgegriffen werden. Insbesondere die zur Berechnung von elektrostatischen Wechselwirkungen getroffenen Approximationen bedingen eine unerwünschte Abhängigkeit des Simulationsergebnisses von der gewählten Methodik. Dieses Problem betrifft unter anderem die Berechnung von freien Solvatationsenergien. Im Fall von einatomigen Ionen werden routinemässig Verfahren angewendet, um die Rohergebnisse der Simulation (freie Energien des Ladens des Teilchens) nachträglich zu korrigieren, so dass man schliesslich von der gewählten Methodik unabhängige Ergebnisse erlangt. Hingegen ist das entsprechende Korrekturschema bisher noch nie für die Solvatation von mehratomigen Ionen formuliert und auf eine konsistente Weise angewendet worden. Daher sind die Ergebnisse für die Berechnung von freien Energien des Ladens mehratomiger Ionen eigentlich nicht zuverlässig. Daraus ergeben sich zwei wichtige Folgen: (i) die Parameter von geladenen Aminosäure-Seitengruppen in derzeitigen (bio- )molekularen Kraftfeldern wurden nicht durch ein rigoros thermodynamisch-basiertes Verfahren bestimmt; (ii) es ist derzeit nicht möglich, atomistische Computersimulations-Studien von Protein-Ligand Bindungsreaktionen, die den Vergleich von Liganden unterschiedlicher Nettoladung beinhalten, auf eine fehlerfreie Weise durchzuführen. Dieses Projekt will sich mit diesen Problemen befassen und ein Korrekturschema für die Solvatation mehratomiger Ionen in Wasser und für Ladevorgänge in einer komplexeren Umgebung (Protein-Ligand Bindung) bereitstellen und validieren.