Theoretical Determination of NMR Parameters of Metabolites and Proteins

Détermination Théorique des Paramètres RMN de Métabolites et Protéines

Zeinab Atieh (1)

1 LASIM - Laboratoire de Spectrométrie Ionique et Moléculaire

The present work presents a theoretical study of the NMR spectra of biological molecules. In the first part, DFT calculations of the spin-Hamiltonian NMR parameters (chemical shifts and spin-spin coupling constants) for protons attached to carbon atoms have been performed for four prostate metabolites: putrescine, spermidine, spermine, and sarcosine, and three brain metabolites: acetate, alanine, and serine. A theoretical investigation, within the DFT approach, of the NMR parameters of metabolites has shown that the B3LYP/6-311++G** level of calculation is a good compromise between accuracy and costs. Contributions from solvent were evaluated using the PCM model, Boltzmann weighted isomer effects were calculated, and zero-point vibrational corrections were estimated using a second order perturbation approach. Comparison with experiment has demonstrated that all these effects are necessary to improve the agreement between calculated and experimental data. In the second part, we have presented a new model, BioShift, that allows the prediction of chemical shifts of different nuclei (H, N, C...) for biological molecules (proteins, DNA, RNA, polyamine ...). It is simple, fast, and involves a limited number of parameters. Comparison with well-known sophisticated models designed especially for the prediction of chemical shifts of proteins showed that Bioshift is competitive with such models.

Ce travail présente une étude théorique des spectres RMN de molécules biologiques. Dans la première partie, les calculs DFT des paramètres RMN (déplacements chimiques et constantes de couplage spin-spin) pour les protons liés à des atomes de carbone ont été réalisés pour quatre métabolites de la prostate: la putrescine, la spermidine, la spermine, et la sarcosine, et trois métabolites du cerveau: l'acétate, l'alanine et la sérine. Une étude théorique systématique, dans l'approche DFT, des paramètres de RMN des métabolites a montré que la méthode B3LYP/6- 311++G** est un bon compromis entre la précision et les coûts. Les contributions du solvant ont été évaluées en utilisant le modèle PCM, les effets des isomères, pondérés dans l'approximation de Boltzmann, ont été pris en compte, et les corrections de vibration de point zéro ont été estimées en utilisant une approche perturbative au second ordre. La comparaison avec l'expérience a démontré que tous ces effets sont nécessaires pour améliorer l'accord entre les données calculées et expérimentales, aboutissant à des résultats de grande précision. Dans la deuxième partie, nous avons développé un nouveau modèle, BioShift, qui permet la prédiction des déplacements chimiques des différents noyaux (H, N, C ...) pour des molécules biologiques (protéines, ADN, ARN, polyamine ...). Il est simple, rapide, et comporte un nombre limité de paramètres. La comparaison avec des modèles sophistiqués conçus spécialement pour la prédiction des déplacements chimiques des protéines a montré que Bioshift est concurrentiel avec de tels modèles.

Mots clés: DFT calculations; NMR; chemical shifts; spin-spin couplings; conformers; molecular vibration; prediction of chemical shifts of proteins

Mots clés: calculs DFT; B3LYP/6-311++G; RMN; déplacement chimique; couplage spin-spin; métabolites; conformères; vibration moléculaire; prédiction des déplacements chimique de protéines

Domaines: Chimie-Physique [physics.chem-ph]

Zeinab Atieh. Theoretical Determination of NMR Parameters of Metabolites and Proteins. Chemical Physics [physics.chem-ph]. Université Claude Bernard - Lyon I, 2011. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00670018v1⟩