Biomolecules in a structured solvent : a novel formulation of nonlocal electrostatics and its numerical solution

摘要: The accurate modeling of the dielectric properties water is crucial for many applications in physics, computational chemistry, and molecular biology. In principle this becomes possible framework nonlocal electrostatics, but since complexity underlying equations seemed overwhelming, approach was considered unfeasible biomolecular purposes. work, we propose a novel formulation electrostatics which first time allows numerical solutions nontrivial geometries arising mentioned before. illustrated by its application to simple geometries, usefulness computation solvation free energies demonstrated case monoatomic ions. order extend applicability systems like large biomolecules, boundary element method solution developed implemented. resulting solver then used predict polyatomic molecules with high accuracy. Finally, electrostatic potential protein trypsin computed interpreted qualitatively. Die prazise Modellierung der dielektrischen Eigenschaften des Wassers ist fur viele Anwendungen Physik, Computational Chemistry und Molekularbiologie von entscheidender Bedeutung. Theoretisch eine solche im Rahmen sogenannten nichtlokalen Elektrostatik moglich, doch da die dabei auftretenden Gleichungssysteme bislang als beinahe unlosbar schwierig galten, schien dieser Zugang biomolekulare Problemstellungen ungeeignet. Arbeit prasentieren wir neuartige Formulierung Elektrostatik, zum ersten Mal Entwicklung numerischer Methoden erlaubt, auf nichttrivialen molekularen Geometrien, wie sie den oben genannten Forschungsgebieten auftreten, anwendbar sind. Wir demonstrieren unseren zunachst durch Anwendung einfache Modellgeometrien zeigen seine Nutzlichkeit Berechnung freier Solvatationsenergien einatomiger Ionen. Um Anwendbarkeit nichttriviale Systeme, z.B. grose Biomolekule zu erweitern, wird Randelementmethode zur numerischen Losung prasentierten Gleichungen entwickelt implementiert. Der resultierende Randelementl oser daraufhin genauen Vorhersage freien kleiner Molekule verwendet. Schlieslich das nichtlokale elektrostatische Potential Proteins Trypsin berechnet qualitativ interpretiert.