Determination of Amino Acids’ pKa: Importance of Cavity Scaling within Implicit Solvation Models and Choice of DFT Functionals

溶剂化 质子化 隐溶剂化 化学 缩放比例 计算化学 热力学 吉布斯自由能 分子 统计物理学 物理化学 物理 数学 有机化学 几何学 离子
作者
Filip Šebesta,Žofie Sovová,Jaroslav V. Burda
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:128 (7): 1627-1637
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.3c07007
摘要

Protonation states of molecules significantly influence the thermodynamics and kinetics of chemical reactions. This is especially important in biochemical processes, where appropriate protonation states of amino acids control the exo/endoergicity of practically all biochemical cycles. This paper is focused on appraisal of the impact of DFT functionals and PCM solvation models on the accuracy of pKa evaluations for all proteinogenic amino acids. Eight functionals (B3LYP, PBE0, revPBE0, M06-2X, M11, M11-L, TPSSh, and ωB97X-D) and four basis sets are considered, together with four kinds of implicit solvation models when additional attention is paid to a cavity construction. An influence of nonelectrostatic contributions and Wertz's corrections on Gibbs free energy is investigated together with accuracy of provided proton solvation energy. The best model is based on the M06-2X/6-311++G**/D-PCM/UAKS computational level. The fitting procedure is utilized to improve the accuracy of the evaluated models. All of these results are also compared with values obtained from the COSMOtherm program and CCSD(T) calculations. Results for cysteine and histidine are discussed individually, as they can be found in different protonation states at neutral pH.
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