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Density Functional Theory and Information-Theoretic Approach Study on the Origin of Homochirality in Helical Structures

同手性 合作性 高分子 密度泛函理论 理论物理学 统计物理学 化学 计算化学 化学物理 物理 对映体 立体化学 生物化学
作者
Meng Li,Xin He,Jie Chen,Bin Wang,Shubin Liu,Chunying Rong
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry A [American Chemical Society]
卷期号:125 (5): 1269-1278 被引量:20
标识
DOI:10.1021/acs.jpca.0c10310
摘要

Homochirality of macromolecules such as proteins and DNA is one of the most striking features in nature; yet, there is still no convincing theory to explain its origin. In a recent work by one of the present authors (J. Phys. Chem. Lett. 2020, 11, 8690–8696), a general proposal from the viewpoint of thermodynamics has been put forward. It proposes that it is the handedness of helices ubiquitous in biological macromolecules that plays the decisive role. It also unveiled that there exist strong cooperativity effects dominated by favorable electrostatic interactions in the homochiral conformer. In this work, making use of analytical tools, we recently developed a density functional theory and an information-theoretic approach and through four sets of helical structures we designed for the present study, we examine these systems to provide new insights about these properties. We found that the 310-helix and the α-helix are markedly different in cooperativity from the viewpoint of both the total energy and its three components. The electrostatic dominance of homochiral species is manifested by both the electron charge distribution and information gain. At the atomic level, different elements behave significantly differently because they play different roles in the systems. Our results from this work validate that these analytical tools can be applied to homochiral systems, which can be further extended to others with potential interest in asymmetric synthesis and macromolecular assembly where the Principle of Homochirality Hierarchy comes into play.
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