A comparison of molecular orbital and crystal field calculations of ferric heme compounds

Abstract

In this paper molecular orbital and crystal field calculations of some properties of five coordinated ferric heme proteins are compared. In particular, choosing hemin as an example, we have compared the following quantities: single orbital energies, electron repulsion energies, term energies, electron population of the Fe d orbitals, net atomic charges and the electric field gradient at the Fe nucleus calculated from the two models. Smaller term energy intervals between low lying sextet, doublet and quartet states, and an electric field gradient of opposite sign and three times the magnitude appear to be predicted from the MO calculation. These and other results are discussed in some detail.

Zusammenfassung

In dieser Arbeit werden MO- und Kristallfeldrechnungen einiger Eigenschaften von fünffach koordinierten Fe-Häm-Proteinen verglichen. Insbesondere haben wir am Beispiel des Hämins folgende Größen verglichen: Energien von einem einzigen Orbital, Elektronenabstoßungsenergien, Energieterme, Elektronenbesetzung der Eisen-d-Orbitale, atomare Nettoladungen und den elektrischen Feldgradient am Eisenkern, der auf Grund zweier Modelle berechnet wurde. Kleinere Energietermintervalle zwischen den niedrig liegenden Sextett-, Dublett- und Quartettzuständen sowie ein elektrischer Feldgradient mit entgegengesetzten Vorzeichen und dreifachem Betrag scheinen durch die MO-Rechnung vorausgesagt zu werden. Diese und andere Resultate werden eingehender diskutiert.

Résumé

Comparaison de calculs d'orbitales moléculaires et de champ cristallin pour quelques propriétés de protéines à hème ferrique pentacoordiné. En particulier, l'hémine étant prise comme exemple, nous avons comparé les quantités suivantes: énergies orbitales, énergies de répulsion électronique, termes énergétiques, population électronique des orbitales d de Fe, charges atomiques nettes et gradient du champ électrique au noyau Fe, calculés selon les deux modèles. Les calculs en orbitales moléculaires prédisent des termes d'intervalle d'énergie plus faibles entre les plus bas états sextet, doublet et quartet, ainsi qu'un gradient du champ électrique trois fois trop grand et de signe opposé. Ces résultats et certains autres sont discutés en détail.