تأثير النظائر في عملية نقل البروتون المزدوج من البورفيسين التحقيق من قبل طريقة QM/MM المحسنة

عملية نقل البروتون في porphycenes يحمل التطبيقات المحتملة في تطوير مفاتيحالجزيئية، الترانزستورات وأجهزة تخزين المعلومات 1،². وعلى وجه الخصوص، اجتذب التاوتومير في البورفيسينات من خلال عملية نقلالبروتون المزدوج اهتماما ً واسعاً في مجالات التحليل الطيفي والفيزياء الضوئية 2. يمكن لذرات الهيدروجين الداخلية من البورفيسين أن تهاجر من أيزومر عبر واحد إلى أيزومر عبر مكافئ آخر من خلال عملية نقل البروتون المزدوج كما هو موضح في الشكل 1. وقد تم اقتراح آليتين لعملية نقل البروتون المزدوج: آليةمنسقة وتدريجية 3،⁴. في عملية نقل البروتون المزدوجة المنسقة، تنتقل ذرات البروتون إلى الحالة الانتقالية بشكل متزامن بطريقة متناظرة، في حين يكمل بروتون واحد النقل قبل البروتون الآخر في عملية تدريجية. اثنين من ذرات الهيدروجين يمكن أن تنتقل في وقت واحد أو خطوة اعتمادا على قوة الارتباط بين اثنين من ذرات الهيدروجين⁵.

وقد استخدم استبدال النظائر للكشف عن الخصائص الهيكلية للجزيئات ومعدل الثوابت من حركية التفاعل⁶. استبدال الديوتيريوم واحد في الهيدروجين الداخلي من البورفيسين يؤدي إلى شكل غير متماثل من الجزيء. قد تتوسع رابطة الهيدروجين أو تتقلص بسبب الفرق الكتلي بين ذرات الهيدروجين والديوتيريوم. الاستبدال النظائري يدخل اضطراب في سقالة البورفيسين. والسؤال الذي يطرح نفسه هو ما إذا كان الهيكل غير المتناظر سيؤثر على عملية نقل البروتون. وذكر ليمباخ وزملاء العمل أن استبدال الهيدروجين مع الديوتيريوم سوف ضغط كل من سندات الهيدروجين، واقترانالتعاونية من اثنين من سندات الهيدروجين في porphycene قد تفضل آلية منسقة 7، في حين ذكر يوشيكاوا ومن شأن الخلع أن يجعل آلية الخطوة تسهم أكثر من آلية منسقة⁸. وقد تم تطوير تقنيات تجريبية، مثل التحليل الطيفي للقوة، لالتقاط تفاصيل التيزوميرة في بورفيسين واحد⁹. ومع ذلك، لا يزال من الصعب تحديد التفاصيل الذرية لنقل البروتون تجريبيا بسبب طبيعته العابرة.

يمكن أن تكون الحسابات النظرية والمحاكاة بمثابة أدوات تكميلية في توضيح آليات التفاعل لنقل البروتون. ومن بين الأساليب النظرية المختلفة، يمكن لمحاكاة الديناميات الجزيئية (MD) رصد الحركات الدينامية لكل ذرة، وقد استخدمت على نطاق واسع للكشف عن الآليات المعقدة في التفاعلات الكيميائية والأنزيمية. ومع ذلك، تميل عمليات المحاكاة المنتظمة MD إلى المعاناة من عدم كفاية مسألة أخذ العينات، لا سيما عندما يكون هناك حاجز طاقة عال في عملية الاهتمام. لذلك، تم تطوير أساليب أخذ العينات المعززة، والتي تشمل أخذ العينات مسار الانتقال^10،11،مظلة أخذ العينات (الولايات المتحدة)^12،13،وأخذ العينات المتكاملة تلطيف (ITS)^{14، 15}. الجمع بين مختلف أساليب أخذ العينات المحسنة يمكن أن تزيد من كفاءة أخذ العينات^16،17،18. لتسخير خوارزميات أخذ العينات المعززة في محاكاة التفاعلات الكيميائية، قمنا بتنفيذ طريقة انتقائية متكاملة لأخذ العينات المعتدلة (SITS) مع إمكانات الكم الميكانيكية والجزيئية الميكانيكية (QM /MM) مؤخرا¹⁹. تجمع طريقة SITS-QM/MM المقترحة بين المزايا من كلا الأسلوبين: فطريقة SITS تسرع عملية أخذ العينات ويمكنها استكشاف جميع قنوات التفاعل الممكنة دون معرفة مسبقة بآلية التفاعل، وتوفر QM/MM وصفًا أكثر دقة لـ عملية تشكيل السندات وكسر السندات، والتي لا يمكن محاكاة من قبل أساليب MM فقط. وقد نجح نهج SITS-QM/MM المنفذ في الكشف عن نقل البروتون المزدوج المتضافر، غير المترابط والمرتبط بآلية نقل البروتون المزدوج ة في أنظمة مختلفة، دون تحديد إحداثيات التفاعل المسبق^19. لporphycene، وقد تم الإبلاغ عن حرف نقل البروتون stepwise ولكن مترابطة¹⁹. تم استخدام طريقة SITS-QM/MM الهجينة للتحقيق في تأثير النظائر في البورفيسين في دراستنا، وفيما يلي الأوصاف التفصيلية للخوارزمية وبروتوكول أسلوبنا.

لقد قمنا بتنفيذ طريقة SITS مع إمكانات QM/MM المختلطة. تم تحديد الإمكانات الفعالة لـ SITS لتشمل الطاقة المحتملة في درجات حرارة مختلفة مع عوامل الترجيح ن_ك لتغطية نطاقات درجة الحرارة الأوسع،

حيث، N هو عدد المصطلحات الكنسية، β_k هو درجة الحرارة العكسية، و n_k هو عامل الترجيح المقابل لكل مكون قانوني. U_E (R) و U_N(R) تمثل المصطلحات المحسنة وغير المحسنة في SITS ويتم تعريفها على النحو التالي:

ش _s, U_se and U_e هي الطاقة المحتملة للنظام الفرعي، والتفاعل بين النظام الفرعي والبيئة، والطاقة المحتملة للبيئة. يتم التعبير عن إمكانات QM/MM كخلاصة هجينة لثلاثة مكونات،

حيث U_QM، U_qm/mm،وU _mm هي مصطلح الطاقة الداخلية للنظام الفرعي QM، وطاقة التفاعل بين مناطق QM وMM، وطاقة التفاعل داخل النظام الفرعي MM، على التوالي. يمكن تقسيم مصطلح U_qm/mm إلى ثلاثة مكونات، والتي تشمل الكهروستاتيكي، وفان دير وال، ومصطلحات طاقة التفاعل المشترك بين ذرات QM وMM،

نحن تعيين، وإلى مصطلح واحد الولايات المتحدة في SITS،

ثم تم تحلل الإمكانات الكاملة للنظام في طاقة النظام الفرعي U_ق، والطاقة التفاعل بين النظام الفرعي والبيئة U_se، وطاقة البيئة U_ه. على سبيل المثال، في نظام العمل الحالي، والنظام الفرعي هو porphycence، والبيئة المياه.

يتم اشتقاق ملف PMF على طول متغير جماعي (R) على النحو التالي:

ال عموما يستعمل ردّ فعل إحداثيات ل كلّ هيدروجين إنتقال من [ن1]− [ه1]··· N2 هي س₁ = (ص₁-ص₂₎/ 2 و س₂ = ص₁ + ص₂، حيث هي₁ هي مسافة N1-H1 و r₂ هي مسافة H1-N2.

وقد تم تنفيذ هذه الطريقة في حزمة محاكاة QM/MM MD QM⁴D^20. يمكن العثور على التعليمات البرمجية الكاملة للمصدر والوثائق هنا: http://www.qm4d.info/.

وبصفة عامة، تنطوي عمليات محاكاة SITS-QM/MM MD على أربع خطوات: ما قبل التوازن (ما قبل الجلوس)؛ ومحاكاة الـ SITS-QM/MM MD تتضمن أربع خطوات: ما قبل التوازن (ما قبل الجلوس)؛ ومحاكاة الـ SITS-QM/MM MD التي تتضمن أربع خطوات: ما قبل التوازن (ما قبل الجلوس)؛ و التحسين ن_ك (opt-sits)؛ محاكاة الإنتاج وتحليل البيانات.

1. نموذج البناء

1. بناء هيكل porphycene: افتح برنامج GaussView بالنقر المزدوج فوق الماوس. ثم انقر فوق زر جزء العنصر في القائمة من GaussView لاختيار العناصر المطلوبة. بناء البورفيسين. ثم انقر فوق زر ملف لحفظ كملف pdb.
2. حل النموذج: حل porphycene في مربع المياه TIP3P²¹ مكعب مع طول حافة 38 Å عن طريق إصدار الأمر في نظام التشغيل لينكس: genbox_d -cp prp-vac.pdb -cs spc216.gro -o solv.pdb -maxsol 1484 -box 3.8.
3. بناء الديوتيريوم بورفيسين: إصدار الأمر التالي لإنشاء ملف طبولوجيا: cns < ppi_solv.inp. ثم فتح prp-wat.psf مع الأمر السادس وتغيير كتلة H1 من 1.00800 إلى 2.01600 لتحل محل ذرة هيدروجين واحدة داخل الجزيئية من porphycene مع الديوتيريوم لبناء الديوتيريوم واحد استبدال البورفيسين.
4. تعيين معلمات محاكاة MD العادية: طريقة الإدخال scctb، لا يتجزأ 0.5 fs، وقطع 12 في ملف الإدخال MD عن طريق فتحه مع الأمر السادس.
   ملاحظة: اعتماد مسافة قطع من 12 Å لحساب كل من vdW والتفاعلات الكهروستاتيكية. محاكاة جزيء البورفيسين مع DFTB / MIO طريقة²². تعيين خطوة وقت التكامل كـ 0.5 fs لمحاكاة MD. الحفاظ على درجة حرارة نظام المحاكاة في 300 K مع ترموستات لانجفين. ثم قم بإجراء عمليات المحاكاة مع برنامج QM⁴D باتباع الخطوات التالية.

2. ما قبل يجلس

1. إعداد معلمات درجة الحرارة: المدخلات templow 260، temphigh 1100 و ntemp 160 في ملف الإدخال.
   ملاحظة: تم توزيع نطاق درجة الحرارة من 260K إلى 1100K من قبل برنامج QM4D إلى 160 نقطة درجة حرارة أثناء محاكاة MD. يتم تضمين ملفات إدخال القالب في الملفات التكميلية.
2. بدء ما قبل الجلوس: تعيين runtype 100 والخطوة 120,000 في ملف الإدخال. ثم إصدار الأمر التالي: $INPUTFILE $PATH/qm4d > $OUTPUTFILE.
   ملاحظة: الخطوة الإجمالية هي 120,000 ولكن يمكن تعديلها اعتماداً على الحاجة المحددة. يتم حفظ المعلمات المقترحة من محاكاة MD في $INPUTFILE. يتم استخدام نفس الأمر أيضًا في خطوات محاكاة opt-ss والإنتاج التالية، مع تعديل ملف الإدخال وفقًا لذلك.
3. حساب الطاقات المتحللة
   1. استخراج تغيرات الطاقة: أثناء مرحلة ما قبل الجلوس، رصد الطاقة من كل مصطلح لحساب القيم المتوسطة، كما هو مبين في الشكل 1. استخدم الأمر grep Linux لاستخراج الطاقة على النحو التالي:
      grep 'SITS-ener0' $INPUTFILE | awk '{a+$3;b+$4;c+$5}END{print a/NR,b/NR,c/NR}.
   2. تعديل متوسط الطاقات في ملف إدخال MD: حساب متوسط الطاقات استناداً إلى إخراج سطر الأوامر أعلاه، وتعديل خط vshift0 -30801.95؛ vshift1 -26.88؛ vshift2 -13888.28 في ملف الإدخال مع المتوسطات التي تم إنشاؤها حديثاً.
      ملاحظة: الأرقام -30801.85 و-26.88 و-13888.28 هي متوسط الطاقات في نظام النموذج الحالي. الرجاء تعديل القيم استناداً إلى أنظمة معينة.

3. اختيار يجلس

1. بدء الجلوس: تعيين نوع التشغيل 0 في ملف الإدخال. ثم قم ببدء تشغيل برنامج QM⁴D بكتابة الأمر كما هو موضح في الخطوة 2.2 لبدء الخطوة التحسين.
2. رصد التغيرات في الطاقة و ن_ك القيم.
   1. رسم انتشار الطاقة مع برنامج "نعمة" وتأكد من تقلب الطاقة يمكن أن تغطي أدنى وأعلى نهايات نطاق درجة الحرارة.
   2. بعد التحسين، حفظ القيم n_k النهائية من الخطوة opt-sits في ملف جديد، الذي يسمى nk.dat في هذا البروتوكول.

4. تشغيل محاكاة الإنتاج

1. تحضير ملف إدخال MD: تعيين نوع التشغيل 1 في ملف الإدخال الجديد لبدء خطوة محاكاة الإنتاج. حدد اسم ملف الملف n_k المخزن كملف nk.dat nkfile في ملف الإدخال. وقد حُزِّل عدد الخطوات الزمنية بـ 000 400 6 خطوة في النظم الحالية.
2. بدء محاكاة MD الإنتاج: إصدار الأمر التالي لبدء عمليات محاكاة MD: $PATH/qm4d $INPUTFILE > $OUTPUTFILE.
   ملاحظة: تأكد من يمكن قراءة قيم n_k بواسطة برنامج QM⁴D. وقت المحاكاة يعتمد على النظام لذلك تغيير خطوة المحاكاة على أساس مطالب محددة. حدد عددًا مناسبًا من خطوات الوقت لضمان وقت محاكاة كافٍ للنظام الخاص بك. من المحتمل أن تستغرق هذه الخطوة وقتاً طويلاً، لذا احفظ ملفات إعادة التشغيل لتجنب إعادة تشغيل الإنتاج من البداية بمجرد تعطيلها.

5 [دتا] تحليل

1. مراقبة التغيرات في المسافة
   1. مراقبة عملية تشكيل السندات وكسر خلال مرحلة الإنتاج، واستخدام الأمر grep للتحقق من التغييرات المسافة من H1-N1 و H1-N2 على طول وقت المحاكاة. ويمكن إجراء نفس العملية لH2-N3 و H2-N4. ثم رسم انتشار المسافة باستخدام قيمة المسافة المتراكمة أثناء محاكاة الإنتاج.
2. استخراج إحداثيات التفاعل
   1. استخراج إحداثيات رد الفعل وشروط الطاقة من ملف إنتاج الإنتاج التي تم إنشاؤها بواسطة QM⁴D بواسطة الأمر grep:
      $OUTPUTFILE الـ"دي 4 1" | awk '{طباعة $5}' > المسافة1;
      grep 'ener0' $OUTPUTFILE > ener0.
   2. تنظيم البيانات في أربعةأعمدة: س 1، س_2،U₀ و U' (U₀ و U' هي الطاقة العادية الناتج والطاقة المرجحة)، وكتابتها في ملف البيانات في كل إطار زمني.
3. حساب الطاقة الحرة
   1. حساب الطاقة الحرة عن طريق إصدار الأمر التالي:
      $INPUTFILE [hist_miny hist_maxy num_binsy] >$OUTPUTFILE .
      ملاحظة: sits-pmf هو أسلوب التحليل المستندإلى الرسم البياني. [hist_minx hist_maxx num_binsx] يحدد نطاق وعدد الصناديق لإحداثيات رد الفعل الأول. يمكن تعيين إحداثيات رد الفعل الثاني بواسطة [hist_miny hist_maxy num_binsy].
   2. لعرض الطاقة الحرة على المناظر الطبيعية ثنائية الأبعاد، اكتب الأمر التالي:
      يجلس-pmf 300 h1-2d.dat PMF2 -0.6 0.6 24 2.45 4.25 36 > يجلس-pmf.out.
      ملاحظة: استخدم ما مجموعه 24 صندوقاً و36 صندوقاً لتغطية تغيرات المسافة في إحداثيات التفاعل المحددتين، q₁ وq₂على التوالي. حفظ بيانات PMF 2D لكل الهيدروجين/الديوتيريوم إلى ملف sits-pmf.out.

وقد تم فحص تأثير استبدال الديوتيريوم الوحيد على عملية نقل البروتونالمزدوج في البورفيسين في البروتوكول الحالي (الشكل 1). وقد تم فحص الطاقة المحتملة للنظام الفرعي QM والمياه خلال مرحلة ما قبل التوازن وخطوة التحسين للتأكد من توسيع نطاق الطاقة إلى نطاق أوسع للطاقة (الشكل2). وقد استخدمت التغيرات التمثيلية للمسافة والزاوية (الشكل3 والشكل 4)والتغيرات المتوقعة في الطاقة الحرة (الشكل5)لوصف تأثير استبدال الديوتيريوم على عملية نقل الديوتيريوم من البورفيسين.

الشكل 1 هياكل الجزيئات التي تم التحقيق فيها.
هياكل البورفيسين (أ) وporphycene deuterated(B). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2 تتغير الطاقة المحتملة أثناء عمليات محاكاة MD.
التغيرات المحتملة في الطاقةفي منطقة QM (A) والبيئة (B) في خطوات ما قبل الجلوس والمشاركة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3 تتغير المسافة المميزة.
(أ) تغيرات المسافة من H1-N1 و H2-N3 للبورفيسين، و (ب) التغيرات المسافة من D1-N1 و H2-N3 لporphycene deuterated خلال محاكاة SIRTS-QM/MM؛ (C) توزيع التغيرات المسافة لH1-N1 و H2-N3 للبورفيسين، و (D) D1-N1 و H2-N3 للبورفيسين deuterated. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4 الهيدروجين رابطة زوايا أثناء الإنتاج [مد] محاكاة.
الملائكة السندات الهيدروجين ل (أ) prophycene و (ب) porphycene deuterated. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 5 المشهد الطاقة الحرة من كل عملية نقل الهيدروجين التي تمإسقاطها على اثنين من إحداثيات التفاعل (س 1، ف2).
(أ) و (ب) هي المناظر الطبيعية للطاقة الحرة 2D من H1 وH2 نقل في porphycene؛ (C) و (D) 2D المناظر الطبيعية للطاقة الحرة من D1 و H2 نقل في porphycene deuterated. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

ملفات تكميلية. ملف طبولوجيا، ملف معلمة حقل فرض، إحداثيات ملف وملف الإدخال. الرجاء النقر هنا لتحميل الملف.

فيلم تكميلي 1. (بورفيسين) الرجاء النقر هنا لتحميل الفيديو.

وليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.