方法文章

增强QM/MM方法研究的植物双质子转移过程中的同位素效应

DOI：

10.3791/60040

⸱

2019年7月19日

 ,  , 
1State Key Laboratory of Structural Chemistry, Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, Chinese Academy of Sciences, 2University of Chinese Academy of Sciences, 3XtalPi Inc. (Shenzhen Jingtai Technology Co., Ltd.), 4Institute of Bioinformatics and Medical Engineering, School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University of Technology

本文内容

摘要

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本文提出了一种使用增强QM/MM方法研究双质子转移过程对双质子转移过程的同位素效应的协议。

摘要

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猪体内的单一二元替代导致分子几何的不对称,可能影响紫杉醇分子的双质子转移过程。在这项研究中,我们应用了一种称为SITS-QM/MM的增强QM/MM方法,以研究氢/铀(H/D)同位素对双质子转移的影响。SITS-QM/MM分子动力学模拟中距离变化表明,该基图采用分步双质子转移机制。结构分析和双质子转移过程的自由能量转移表明,非对称同位素替代巧妙地压缩了共价氢键,并可能改变原来的过渡状态位置。

引言

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质子转移过程在分子开关、晶体管和信息存储装置1、2的开发中具有潜在的应用价值。特别是,通过双质子转移过程对光子的陶化引起了光谱学和光物理2领域的广泛关注。通过双质子转移过程,孔生的内部氢原子可以从一个转异体转移到另一个等效的转异体,如图1所示。 提出了双质子转移过程的两个机制:协同和逐步机制3,4。在协调的双质子转移过程中,两个质子原子以对称方式同步地移动到过渡状态,而一个质子在另一个质子之前以逐步过程完成转移。两个氢原子可以同时或逐步转移,这取决于两个氢原子之间的相关强度5。

同位素替代已用于检测分子的结构性质和反应动力学的速率常数6。单二元替代在猪的内氢导致分子的不对称形状。由于氢原子和铀原子之间的质量差异,氢键可能会膨胀或收缩。同位素替代在孔雀脚手架上引入扰动。问题是,不对称结构是否会影响质子转移过程。Limbach和同事报告说,用二氢替换氢将压缩两种氢键,而两个氢键在porphycene中的....

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方案

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1. 建筑模型

  1. 构建孔生结构:通过双击鼠标打开高斯视图软件。然后单击高斯视图菜单中的"元素片段"按钮以选择所需的元素。构造孔生。然后单击"文件"按钮以保存为 pdb 文件。
  2. 索尔瓦特模型:通过在 linux 操作系统中发出命令,在边缘长度为 38 Ω 的立方 TIP3P21水盒中,Solvate porphycene:genbox_d -cp prp-vac.pdb-cs spc216.gro-o solv.pdb -maxsol 1484 -box 3.8。
  3. 建造紫杉醇:发出以下命令以生成拓扑文件:cns < ppi_solv.inp。然后用vi命令打开prp-wat.psf,将H1的质量从1.00800改为2.01600,用紫杉醇取代一个分子内氢原子,以构建单一的紫杉替代孔生。
  4. 设置正常 MD 仿真参数:输入

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结果

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现行协议研究了单次转移对双质子转移过程的影响(图1)。检查了QM子系统和在预平衡和优化步骤中的水的电位能量,以确保能量已扩大到更广泛的能量范围(图2)。代表距离和角度变化(图3和图4),以及预测的自由能变化(图5)用于描述对几何和质子转移过程的替代效应。海豚。

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图 1.被调查分子的结构。
紫病毒 (A) 和脱皮性肺生 (B) 的结构.

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讨论

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图1显示了紫金石的结构。用SITS方法的静电嵌入QM/MM混合电位来描述水中的化学反应23、24。质子转移发生在波生3内,因此,波生被设置为QM区域,提醒水被设置为MM区域。在这里,我们采用DFTB/MIO作为我们的QM方法,通过平衡效率和准确性22,25来治疗猪科。作为一种采样增强技术,SITS仿真可以扩大美国到高能区域的分布,同时在感兴趣的温度下在能量区域周围保持足够的采样。就目前情况而言,"选择坐"步骤中的Us能量被扩展至更广泛的范围,包括"预坐"步骤中标准MD模拟的能量,如图2所示。 同时,U

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披露

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作者没有什么可透露的。

致谢

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本研究得到国家重点研究与发展计划(2017YFA0206801,2018YFA0208600),江苏省自然科学基金, 国家自然科学基金(91645116)的支持。L.X是江苏工业大学特聘教授。作者肯定了胡浩博士和杨明军博士的建议。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
作系统CentOS Linux 版本 6.0
QM4D 软件http://www.qm4d.info/内部程序
计算机 台式机HP

参考文献

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  1. Waluk, J. Ground- and excited-state tautomerism in porphycenes. Accounts of Chemical Research. 39 (12), 945-952 (2006).
  2. Waluk, J. Spectroscopy and tautomerization studies of porphycenes. Chemical Reviews. 117 (4), 2447-2480 (2017).
  3. Kozlowski, P. M., ....

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