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

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中的协同耦合可能有利于协同机制7,而吉川则指出去功能化将使逐步机制的贡献大于协同机制8。实验技术,如力谱,已经开发,以捕获在单个孔^素9的陶化细节。然而,由于质子转移的瞬态性,要确定其原子细节仍然具有挑战性。

理论计算和模拟可以作为阐明质子转移反应机制的补充工具。在不同的理论方法中,分子动力学(MD)模拟可以监测每个原子的动态运动,并广泛用于揭示化学和酶反应的复杂机制。然而,定期的MD模拟往往受到采样不足的影响,特别是当在感兴趣的过程中存在高能量屏障时。因此,已经开发出了增强的采样方法,包括过渡路径采样10、11、伞式采样(美国)12、13和综合回火采样(ITS)14。 ¹⁵.结合不同的增强采样方法,可进一步提高采样效率16、17、18。为了利用增强的采样算法模拟化学反应,我们^最近19日采用了具有量子力学和分子力学(QM/MM)电位的选择性集成回火采样(SITS)方法。建议的SITS-QM/MM方法结合了两种方法的优点:SITS方法加速采样,并可以在事先了解反应机制的情况下探索所有可能的反应通道,而QM/MM则提供了更准确的描述。粘结形成和粘结断裂过程,不能单靠MM方法来模拟。已实施的SITS-QM/MM方法成功地在不同系统中发现了协同双质子转移、不相关和相关的双质子传递机制,没有预先确定反应^坐标19。对于porphycene,^有19个报告是分步但相关的质子转移特性。混合SITS-QM/MM方法用于研究本研究的泊生子中同位素效应,下面是该方法算法和协议的详细说明。

我们实现了具有混合 QM/MM 潜力的 SITS 方法。SITS 的有效电位被定义为包括不同温度下的电位能量,以及加权因子 n _k,以覆盖更广泛的温度范围,

其中,N是规范项的数量,α _k是反向温度,n _k是每个规范分量的相应权重因子。U_E (R) 和U_N(R) 表示 SITS 中的增强和非增强术语,定义为:

Us、Ue和Ue是子系统的势能,是子系统与环境的相互作用,是环境的潜在能量。 QM/MM 电位表示为三个组件的混合总和,

其中U qm、U _qm/mm和U _mm分别是QM子系统的内部能量术语、QM和MM区域之间的相互作用能量以及MM子系统内的相互作用能量。 U_qm/mm术语可进一步分为三个组分,包括静态、范德瓦尔斯和 QM 原子和 MM 原子之间的共价相互作用能量项,

我们分配,并在 SITS 中分配到一个U术语中,

然后,系统的全部电位被分解为子系统U的能量、子系统与环境Ue之间的相互作用能量以及环境Ue的能量。 例如,在目前的工作系统中,子系统是肺生,环境是水。

沿集合变量*(R) 的 PMF 配置文件派生为,

N1+H1[ ] 每次氢传递的一般使用的反应坐标N2是q₁ = (r₁=r₂)/2 和q₂ = r₁ = r_2,其中是_N1-H1的距离,r₂是H1-N2.

该方法已在QM/MM MD仿真封装QM⁴D²⁰中实现。完整的源代码和文档可在此处找到:http://www.qm4d.info/。

通常,SITS-QM/MM MD 仿真涉及四个步骤:预平衡(预坐);优化n_k(选择坐);生产模拟和数据分析。

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:输入法scctb,积分0.5fs,并通过vi命令打开它来截止MD输入文件中的12。
   注:采用12 Ω的截止距离,用于计算vdW和静电相互作用。使用DFTB/MIO^方法22模拟孔生分子。将 MD 模拟的集成时间步长设置为 0.5 fs。使用兰格文恒温器将仿真系统的温度保持在 300 K。然后按照以下步骤使用 QM⁴D 软件执行仿真。

2. 预坐

1. 设置温度参数:输入温度260,温度高1100和ntemp 160在输入文件中。
   注:在 MD 仿真期间,QM4D软件将 260K 到 1100K 的温度范围分散到 160 个温度点。模板输入文件包含在补充文件中。
2. 启动预坐:在输入文件中设置运行类型 100和步骤 120,000。然后发出以下命令:$PATH/qm4d $INPUTFILE > $OUTPUTFILE。
   注:总步长为120,000,但可根据具体需要进行调整。MD仿真的建议参数保存在$INPUTFILE中。在以下选择坐和生产模拟步骤中也使用相同的命令,并相应地修改了输入文件。
3. 计算分解的能量
   1. 提取能量变化:在预坐阶段,监测每个术语的能量以计算平均值,如图1所示。使用grep Linux 命令提取能量,如下所示:
      grep 'SITS-ener0' $INPUTFILE = awk 'a=$3;b= $4;c= $5_END_打印 a/NR,b/NR,c/NR_.
   2. 修改 MD 输入文件中的平均能量:根据上述命令行的输出计算平均能量,并修改输入文件中的行vshift0 -30801.95;vshift1 -26.88;vshift2 -13888.28,输入文件中的新生成平均值。
      注:数字 -30801.85、-26.88 和 -13888.28 是当前模型系统中的平均能量。请根据特定系统修改值。

3. 选择坐

1. 启动选择坐式:在输入文件中设置运行类型0。然后,通过键入步骤 2.2 中所示的命令来启动 QM⁴D 程序以启动优化步骤。
2. 监控能量变化和n_k 值。
   1. 使用"宽限期"绘制能量传播图,并确保能量波动可以覆盖温度范围的最低点和最高端。
   2. 优化后,将 opt-sits 的最终n_k值保存到新文件中,该文件在此协议中名为 nk.dat。

4. 运行生产模拟

1. 准备 MD 输入文件:在新输入文件中设置运行类型 1以启动生产模拟步骤。在输入文件中将存储的n_k文件的文件名指定为nkfile nk.dat。在现行系统中,时间步长数定为6,400,000。
2. 启动生产 MD 仿真:发出以下命令以启动 MD模拟:$PATH/qm4d $INPUTFILE > $OUTPUTFILE。
   注:确保 QM⁴D 软件可以读取n_k值。仿真时间取决于系统,因此可根据具体要求更改仿真步骤。选择适当数量的时间步长,以确保您自己的系统有足够的仿真时间。此步骤可能非常耗时,因此请保存重新启动文件,以避免在中断后从一开始就重新启动生产。

5 数据分析

1. 监视距离变化
   1. 在生产阶段监控粘结形成和断裂过程,使用grep命令检查模拟时间沿线 H1-N1 和 H1-N2 的距离变化。H2-N3 和 H2-N4 可以执行相同的操作。然后,使用生产模拟期间的累积距离值绘制距离传播图。
2. 提取反应坐标
   1. 从Grep命令生成的 QM⁴D 生成的生产输出文件中提取反应坐标和能源术语:
      格列普'第1"$OUTPUTFILE |awk '[打印 $5]' > 距离1;
      grep '能源0' $OUTPUTFILE > 能量0。
   2. 将数据组织成四列:q 1、q 2、U₀和 U'(U₀和 U' 是输出正常能量和加权能量),并在每个时间帧将它们写入数据文件中。
3. 计算自由能量
   1. 通过发出以下命令计算可用能量:
      坐-pmf 300 $INPUTFILE PMF2 [hist_minx his_maxx num_binsx] [hist_miny hisy_maxy num_binsy] > $OUTPUTFILE。
      注:坐-pmf是基于直方图的分析方法。[hist_minx hist_maxx num_binsx] 定义了第一反应坐标的条柱范围和数量。第二个反应坐标可以由 [hist_miny hist_maxy num_binsy]设置。
   2. 要在二维景观上投影自由能量,键入以下命令:
      坐-pmf 300 h1-2d.dat PMF2 -0.6 0.6 24 2.45 4.25 36 > 坐-pmf.out.
      注:使用总共24个料箱和36个料箱分别覆盖两个选定反应坐标q1和q ₂的距离变化。将每个氢气/二氧化硫的 2D PMF 数据保存到sat-pmf.out文件中。

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。

图 1.被调查分子的结构。
紫病毒 (A) 和脱皮性肺生 (B) 的结构.请点击此处查看此图的较大版本。

图 2.MD 模拟期间的潜在能量变化。
QM区域 (A) 和环境 (B) 在预选和选择坐步骤中的潜在能量变化.请点击此处查看此图的较大版本。

图 3.特征距离变化。
(A) 在SIRTS-QM/MM模拟期间,H1-N1和H2-N3对普天同化的H1-N1和H2-N3的距离变化,以及(B)对脱发性肺病的距离变化;(C) H1-N1 和 H2-N3 的测量性肺病的距离变化分布, 和 (D) D D1-N1 和 H2-N3 的脱光。请点击此处查看此图的较大版本。

图 4.生产MD模拟过程中的氢键合角。
氢键天使为 (A) 预防和 (B) 去化的肺生.请点击此处查看此图的较大版本。

图 5.每个氢传递过程的自由能量景观,被投射在两个反应坐标上(q1,q2)。
(A) 和 (B) 是 H1 和 H2 转移的二维自由能量景观;(C) 和 (D) D 2D 自由能量景观的 D1 和 H2 转移在脱皮的孔生。请点击此处查看此图的较大版本。

补充文件。拓扑文件、力场参数文件、坐标文件和输入文件。请点击此处下载文件。

补充影片 1.波菲森请点击此处下载视频。

作者没有什么可透露的。