Name: 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 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-07-19T15:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 51 s
Description: 探索增强型QM/MM方法在卟吩双质子转移过程中的同位素效应研究。该方法利用Six QM/MM技术加速量子区域组装，无需预定义反应坐标即可捕获完整反应路径，揭示氘代取代对转移机制的影响，为药物发现中的反应机理研究提供重要工具。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

本研究受到中国国家重点研发计划（2017YFA0206801，2018YFA0208600）、江苏省自然科学基金、&#160;以及国家自然科学基金（91645116）的资助。L.X. 为江苏理工学院中吴特聘教授。作者感谢胡浩博士和杨明军博士提出的建议。

1. 构建模型
<ol>
	<li>构建卟啉烯结构：双击鼠标打开GaussView软件。然后在GaussView菜单中点击Element Fragment按钮以选择所需元素，构建卟啉烯分子。随后点击File按钮，将其保存为pdb文件。</li>
	<li>模型溶剂化：在Linux操作系统中执行以下命令，将卟啉烯溶剂化于边长为38 Å的立方TIP3P21水盒子中：genbox_d -cp prp-vac.pdb -cs spc216.gro -o solv.pdb -maxsol 1484 -box 3.8。</li>
	<li>构建氘代卟啉烯：执行以下命令生成拓扑文件：cns &#60; ppi_solv.inp。然后使用vi命令打开prp-wat.psf文件，将H1的质量从1.00800更改为2.01600，以将卟啉烯中的一个分子内氢原子替换为氘原子，从而构建单氘代取代的卟啉烯。</li>
	<li>设置常规MD模拟参数：使用vi命令打开MD输入文件，在其中输入method scctb、integral 0.5 fs和cutoff 12。 
	注意：计算范德华作用和静电相互作用时采用12 Å的截断距离。使用DFTB/MIO方法22对卟啉烯分子进行模拟。MD模拟的时间积分步长设为0.5 fs。使用Langevin恒温器将模拟系统的温度维持在300 K。随后按照以下步骤使用QM4D软件进行模拟。</li>
</ol>
2. 预坐姿
<ol>
	<li>设置温度参数： 输入 templow 260, temphigh 1100 和 ntemp 160 在输入文件中。 
	注意：260 K 至 1100 K 的温度范围被展开 QM4D 软件在MD模拟期间设置为160个温度点。模板输入文件包含在 补充文件.</li>
	<li>开始进行预坐姿训练： 设置 runtype 100 和 步骤 120,000 在输入文件中，然后执行以下命令： $PATH/qm4d $INPUTFILE &#62; $OUTPUTFILE. 
	注意：总步数为 120,000，但可根据具体需求进行调整. 分子动力学模拟的建议参数已保存在 $INPUTFILE相同的命令也用于后续的优化构象和生产性模拟步骤中，只需相应地修改输入文件即可。</li>
	<li>计算分解后的能量
	<ol>
		<li>提取能量变化：在预平衡阶段，监测各项能量以计算其平均值，如图所示 图1使用 grep 用于提取能量的 Linux 命令如下： 
		grep ‘SITS-ener0’ $INPUTFILE | awk ‘{a+=$3;b+=$4;c+=$5}END{print a/NR,b/NR,c/NR}’.</li>
		<li>修改MD输入文件中的平均能量：根据上述命令行输出结果计算平均能量，并修改相应行 vshift0 -30801.95；vshift1 -26.88；vshift2 -13888.28 在输入文件中用新生成的平均值替换。 
		注意：-30801.85、-26.88 和 -13888.28 是当前模型系统的平均能量值。请根据具体系统调整这些数值。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 光学坐姿
<ol>
	<li>启动 opt-sits： 在输入文件中设置 runtype 0。然后按照步骤 2.2 所示输入命令，启动 QM4D 程序，开始优化步骤。</li>
	<li>监测能量变化和 nk 值。
	<ol>
		<li>使用“grace”程序绘制能量变化曲线，并确保能量波动范围覆盖温度区间的最低值和最高值。</li>
		<li>优化完成后，将 opt-sits 步骤的最终 nk 值保存到一个新文件中，本方案中该文件命名为 nk.dat。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 运行生产模拟
<ol>
	<li>准备MD输入文件： 在新的输入文件中设置 runtype 1 以启动生产模拟步骤。在输入文件中将存储的 nk 文件的文件名指定为 nkfile nk.dat。当前体系中的时间步数设置为 6,400,000。</li>
	<li>启动生产MD模拟： 执行以下命令以开始MD模拟：$PATH/qm4d $INPUTFILE &#62; $OUTPUTFILE。 
	注意：确保 QM4D 软件能够读取 nk 值。模拟时间依赖于具体体系，因此应根据实际需求调整模拟步数。选择合适的时间步数，以确保您的体系具有足够的模拟时长。此步骤可能耗时较长，建议保存重启文件，以便在模拟中断后无需从头重新开始生产模拟。</li>
</ol>
5 数据分析
<ol>
	<li>监测距离变化
	<ol>
		<li>在生产阶段监测成键与断键过程，使用 grep 命令检查 H1-N1 和 H1-N2 在模拟时间内的距离变化。同样操作可用于 H2-N3 和 H2-N4。随后利用生产模拟期间累积的距离值绘制距离变化曲线。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>提取反应坐标
	<ol>
		<li>通过 QM4D 生成的生产输出文件，使用 grep 命令提取反应坐标和能量项： 
		grep ‘dist 1’ $OUTPUTFILE | awk ‘{print $5}’ &#62; distance1; 
		grep ‘ener0’ $OUTPUTFILE &#62; ener0.</li>
		<li>将数据整理为四列：q1、q2、U0 和 U’（其中 U0 和 U’ 分别为输出的正常能量和加权能量），并在每个时间帧中将其写入数据文件。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>计算自由能
	<ol>
		<li>通过执行以下命令计算自由能： 
		sits-pmf 300 $INPUTFILE PMF2 [hist_minx hist_maxx num_binsx] [hist_miny hist_maxy num_binsy] &#62; $OUTPUTFILE。 
		注：sits-pmf 为基于直方图的分析方法。[hist_minx hist_maxx num_binsx] 定义第一个反应坐标的方向范围及分箱数量。第二个反应坐标可通过 [hist_miny hist_maxy num_binsy] 设置。</li>
		<li>要将自由能投影到二维势能面上，请输入以下命令： 
		sits-pmf 300 h1-2d.dat PMF2 -0.6 0.6 24 2.45 4.25 36 &#62; sits-pmf.out。 
		注：分别使用总共 24 个和 36 个分箱覆盖两个选定反应坐标 q1 和 q2 的距离变化。将每个氢/氘的二维 PMF 数据保存至 sits-pmf.out 文件中。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Waluk, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ground-+and+excited-state+tautomerism+in+porphycenes%5BTitle%5D)+AND+%22Accounts+of+Chemical+Research%22%5BJournal%5D)">Ground- and excited-state tautomerism in porphycenes.</a> Accounts of Chemical Research. 39 (12), 945-952 (2006).</li>
<li>Waluk, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spectroscopy+and+tautomerization+studies+of+porphycenes%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Reviews%22%5BJournal%5D)">Spectroscopy and tautomerization studies of porphycenes.</a> Chemical Reviews. 117 (4), 2447-2480 (2017).</li>
<li>Kozlowski, P. M., Zgierski, M. Z., Baker, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+inner-hydrogen+migration+and+ground-state+structure+of+porphycene%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">The inner-hydrogen migration and ground-state structure of porphycene.</a> The Journal of Chemical Physics. 109 (14), 5905-5913 (1998).</li>
<li>Yoshikawa, T., Sugawara, S., Takayanagi, T., Shiga, M., Tachikawa, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Theoretical+study+on+the+mechanism+of+double+proton+transfer+in+porphycene+by+path-integral+molecular+dynamics+simulations%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Theoretical study on the mechanism of double proton transfer in porphycene by path-integral molecular dynamics simulations.</a> Chemical Physics Letters. 496 (1-3), 14-19 (2010).</li>
<li>Smedarchina, Z., Shibl, M. F., Kühn, O., Fernández-Ramos, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+tautomerization+dynamics+of+porphycene+and+its+isotopomers+-+concerted+versus+stepwise+mechanisms%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">The tautomerization dynamics of porphycene and its isotopomers - concerted versus stepwise mechanisms.</a> Chemical Physics Letters. 436 (4-6), 314-321 (2007).</li>
<li>Wolfsberg, M., Hook, W. A., Paneth, P., Rebelo, L. P. N. Isotope effects. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aWolfsberg%2C+M+%22The+Chemical%2C+Geological%2C+and+Bio+Sciences%22">The Chemical, Geological, and Bio Sciences</a>. , Springer. Dordrecht. (2009).</li>
<li>Pietrzak, M., Shibl, M. F., Bröring, M., Kühn, O., Limbach, H. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((1H%2F2H+NMR+studies+of+geometric+H%2FD+isotope+effects+on+the+coupled+hydrogen+bonds+in+porphycene+derivatives%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">1H/2H NMR studies of geometric H/D isotope effects on the coupled hydrogen bonds in porphycene derivatives.</a> Journal of the American Chemical Society. 129 (2), 296-304 (2007).</li>
<li>Yoshikawa, T., Sugawara, S., Takayanagi, T., Shiga, M., Tachikawa, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantum+tautomerization+in+porphycene+and+its+isotopomers%3A+Path-integral+molecular+dynamics+simulations%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">Quantum tautomerization in porphycene and its isotopomers: Path-integral molecular dynamics simulations.</a> Chemical Physics. 394 (1), 46-51 (2012).</li>
<li>Ladenthin, J. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Force-induced+tautomerization+in+a+single+molecule%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Force-induced tautomerization in a single molecule.</a> Nature Chemistry. 8 (10), 935-940 (2016).</li>
<li>Dellago, C., Bolhuis, P. G., Csajka, F. S., Chandler, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transition+path+sampling+and+the+calculation+of+rate+constants%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">Transition path sampling and the calculation of rate constants.</a> The Journal of Chemical Physics. 108 (5), 1964-1977 (1998).</li>
<li>Bolhuis, P. G., Chandler, D., Dellago, C., Geissler, P. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transition+path+sampling%3A+Throwing+ropes+over+rough+mountain+passes%2C+in+the+dark%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Physical+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Transition path sampling: Throwing ropes over rough mountain passes, in the dark.</a> Annual Review of Physical Chemistry. 53 (1), 291-318 (2002).</li>
<li>Torrie, G. M., Valleau, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nonphysical+sampling+distributions+in+monte+carlo+free-energy+estimation%3A+Umbrella+sampling%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Computational+Physics%22%5BJournal%5D)">Nonphysical sampling distributions in monte carlo free-energy estimation: Umbrella sampling.</a> Journal of Computational Physics. 23 (2), 187-199 (1977).</li>
<li>Kästner, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Umbrella+sampling%5BTitle%5D)+AND+%22Wiley+Interdisciplinary+Reviews%3A+Computational+Molecular+Science%22%5BJournal%5D)">Umbrella sampling.</a> Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science. 1 (6), 932-942 (2011).</li>
<li>Gao, Y. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+integrate-over-temperature+approach+for+enhanced+sampling%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">An integrate-over-temperature approach for enhanced sampling.</a> Journal of Chemical Physics. 128 (6), 064105(2008).</li>
<li>Yang, L., Gao, Y. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+selective+integrated+tempering+method%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">A selective integrated tempering method.</a> Journal of Chemical Physics. 131 (21), 214109(2009).</li>
<li>Yang, M., Yang, L., Gao, Y., Hu, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combine+umbrella+sampling+with+integrated+tempering+method+for+efficient+and+accurate+calculation+of+free+energy+changes+of+complex+energy+surface%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">Combine umbrella sampling with integrated tempering method for efficient and accurate calculation of free energy changes of complex energy surface.</a> The Journal of Chemical Physics. 141 (4), 044108(2014).</li>
<li>Yang, Y. I., Zhang, J., Che, X., Yang, L., Gao, Y. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficient+sampling+over+rough+energy+landscapes+with+high+barriers%3A+A+combination+of+metadynamics+with+integrated+tempering+sampling%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">Efficient sampling over rough energy landscapes with high barriers: A combination of metadynamics with integrated tempering sampling.</a> The Journal of Chemical Physics. 144 (9), 094105(2016).</li>
<li>Xie, L., Shen, L., Chen, Z. N., Yang, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficient+free+energy+calculations+by+combining+two+complementary+tempering+sampling+methods%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">Efficient free energy calculations by combining two complementary tempering sampling methods.</a> The Journal of Chemical Physics. 146 (2), 024103(2017).</li>
<li>Xie, L., Cheng, H., Fang, D., Chen, Z. N., Yang, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhanced+QM%2FMM+sampling+for+free+energy+calculation+of+chemical+reactions%3A+A+case+study+of+double+proton+transfer%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">Enhanced QM/MM sampling for free energy calculation of chemical reactions: A case study of double proton transfer.</a> The Journal of Chemical Physics. 150 (4), 044111(2019).</li>
<li>Hu, X., Hu, H., Yang, W. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHu%2C+X+%22QM4D%3A+an+integrated+and+versatile+quantum+mechanical%2Fmolecular+mechanical+simulation+package+%28http%3A%2F%2Fwww.qm4d.info%2F%29%22">QM4D: an integrated and versatile quantum mechanical/molecular mechanical simulation package (http://www.qm4d.info/)</a>. , (2016).</li>
<li>Jorgensen, W. L., Chandrasekhar, J., Madura, J. D., Impey, R. W., Klein, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+simple+potential+functions+for+simulating+liquid+water%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">Comparison of simple potential functions for simulating liquid water.</a> The Journal of Chemical Physics. 79 (2), 926-935 (1983).</li>
<li>Walewski, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scc-dftb+energy+barriers+for+single+and+double+proton+transfer+processes+in+the+model+molecular+systems+malonaldehyde+and+porphycene%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Quantum+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Scc-dftb energy barriers for single and double proton transfer processes in the model molecular systems malonaldehyde and porphycene.</a> International Journal of Quantum Chemistry. 106 (3), 636-640 (2006).</li>
<li>Bakowies, D., Thiel, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hybrid+models+for+combined+quantum+mechanical+and+molecular+mechanical+approaches%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Physical+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Hybrid models for combined quantum mechanical and molecular mechanical approaches.</a> The Journal of Physical Chemistry. 100 (25), 10580-10594 (1996).</li>
<li>Hu, H., Yang, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+and+application+of+ab+initio+QM%2FMM+methods+for+mechanistic+simulation+of+reactions+in+solution+and+in+enzymes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Molecular+Structure%3A+THEOCHEM%22%5BJournal%5D)">Development and application of ab initio QM/MM methods for mechanistic simulation of reactions in solution and in enzymes.</a> Journal of Molecular Structure: THEOCHEM. 898 (1-3), 17-30 (2009).</li>
<li>Xie, L., Yang, M., Chen, Z. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Understanding+the+entropic+effect+in+chorismate+mutase+reaction+catalyzed+by+isochorismate-pyruvate+lyase+from+pseudomonas+aeruginosa+%28PchB%29%5BTitle%5D)+AND+%22Catalysis+Science%2C+Technology%22%5BJournal%5D)">Understanding the entropic effect in chorismate mutase reaction catalyzed by isochorismate-pyruvate lyase from pseudomonas aeruginosa (PchB).</a> Catalysis Science, Technology. 9 (4), 957-965 (2019).</li>
<li>Shibl, M. F., Pietrzak, M., Limbach, H. H., Kühn, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Geometric+H%2FD+isotope+effects+and+cooperativity+of+the+hydrogen+bonds+in+porphycene%5BTitle%5D)+AND+%22ChemPhysChem%22%5BJournal%5D)">Geometric H/D isotope effects and cooperativity of the hydrogen bonds in porphycene.</a> ChemPhysChem. 8 (2), 315-321 (2007).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

卟啉烯的结构如图1所示。采用基于SITS方法的静电嵌入型QM/MM杂化势能函数来描述水中的化学反应23,24。质子转移发生在卟啉烯内部3，因此将卟啉烯设为QM区域，其余水分子设为MM区域。本研究采用DFTB/MIO作为QM方法处理卟啉烯，以在计算效率与精度之间取得平衡22,25。作为一种采样增强技术，SITS模拟被证明能够将Us的分布扩展至高能区域，同时在目标温度对应的能量区域保留足够的采样。在当前体系中，“opt-sits”步骤中Us的能量范围被拓宽，覆盖了“pre-sits”步骤中标准MD模拟的能量范围，如图2所示。同时，...

卟啉烯中的质子转移过程在分子开关、晶体管和信息存储器件的开发中具有潜在应用价值1,2。特别是通过双质子转移过程发生的卟啉烯互变异构，在光谱学和光物理领域引起了广泛关注2。如图1所示，卟啉烯内部的氢原子可通过双质子转移过程从一种trans异构体迁移到另一种等价的trans异构体。目前针对双质子转移过程提出了两种机制：协同机制和分步机制3,4。在协同双质子转移过程中，两个质子以对称方式同步移动至过渡态；而在分步过程中，一个质子先完成转移，随后另一个质子再进行转移。两个氢原子是同时转移还是分步转移，取决于两个氢原子之间关联强度的大小5。
同位素取代已被用于探测分子的结构特性以及反应动力学的速率常数6。在卟啉烯内侧氢原子位置进行单个氘代会使其分子呈现不对称结构。由于氢与氘原子的质量差异，氢键可能发生伸长或缩短。同位素取代会在卟啉烯的分子骨架中引入扰动，由此引发的问题是：这种不对称结构是否会影响质子转移过程。Limbach 及其同事报道，用氘取代氢会使两个氢键均发生压缩，且卟啉烯中两个氢键的协同耦合作用可能更有利于协同机制7；而 Yoshikawa 则认为氘代会使分步机制的贡献大于协同机制8。已有诸如力谱等实验技术被开发出来，用于捕捉单个卟啉烯分子中的互变异构细节9。然而，由于质子转移过程具有瞬时性，目前仍难以通过实验手段确定其原子级别的细节。
理论计算与模拟可作为阐明质子转移反应机理的补充工具。在多种理论方法中，分子动力学（MD）模拟能够监测每个原子的动态运动，已被广泛用于揭示化学与酶促反应中的复杂机理。然而，常规MD模拟通常面临采样不足的问题，尤其是在所研究过程中存在高能垒的情况下。因此，人们发展了多种增强采样方法，包括过渡路径采样10,11、伞形采样（US）12,13以及积分温控采样（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。为了在化学反应模拟中应用增强采样算法，我们近期实现了结合量子力学与分子力学（QM/MM）势能的选通积分温控采样（SITS）方法19。所提出的SITS-QM/MM方法融合了两种方法的优势：SITS方法可加速采样过程，并能在无需预先了解反应机理的前提下探索所有可能的反应通道；而QM/MM方法则能更精确地描述成键与断键过程，这是仅靠分子力学（MM）方法无法实现的。我们实现的SITS-QM/MM方法已成功揭示了在不同体系中无需预先定义反应坐标即可发生的协同双质子转移、非关联与关联的逐步双质子转移机理19。对于卟啉烯（porphycene），已有报道指出其具有逐步但关联的质子转移特征19。在本研究中，我们采用SITS-QM/MM杂化方法探究了卟啉烯中的同位素效应，下文将详细描述该方法的算法与实验流程。
我们已采用混合量子力学/分子力学（QM/MM）势函数实现了SITS方法。SITS的有效势函数被定义为包含不同温度下的势能，并引入权重因子nk，以覆盖更宽的温度范围，
<img alt="统计力学公式，U'(R)，熵最小化，能量分布分析方程。" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ01.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="方程 1">
其中， N 是规范术语的数量， βk 是倒易温度，以及 nk 是每个典型成分对应的权重因子。 UE(R）和 UN(R）表示 SITS 中的增强项与非增强项，其定义为，
<img alt="静电势方程；UE(R)=US+1/2Use，UN(R)=Ue+1/2Use；数学公式。" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ02.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="方程2">
Us、Use 和 Ue 分别表示子系统的势能、子系统与环境之间的相互作用能以及环境的势能。QM/MM 势能表示为三个组分的混合加和，
<img alt="势能分配公式：$ U = U_{qm} + U_{qm/mm} + U_{mm} $。" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ03.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="公式 3">
其中，Uqm、Uqm/mm 和 Umm 分别表示量子力学（QM）子体系的内能项、QM 与分子力学（MM）区域之间的相互作用能，以及 MM 子体系内部的相互作用能。Uqm/mm 项可进一步分为三个组分，即 QM 原子与 MM 原子之间的静电相互作用能、范德华相互作用能和共价相互作用能。
<img alt="量子力学/分子力学（QM/MM）方程；能量组分；理论化学。" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ04.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Equation 4">
我们将 <img alt="量子力学势能公式 $U_{qm}$。" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ05.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="公式 5"> 和 <img alt="量子力学/分子力学，计算化学中使用的 U^ele_qm/mm 符号。" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ06.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="公式 6"> 归入 SITS 中的一个 Us 项，
<img alt="量子力学公式化，方程：Us=Uqm+Uqme/qm/mm，分子相互作用分析示意图。" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ07.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="方程 7">
随后，将系统的总势能分解为子系统的能量 Us、子系统与环境之间的相互作用能量 Use，以及环境的能量 Ue。例如，在本研究的系统中，子系统为卟啉化合物，环境为水。
沿集体变量 τ(R) 的PMF曲线按如下方式推导：
<img alt="用于统计力学分析的平均力势方程 PMF(τ) 示意图。" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ08.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="方程 8">
对于 N1−H1···N2 每个氢转移反应，通常使用的反应坐标为 q1 = (r1−r2)/2 和 q2 = r1 + r2，其中 r1 是 N1-H1 的距离，r2 是 H1-N2 的距离。
该方法已实现在QM/MM分子动力学模拟软件包QM4D20中。完整的源代码和文档可在此处获取：http://www.qm4d.info/。
通常，SITS-QM/MM 分子动力学模拟包含四个步骤：预平衡（pre-sits）；优化 nk（opt-sits）；生产模拟及数据分析。

<table><tbody><tr><td>操作系统</td><td>CentOS Linux release 6.0</td><td></td><td></td></tr><tr><td>QM4D 软件</td><td>http://www.qm4d.info/</td><td></td><td>内部程序</td></tr><tr><td>计算机桌面</td><td>HP</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

增强型量子力学/分子力学方法研究卟嗪双质子转移过程中的同位素效应

Isotopic Effect in Double Proton Transfer Process of Porphycene Investigated by Enhanced QM/MM Method

卟啉烯中的单个氘代取代导致了不对称的分子几何结构，这可能影响卟啉烯分子内的双质子转移过程。在本研究中，我们采用了一种称为SITS-QM/MM的增强型量子力学/分子力学（QM/MM）方法，以研究氢/氘（H/D）同位素效应对卟啉烯中双质子转移的影响。SITS-QM/MM分子动力学模拟中的距离变化表明，氘代取代的卟啉烯倾向于采取逐步进行的双质子转移机制。结构分析及双质子转移过程的自由能变化显示，这种不对称的同位素取代轻微压缩了共价氢键，并可能改变原有的过渡态位置。

本方案研究了单个氘代取代对卟啉烯双质子转移过程的影响（图1）。通过检查QM子系统及水分子在预平衡和优化步骤中的势能，以确保能量已扩展至更宽的范围（图2）。采用典型的距离和角度变化（图3 和 图4），以及投影自由能变化（图5），来表征氘代取代对卟啉烯几何结构和质子转移过程的影响。
<img alt="分子结构图，芳香族化合物中的氢键距离，显示 N-H 相互作用。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60040/60040fig01.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图 1"> 
图 1. 所研究分...

本文介绍了一种利用增强型量子力学/分子力学（QM/MM）方法研究卟嗪分子中双质子转移过程同位素效应的实验方案。

卟啉烯中的单个氘代取代导致分子几何结构的不对称性，这可能会影响其中的双质子转移过程。

一种增强型量子力学/分子力学（QM/MM）方法克服了常规QM/MM模拟中的简单问题。六点QM/MM方法可加速QM区域的选择性组装，并能够捕捉导致反应坐标定义的化学反应路径。通过该方案，我们成功捕获了水环境中双质子转移的化学反应路径，并揭示了氘代取代对质子转移机制的影响。该方案可用于探索在药物发现的热量鉴定中进行卤素或氘取代的效果。六量子力学/分子力学（Six QM/MM）方法的主要优势在于，我们在探究反应机理时，无需定义盐反应坐标，也无需为化学反应路径引入额外装置，从而能够识别出从反应物出发的可能反应路径。该方法可被采用并扩展至高水平的量子力学方法，有望成为研究溶液中化学反应机理的重要工具。开始此操作时，需在输入文件中设置以下参数：将 runtype 设为 100，temp0 设为 300，templow 设为 260，temphigh 设为 1300，step 设为 120,000。然后，执行此处所示的相应命令。在预设阶段，监测每一项的能量以计算其平均值。使用 grep Linux 命令提取能量值。根据上一条命令的输出结果计算平均能量，并利用这些新生成的平均值修改输入文件中 v-shift 行的平均能量数值。在 QM4D 程序中输入命令以启动优化步骤，开始偏移量的计算。接下来，使用 grace 程序绘制能量传播曲线，并确保能量波动范围能够覆盖温度区间的最低值和最高值。优化完成后，将偏移步骤最终的 nk 值保存到一个名为 nk 的新文件中。本方案中的数据。为准备 md-input 文件，在新输入文件中将 runtype 设置为 one，以启动生产模拟步骤。使用存储的 nk 文件指定文件名，格式为 nkfile nk。输入文件中的数据。在当前系统中，时间步数设置为 6,400,000。模拟计数器依赖于系统，因此请根据您的具体需求调整模拟起始参数。为您的系统选择适当的时间步数，以实现不同状态之间的平滑过渡。通过执行相应的命令启动分子动力学模拟，开始模拟的生产阶段。在生产阶段期间，使用 grep 命令监测键的形成与断裂过程，检查 H1N1 与 H1N2 在模拟时间过程中的距离变化。可对 H2N3 和 H2N4 进行相同的操作。然后，在生产模拟过程中，利用累积的距离值进行距离传播计算。通过 grep 命令从 QM4D 生成的生产输出文件中提取反应坐标和能量项。将数据按四列进行整理，并在每个时间范围内将其写入数据文件。通过执行相应的命令来计算自由能。最后，通过输入相应的命令，将自由能投影到二维自由能面上。本方案研究了单个氘代取代效应对卟啉烯双质子转移过程的影响。在预平衡和优化步骤中，检查了QM子系统及水分子的势能，以确保QM区域的能量被拓宽至更宽的能量范围，同时不影响环境的能量。通过代表性距离和角度变化以及投影自由能变化，表征了氘代取代对卟啉烯几何结构和质子转移过程的影响。六重量子力学/分子力学（QM/MM）方法在能量空间中实现了增强的组装。指定的合并范围应实现更宽泛的能量分布。该方法不仅能捕捉到反应通道的顶部，还能识别由反应机理产生的常规反应态中的反应产物。本方案为研究凝聚态环境中的化学反应机理提供了起点。未来可将更高级别的量子力学方法与Six QM/MM方法相结合，以探索更为复杂的体系。

isotopic-effect-double-proton-transfer-process-porphycene

Research

科研

JoVE Journal

Chemistry

化学

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

本视频介绍了利用核磁共振波谱技术研究15N标记的野生型和突变型envoplakin蛋白与未标记的vimentin蛋白之间相互作用的方法。野生型envoplakin与vimentin成功相互作用会导致核磁共振谱图中谱线显著展宽和信号峰消失；而突变型envoplakin与vimentin之间缺乏相互作用，则在核磁共振谱图中呈现分辨良好的信号峰。...

利用核磁共振研究原子水平的蛋白质-蛋白质相互作用

蛋白质功能的关键步骤，特别是主链构象变化和质子转移反应，通常发生在微秒到毫秒的时间尺度上。这些动力学过程可以通过时间分辨步进扫描傅里叶变换红外光谱技术进行研究，尤其适用于其功能由光触发的蛋白质。...

利用时间分辨步进扫描傅里叶变换红外光谱研究光敏蛋白中的质子转移与蛋白质构象动力学

该论文描述了一种结合了激光极限分辨率和光致发光（PL）光谱技术的声子辅助准共振荧光光谱方法。该方法利用光学声子，在能量域内为类原子半导体结构提供线宽极限分辨率的光谱。此外，该方法仅需使用单台光谱仪的光学光谱装置即可轻松实现。...

高分辨率声子辅助准共振荧光光谱技术

原位 监测客体分子在多孔介质中的扩散：基于电子顺磁共振成像技术

我们提出了一种用于探测多原子自由基阳离子中超快振动相干性的实验方案，这些相干性可导致分子解离。...

利用强场绝热电离法测量多原子阳离子自由基中的超快振动相干性

光异构化量子产率是研究新开发光开关时应准确测定的基本光物理性质。本文以一种光致变色腙类双稳态光开关为模型，描述了一套测定其光异构化量子产率的实验步骤。...

腙类光开关分子光异构化量子产率的测定

本文中，我们使用聚合物稳定剂制备金属有机框架（MOF）悬浮液，该悬浮液在其基态和瞬态吸收光谱中的散射显著降低。利用这些MOF悬浮液，本实验方案提供了多种光谱表征MOF的指导方法，以获得可解释的数据。...

金属有机框架材料光谱测量技术指南

我们介绍了在小鼠器官中高精度测定锌同位素比值的技术。...

高精度锌同位素测定在小鼠器官中的应用

本文中，我们描述了在牺牲性基底上共轭微孔聚合物（CMP）的界面合成方法，以及通过溶解基底制备自支撑CMP纳米膜的过程。此外，我们还将介绍如何将这些脆弱的纳米膜转移至其他基底上。...

逐层合成与自支撑共轭微孔聚合物纳米膜的转移

开发了一种盘状磷酸锆的二维模型材料。这种具有层状结构的无机晶体通过水热法、回流法和微波辅助法合成。在有机分子作用下发生剥离时，层状晶体可转化为单层，当单层浓度足够时，可形成向列相液晶相。...

盘状磷酸锆的合成与剥离以制备胶体液晶

探索增强型QM/MM方法在卟吩双质子转移过程中的同位素效应研究。该方法利用Six QM/MM技术加速量子区域组装，无需预定义反应坐标即可捕获完整反应路径，揭示氘代取代对转移机制的影响，为药物发现中的反应机理研究提供重要工具。

增强型量子力学/分子力学方法研究卟嗪双质子转移过程中的同位素效应

探索更多视频