Name: Effetto isotopico nel processo di trasferimento di doppio protone di porficene indagato dal metodo QM/MM migliorato (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-07-19T15:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 51 s
Description: Esplora il metodo QM/MM migliorato per studiare l'effetto isotopico nel trasferimento di doppio protone di porficene. Questo protocollo rivela l'impatto della sostituzione con deuterio sui meccanismi di reazione.

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Questa ricerca è supportata dal National Key Research and Development Program of China (2017YFA0206801, 2018YFA0208600), dalla Natural Science Foundation della provincia di Jiangsu e dalla National Natural Science Foundation of China (91645116). L.X è il professore della Jiangsu University of Technology, nominato in modo speciale per lo zhong-Wu. Gli autori riconoscono i suggerimenti del Dr. Hao Hu e del Dr. Mingjun Yang.

1. Modello di costruzione
<ol><li>
Costruire la struttura di porficene: Aprire il software GaussView facendo doppio clic con il mouse. Quindi fare clic frammento di elemento pulsante nel menu del GaussView per scegliere gli elementi necessari. Costruire porficene. Quindi fare clic su File pulsante per salvare come file pdb.</li>
	<li>
Solvate il modello: Porficene Solvate in una scatola d'acqua cubica TIP3P21 con una lunghezza del bordo di 38 , emettendo il comando nel sistema operativo linux: genbox_d -cp prp-vac.pdb -cs spc216.gro -o solv.pdb -maxsol 1484 -box 3.8.
</li>
	<li>
Costruisci porficeio deuterio: Eseguire il comando seguente per generare il file di topologia: cns < ppi_solv.inp. Aprire quindi prp-wat.psf con comando vi e modificare la massa di H1 da 1.00800 a 2.01600 per sostituire un atomo di idrogeno intramolecolare di porficene con deuterio per costruire un singolo deuterio sostituito porficene.</li>
	<li>
Impostare i normali parametri di simulazione MD: Metodo di input scctb, integrale 0,5 fse cutoff 12 nel file di input MD aprendolo con il comando vi. NOTA: Adottare una distanza di taglio di 12 per calcolare sia le interazioni vdW che quelle elettrostatiche. Simulare la molecola di porfissia con il metodo DFTB/MIO22. Impostare il passo del tempo di integrazione come 0,5 fs per le simulazioni MD. Mantenere la temperatura del sistema di simulazione a 300 K con termostato Langevin. Quindi eseguire le simulazioni con il software QM4D seguendo la procedura riportata di seguito.</li>
</ol>2. Pre-siede
<ol><li>
Impostare i parametri di temperatura: Input templow 260, temphigh 1100 e ntemp 160 nel file di input. NOTA: l'intervallo di temperatura da 260K a 1100K è stato distribuito dal software QM4D a 160 punti di temperatura durante le simulazioni MD. I file di input del modello sono inclusi in Supplementary Files.</li>
	<li>
Avviare i pre-sedersi: Impostare runtype 100 e step 120.000 nel file di input. Emettere quindi il comando seguente: $PATH/qm4d $INPUTFILE > $OUTPUTFILE. NOTA: il passaggio totale è 120.000 ma può essere regolato in base alle esigenze specifiche. I parametri suggeriti delle simulazioni MD vengono salvati nella $INPUTFILE. Lo stesso comando viene utilizzato anche nei seguenti passaggi di simulazione di produzione e opt-sits, con il file di input modificato di conseguenza.</li>
	<li>
Calcolo delle energie decomposte
	<ol>
<li>Estrarre i cambiamenti di energia: durante la fase di pre-sits, monitorare l'energia di ogni termine per calcolare i valori medi, come illustrato nella Figura 1. Utilizzare il comando grep Linux per estrarre l'energia come segue: grep 'SITS-ener0' $INPUTFILE : awk ''a'3;b'4;c'è'5'END'stampa a/NR,b/NR,c/NR'.</li>
		<li>Modificare le energie medie nel file di input MD: calcolare le energie medie in base all'output della riga di comando precedente e modificare la riga vshift0 -30801.95; vshift1 -26.88; vshift2 -13888.28 nel file di input con le medie appena generate. NOTA: I numeri -30801.85, -26.88 e -13888.28 sono le energie medie nel sistema di modelli attuale. Si prega di modificare i valori in base ai sistemi specifici.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Opt-sied
<ol><li>
Avviare opt-sits: Impostare runtype 0 nel file di input. Quindi avviare il programma QM4D digitando il comando come mostrato nel passaggio 2.2 per avviare il passaggio di ottimizzazione.</li>
	<li>
Monitorare i cambiamenti energetici e nk valori.
	<ol>
<li>Tracciare la propagazione dell'energia con il programma "grazia" e assicurarsi che la fluttuazione energetica possa coprire le estremità più basse e più alte dell'intervallo di temperatura.</li>
		<li>Dopo l'ottimizzazione, salvare i valori nk finali del passaggio opt-sits in un nuovo file, denominato nk.dat in questo protocollo.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. Esecuzione di simulazioni di produzione
<ol><li>
Preparare il file di input MD: Impostare runtype 1 nel nuovo file di input per avviare il passaggio di simulazione di produzione. Specificare il nome del file nk memorizzato come nkfile nk.dat nel file di input. Il numero di fasi temporali è stato impostato come 6.400.000 nei sistemi attuali.</li>
	<li>
Avviare la simulazione MD di produzione: Eseguire il comando seguente per avviare simulazioni MD: $PATH/qm4d $INPUTFILE > $OUTPUTFILE. NOTA: Assicurarsi che i valori nk possano essere letti dal software QM4D. Il tempo di simulazione dipende dal sistema, quindi modificare il passo di simulazione in base a richieste specifiche. Selezionare un numero corretto di fasi temporali per garantire un tempo di simulazione sufficiente per il proprio sistema. Questo passaggio richiede probabilmente molto tempo, quindi salva i file di riavvio per evitare di riavviare la produzione dall'inizio una volta interrotta.</li>
</ol>5 Analisi dei dati
<ol><li>
Monitoraggio dei cambiamenti di distanza
	<ol>
<li>Monitorare il processo di formatura e rottura dell'attacco durante la fase di produzione, utilizzare il comando grep per controllare i cambiamenti di distanza di H1-N1 e H1-N2 lungo il tempo di simulazione. La stessa operazione può essere eseguita per H2-N3 e H2-N4. Quindi tracciare la propagazione della distanza utilizzando il valore della distanza accumulata durante le simulazioni di produzione.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Estrazione delle coordinate di reazione
	<ol>
<li>Estrarre le coordinate di reazione e i termini energetici dal file di output di produzione generato da QM4D dal comando grep: grep 'dist 1' $OUTPUTFILE awk ''stampa''''> distanza1; grep 'ener0' $OUTPUTFILE > ener0.
</li>
		<li>Organizzare i dati in quattro colonne: q1, q2, U0 e U' (U0 e U' sono l'energia normale di uscita e l'energia ponderata) e scriverli nel file di dati in ogni intervallo di tempo.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Calcolo dell'energia libera
	<ol>
<li>Calcolare l'energia libera emettendo il seguente comando: sits-pmf 300 $INPUTFILE PMF2 [hist_minx hist_maxx num_binsx] [hist_miny hist_maxy num_binsy] > $OUTPUTFILE. NOTA: sits-pmf è il metodo di analisi basato sull'istogramma. [hist_minx hist_maxx num_binsx] definisce l'intervallo e il numero di raccoglitori per la prima coordinata di reazione. Le seconde coordinate di reazione possono essere impostate da [hist_miny hist_maxy num_binsy].</li>
		<li>Per proiettare l'energia libera sul paesaggio bidimensionale, digitare il seguente comando: sits-pmf 300 h1-2d.dat PMF2 -0.6 0.6 24 2.45 4.25 36 > sits-pmf.out. NOTA: utilizzare un totale di 24 raccoglitori e 36 contenitori per coprire i cambiamenti di distanza in due coordinate di reazione selezionate, rispettivamente q1 e q2. Salvare i dati PMF 2D per ogni idrogeno/deuterio nel file sits-pmf.out.</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>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

La struttura della porficene è stata mostrata nella Figura 1. Il potenziale ibrido QM/MM di incorporamento elettrostatico con il metodo SITS è stato utilizzato per descrivere le reazioni chimiche nell'acqua23,24. Il trasferimento di protoni avviene all'interno della porfiina3 e quindi la porfissia è impostata come regione QM e l'acqua che ricorda è impostata come regione MM. Qui abbiamo adottato DFTB/MIO come ...

Il processo di trasferimento dei protoni nelle porficene ospita potenziali applicazioni nello sviluppo di interruttori molecolari, transistor e dispositivi di archiviazione delle informazioni1,2. In particolare, la tautomerizzazione delle porficene attraverso il processo di trasferimento di doppi protoni ha attirato ampio interesse nei campi della spettroscopia e della fotofisica2. Gli atomi interni di idrogeno di porphycene possono migrare da un isomero trans all'altro isomer trans equivalente attraverso il processo di trasferimento di doppio protoni, come mostrato nella Figura 1. Sono stati proposti due meccanismi per il processo di trasferimento dei doppi protoni: il meccanismo concertato e graduale3,4. Nel processo concertato di trasferimento di due protoni, entrambi gli atomi di protoni si spostano allo stato di transizione in modo sincrono in modo simmetrico, mentre un protone completa il trasferimento prima dell'altro protone in un processo stepwise. Due atomi di idrogeno possono essere trasferiti simultaneamente o passo a seconda della forza di correlazione tra due atomi di idrogeno5.
La sostituzione isotopica è stata utilizzata per rilevare le proprietà strutturali delle molecole e le costanti di frequenza della cinetica di reazione6. La sostituzione di un singolo deuterio nell'idrogeno interno della porficena porta ad una forma asimmetrica della molecola. Il legame di idrogeno può espandersi o contrarsi a causa della differenza di massa tra gli atomi di idrogeno e deuterio. La sostituzione isotopica introduce una perturbazione nell'impalcatura della porfisia. Si pone la questione se la struttura asimmetrica influirebbe sul processo di trasferimento dei protoni. Limbach e colleghi hanno riferito che la sostituzione dell'idrogeno con il deuterio comprimerà entrambi i legami di idrogeno, e l'accoppiamento cooperativo di due legami di idrogeno in porficene può favorire il meccanismo concertato7, mentre Yoshikawa ha dichiarato che la deuterazione renderebbe il meccanismo graduale contribuire più del meccanismo concertato8. Sono state sviluppate tecniche sperimentali, come la spettroscopia a forza, percatturare i dettagli della tautomerizzazione in un'unica porficene 9. Tuttavia, è ancora difficile determinare sperimentalmente i dettagli atomici del trasferimento di protoni a causa della sua natura transitoria.
I calcoli teorici e le simulazioni possono fungere da strumenti complementari per chiarire i meccanismi di reazione del trasferimento dei protoni. Tra i diversi metodi teorici, le simulazioni di dinamiche molecolari (MD) possono monitorare i movimenti dinamici di ogni atomo ed è stato ampiamente utilizzato per rivelare meccanismi complessi nelle reazioni chimiche ed enzimatiche. Tuttavia, le regolari simulazioni di MD tendono a soffrire di problemi di campionamento insufficienti, soprattutto quando nel processo di interesse esiste una barriera ad alta energia. Sono stati pertanto sviluppati metodi di campionamento avanzati, che includono il campionamento del percorso di transizione10,11, il campionamento degli ombrelli (US)12,13e il campionamento di temperatura integrato (ITS)14, 15. La combinazione di diversi metodi di campionamento avanzato può aumentare ulteriormente l'efficienza di campionamento16,17,18. Per sfruttare gli algoritmi di campionamento avanzato nella simulazione delle reazioni chimiche, abbiamo implementato il metodo di campionamento di temprazione selettiva integrata (SITS) con potenziali meccanici e molecolari quantistici (QM/MM) recentemente19. Il metodo SITS-QM/MM proposto combina i vantaggi di entrambi i metodi: il metodo SITS accelera il campionamento e può esplorare tutti i possibili canali di reazione senza una conoscenza preliminare del meccanismo di reazione, e QM/MM fornisce una descrizione più accurata di il processo di formazione del legame e rottura del legame, che non può essere simulato solo con i metodi MM. L'approccio SITS-QM/MM implementato ha scoperto con successo un trasferimento di doppio protone concertato, non correlato e correlato meccanismo di trasferimento di due protoni stepwise in diversi sistemi, senza predefinire le coordinate di reazione19. Per la porfissia, il carattere di trasferimento di protoni graduale ma correlato è stato riportato19. Il metodo ibrido SITS-QM/MM è stato utilizzato per studiare l'effetto isotopico in porficene nel nostro studio, e di seguito sono riportate le descrizioni dettagliate dell'algoritmo e del protocollo del nostro metodo.
Abbiamo implementato il metodo SITS con potenziali ibridi QM/MM. Il potenziale effettivo di SITS è stato definito per includere l'energia potenziale a temperature diverse con i fattori di ponderazione nk per coprire intervalli di temperatura più ampi,
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ01.jpg">
dove, N è il numero di termini canonici, k è la temperatura inversa, e nk è il fattore di ponderazione corrispondente per ogni componente canonico. UE (R) e UN(R) rappresentano i termini avanzati e non migliorati in SITS e sono definiti come,
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ02.jpg">
U s, Use e e sono l'energia potenziale del sottosistema, l'interazione tra il sottosistema e l'ambiente e l'energia potenziale dell'ambiente. Il potenziale QM/MM è espresso come una somma ibrida di tre componenti,
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ03.jpg">
dove Uqm, Uqm/mme Umm sono rispettivamente il termine energetico interno del sottosistema QM, l'energia di interazione tra le regioni QM e MM e l'energia di interazione all'interno del sottosistema MM. Il termine Uqm/mm può essere ulteriormente suddiviso in tre componenti, tra cui i termini di energia elettrostatici, van der Waals e di interazione covalente tra gli atomi QM e MM,
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ04.jpg">
Assegniamo <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ05.jpg"> <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ06.jpg"> , e in un termine Us in SITS,
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ07.jpg">
Il pieno potenziale del sistema è stato poi scomposto nell'energia del sottosistema U s, l'energia di interazione tra il sottosistema e l'ambiente Use, e l'energia dell'ambiente Ue. Ad esempio, nel sistema del lavoro attuale, il sottosistema è la porfita e l'ambiente l'acqua.
Il profilo PMF lungo una variabile collettiva (R) è derivato come,
<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ08.jpg">
Le coordinate di reazione generalmente utilizzate perogni trasferimento di idrogeno di N1 N2 sono q1 (r1) / 2 e q2 , r1 , dove sono1 è la distanza di N1-H1 e r2 è la distanza di H1-N2.
Il metodo è stato implementato nel pacchetto di simulazione QM/MM MD QM4D20. Il codice sorgente completo e la documentazione sono disponibili qui: http://www.qm4d.info/.
In generale, le simulazioni SITS-QM/MM MD prevedono quattro fasi: pre-equilibrio (pre-sidice); ottimizzazione nk (opt-siits); simulazione di produzione e analisi dei dati.

<table><tbody><tr><td>sistema operativo</td><td>CentOS Linux versione 6.0</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Software QM4D</td><td>http://www.qm4d.info/</td><td></td> <td>programma interno</td></tr><tr><td>Computer desktop</td><td>HP</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

effetto isotopico nel processo di trasferimento di doppio protone di porficene indagato dal metodo qm/mm migliorato

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

La sostituzione del singolo deuterio in porficene porta ad una geometria molecolare asimmetrica, che può influenzare il processo di trasferimento del doppio protone nella molecola di porficene. In questo studio, abbiamo applicato un metodo QM/MM migliorato chiamato SITS-QM/MM per studiare gli effetti dell'isotopo idrogeno/deuterio (H/D) sul doppio trasferimento di protoni nella porficene. I cambiamenti di distanza nelle simulazioni di dinamiche molecolari SITS-QM/MM hanno suggerito che il deuterio sostituito porphycene ha adottato il meccanismo di trasferimento del doppio protone stepwise. L'analisi strutturale e gli spostamenti di energia libera del processo di trasferimento dei doppi protoni hanno indicato che la sostituzione isotopica asimmetrica ha compresso sottilmente i legami di idrogeno covalenti e può alterare la posizione dello stato di transizione originale.

L'effetto di sostituzione del singolo deuterio sul processo di trasferimento del doppio protone nella porfissia è stato esaminato nel protocollo attuale (Figura 1). L'energia potenziale del sottosistema QM e dell'acqua durante la fase di pre-equilibrio e ottimizzazione è stata controllata per assicurarsi che l'energia sia stata ampliata ad una più ampia gamma di energia (Figura2). La distanza rappresentativa e le variazioni di angolo (Figura...

Un protocollo che utilizza un metodo QM/MM migliorato per studiare l'effetto isotopico sul processo di trasferimento di due protoni in porficene è presentato qui.

Effetto isotopico nel processo di trasferimento di doppio protone di porficene indagato dal metodo QM/MM migliorato

The single deuterium substitution in porphycene leads to an asymmetric molecular geometry, which may affect the double proton transfer process in the ...

Un metodo QM/MM avanzato supera semplici problemi nella normale simulazione QM/MM. Il metodo Six QM/MM accelera l'assemblaggio selezionato per la regione QM e può catturare le vie di reazione chimica che si traducono nella definizione della coordinata di reazione. Con questo protocollo, abbiamo catturato con successo un percorso di reazione chimica di doppio trasferimento di protoni e un rivelare un effetto di sostituzione del deuterio su un meccanismo di trasferimento di provenienza in acqua.Il protocollo può essere utilizzato per esplorare l'alogeno o la nostra sostituzione del deuterio nell'identificazione termica nella scoperta di farmaci. Il vantaggio principale del metodo Six QM / MM è che, non ne abbiamo bisogno per definire la coordinata di reazione della salamoia o introdurre un dispositivo per la via di reazione chimica quando esploriamo il meccanismo di reazione. ci permettono di identificare possibili vie di reazione che da reagire.Il metodo che può essere utilizzato ed esteso a un metodo QM di alto livello e potrebbe diventare uno strumento importante per indagare il meccanismo di reazione per la reazione chimica in soluzione. Per iniziare questa procedura, avviare le

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I passaggi chiave della funzione delle proteine, in particolare i cambiamenti conformazionali della spina dorsale e le reazioni di trasferimento protonico, spesso avvengono su una scala temporale da microsecondi a millisecondi. Questi processi dinamici possono essere studiati mediante spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier a scansione a gradini risolta nel tempo, in particolare per le proteine la cui funzione è attivata dalla luce.

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