Name: 強化されたQM/MM法によるポルフィセンの二重陽子転写過程における同位体効果 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-07-19T15:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 51 s
Description: 学ぼう、強化されたQM/MM法を用いてポルフィセンの二重陽子転写過程における重水素置換効果を解析する計算化学的手法。このプロトコルは反応経路の特定に有用であり、創薬研究への応用が期待されます。

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本研究は、中国国家主要研究開発プログラム(2017YFA0206801、2018YFA0208600)、江蘇省自然科学財団、 中国国家自然科学財団(91645116)の支援を受けています。L.Xは江蘇省工科大学の中呉特任教授です。著者らは、ハオ・フー博士とミンジュン・ヤン博士からの提案を認めている。

1. 建物モデル
<ol><li>
ポルフィセン構造を構築する:マウスをダブルクリックしてガウスビューソフトウェアを開きます。次に、GaussViewのメニューで[要素フラグメント]ボタンをクリックして、必要な要素を選択します。ポルフィセンを構築します。次に、[ファイル]ボタンをクリックして pdb ファイルとして保存します。</li>
	<li>
モデルをソルベートします。Linux オペレーティングシステムでコマンドを発行することにより、エッジの長さが 38 Å の立方体 TIP3P21ウォーターボックス内のソルベート ポルフィセン: genbox_d -cp prp-vac.pdb -cs spc216.gro -o solv.pdb -maxsol 1484 -maxsol 1484 -box 3.8.
</li>
	<li>
重水素ポルフィセンを構築する:トポロジ ファイルを生成するには、次のコマンドを発行します。次に、viコマンドでprp-wat.psfを開き、H1の質量を1.00800から2.01600に変更し、ポルフィセンの1つの分子内水素原子を重水素に置き換え、単一重水素置換ポルフィセンを構築します。 </li>
	<li>
通常の MD シミュレーション パラメータを設定します。入力メソッドscctb、整数0.5 fs、およびviコマンドで開くことによって MD 入力ファイルのカットオフ 12。 注: vdW と静電相互作用の両方を計算するために、カットオフ距離 12 Å を採用します。DFTB/MIO法22でポルフィセン分子をシミュレートします。MD シミュレーションの積分時間ステップを 0.5 fs に設定します。ランゲビンサーモスタットでシミュレーションシステムの温度を300Kに維持します。次に、以下の手順に従って QM4D ソフトウェアを使用してシミュレーションを実行します。</li>
</ol>2. プレシ座
<ol><li>
温度パラメータの設定:入力ファイルにtemplow 260、temphigh 1100およびntemp 160を入力します。 注:260Kから1100Kまでの温度範囲は、MDシミュレーション中にQM4Dソフトウェアによって160温度ポイントに広がりました。テンプレート入力ファイルは、補足ファイルに含まれています。</li>
	<li>
プレシ座を開始する:入力ファイルにruntype 100とステップ 120,000を設定します。次に、次のコマンドを発行します: $PATH/qm4d $INPUTFILE >$OUTPUTFILE. 注: 合計ステップは 120,000 ですが、特定のニーズに応じて調整できます。MD シミュレーションの推奨パラメータは、$INPUTFILEに保存されます。 同じコマンドは、次のオプトシストおよび本番シミュレーションステップでも使用され、それに応じて入力ファイルが変更されます。</li>
	<li>
分解エネルギーの計算
	<ol>
<li>エネルギー変化の抽出: プレシストステージでは、各項のエネルギーを監視して平均値を計算します(図1に示すように)。grep Linux コマンドを使用して、次のようにエネルギーを抽出します。 grep 'SITS-ener0' $INPUTFILE | awk '{a+=$3;b+=$4;c+=$5}END{印刷 a/NR、b/NR、c/NR}</li>
		<li>MD 入力ファイルの平均エネルギーを変更する: 上記のコマンド ラインの出力に基づいて平均エネルギーを計算し、新しく生成された平均を持つ入力ファイル内の入力ファイルのvshift0 -30801.95; vshift1 -26.88; vshift2 -13888.28を変更します。 注: 数値 -30801.85、-26.88 および -13888.28 は、現在のモデル システムの平均エネルギーです。特定のシステムに基づいて値を変更してください。</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. オプトシ座
<ol><li>
オプトシ座を開始する:入力ファイルに runtype 0を設定します。次に、手順 2.2 に示すようにコマンドを入力して QM4D プログラムを開始し、最適化ステップを開始します。</li>
	<li>
エネルギー変化の監視とnk 値。
	<ol>
<li>「恵み」プログラムでエネルギー伝播をプロットし、エネルギー変動が温度範囲の最も低い端と最高端をカバーできることを確認します。</li>
		<li>最適化後、opt-sthe ステップの最後のnk値を新しいファイルに保存します。</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. 本番シミュレーションの実行
<ol><li>
MD 入力ファイルの準備:新しい入力ファイルにruntype 1を設定して、生産シミュレーション ステップを開始します。格納されているnkファイルのファイル名を、入力ファイルにnkfile nk.datとして指定します。現在のシステムでは、時間ステップ数を6,400,000に設定しました。</li>
	<li>
本番MDシミュレーションの開始:MD シミュレーションを開始するには、次のコマンドを発行します: $PATH/qm4d $INPUTFILE >$OUTPUTFILE. 注: n k値が QM4D ソフトウェアによって読み込まれる可能性があることを確認します。シミュレーション時間はシステムに依存するため、特定の要求に基づいてシミュレーションステップを変更します。独自のシステムに十分なシミュレーション時間を確保するために、適切な時間ステップを選択します。この手順には時間がかかる可能性が高いので、再起動ファイルを保存して、一度中断された後の最初から本番環境を再起動しないようにします。</li>
</ol>5 データ分析
<ol><li>
距離の変化の監視
	<ol>
<li>生産段階で結合形成および破断プロセスを監視し、grepコマンドを使用してシミュレーション時間に沿って H1-N1 および H1-N2 の距離変化を確認します。H2-N3およびH2-N4についても同じ操作を行うことができます。次に、生産シミュレーション中に累積距離値を使用して距離伝播をプロットします。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
反応座標の抽出
	<ol>
<li>grepコマンドによって QM4D によって生成された生産出力ファイルから反応座標とエネルギー項を抽出します。 グレップ 'dist 1' $OUTPUTFILE |awk '{印刷 $5}' > 距離1; グレップ 'ener0' $OUTPUTFILE > ener0.
</li>
		<li>q 1、q 2、U0、U' の 4つの列にデータを編成し、各時間枠でデータ ファイルに書き込みます。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
自由エネルギーの計算
	<ol>
<li>次のコマンドを発行して自由エネルギーを計算します。 sits-pmf 300 $INPUTFILE PMF2 [hist_minx hist_maxx num_binsx] [hist_miny hist_maxy num_binsy] > $OUTPUTFILE. 注: sits-pmf はヒストグラムベースの分析方法です。[hist_minx hist_maxx num_binsx] は、最初の反応座標のビンの範囲と数を定義します。2番目の反応座標は[hist_miny hist_maxy num_binsy]によって設定できます。</li>
		<li>2 次元ランドスケープに自由エネルギーを投影するには、次のコマンドを入力します。 sat-pmf 300 h1-2d.dat PMF2 -0.6 0.6 24 2.45 4.25 36 > sits-pmf.out. 注: 2 つの選択された反応座標 (q1と q 2) の距離の変化をカバーするために、合計 24 個のビンと 36 個のビンを使用します。各水素/重水素の 2D PMF データをsits-pmf.outファイルに保存します。</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>

著者は何も開示していない。

ポルフィセンの構造を図1に示した。SITS法による静電埋め込みQM/MMハイブリッド電位は、水中23,24における化学反応を記述するために用いられた。陽子転移はポルフィセン3内で起こり、したがってポルフィセンはQM領域として設定され、リマインダー水はMM領域として設定されます。ここでは、効率と精度のバランスをとり、ポルフィセンを治療するためのQM法としてDFTB/MIOを採用しました22,25.サンプリング強化技術として、SITSシミュレーションは、Usの高エネルギー領域への分布を広げ、その間、目的の温度でエネルギー領域の周りに十分なサンプリングを維持することが示された。現在の場合、「オプトシッツ」ステップにおけるUsのエネ...

ポルフィセンにおける陽子転写プロセスは、分子スイッチ、トランジスタおよび情報記憶装置1、2の開発における潜在的な応用を有する。特に、二重陽子転写プロセスを介したポルフィセンにおけるツオテナライゼーションは、分光法および光物理学2の分野で広く関心を集めている。ポルフィセンの内部水素原子は、図1に示すように二重陽子伝達プロセスを介して、一方のトランス異性ソーマーから他の等価なトランス異性ソーマーに移行することができる。二重陽子転写プロセスには2つのメカニズムが提案されている:協調および段階的なメカニズム3、4。協調二重陽子転写プロセスでは、両方の陽子原子が対称的な方法で同期的に遷移状態に移動するのに対称的な方法で、一方の陽子はステップワイズプロセスで他方の陽子の前に転写を完了する。2つの水素原子は、2つの水素原子間の相関強度に応じて同時または段階的に移動することができる5。
同位体置換は、分子の構造特性および反応動態のレート定数6を検出するために使用されてきた。ポルフィセンの内部水素における単一重水素置換は、分子の非対称形状につながる。水素結合は、水素原子と重水素原子の質量差により膨張または収縮する可能性がある。同位体置換は、ポルフィセンの足場に摂動を導入する。非対称構造が陽子転写プロセスに影響を与えるかどうかという疑問が生じます。リンバッハと同僚は、水素を重水素と交換すると水素結合が両方を圧縮し、ポルフィセンにおける2つの水素結合の協調結合が協調メカニズム7を支持する可能性があると報告した。重水素化は、段階的なメカニズムが協調メカニズム8よりも寄与するだろう。力分光などの実験技術は、単一のポルフィセン9でツトウマライゼーションの詳細を捕捉するために開発された。しかし、一過性の性質上、プロトン転移の原子的詳細を実験的に決定することは依然として困難である。
理論的な計算とシミュレーションは、陽子転写の反応機構を解明する際の補完的なツールとして機能する。異なる理論的方法の中で、分子力学(MD)シミュレーションは、各原子の動的運動を監視することができ、化学的および酵素反応の複雑なメカニズムを明らかにするために広く使用されてきました。ただし、通常の MD シミュレーションでは、特に関心のあるプロセスに高エネルギーバリアが存在する場合は、サンプリングの問題が不十分な傾向があります。したがって、拡張サンプリング方法は、遷移経路サンプリング10、11、傘サンプリング(米国)12、13、および統合焼戻しサンプリング(ITS)14を含む、 15.異なる強化されたサンプリング方法の組み合わせは、さらにサンプリング効率16、17、18を高めることができます。化学反応のシミュレーションにおける強化されたサンプリングアルゴリズムを利用するために、我々は最近19の量子機械および分子機械(QM/MM)電位を有する選択的統合焼戻しサンプリング(SITS)法を実施した。提案されたSITS-QM/MM法は、両方の方法からの利点を組み合わせた:SITS法はサンプリングを加速し、反応メカニズムの事前の知識なしですべての可能な反応チャネルを探索することができ、QM/MMはより正確な説明を提供するMMメソッドだけではシミュレートできない結合形成および結合破壊プロセス。実装されたSITS-QM/MMアプローチは、反応座標19を事前に定義することなく、異なるシステムにおける協調二重陽子転写、相関性のない、相関性の高い二重陽子伝達機構を発見することに成功した。ポルフィセンの場合、ステップワイズが相関する陽子転写特性が19と報告されている。ハイブリッドSITS-QM/MM法は、本研究におけるポルフィセンにおける同位体効果を調えるために用いられ、以下は我々の方法のアルゴリズムとプロトコルの詳細な説明である。
ハイブリッドQM/MMポテンシャルを持つSITS方式を実装しました。SITSの有効な電位は、より広い温度範囲をカバーするために、重み付け係数n kと異なる温度での潜在的なエネルギーを含むように定義されました。
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ01.jpg">
ここで、N は正規項の数であり、β kは逆温度であり、n kは各正規成分に対応する重み付け係数です。UE (R) およびUN(R) は、SITS の拡張用語および非拡張用語を表し、
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ02.jpg">
Us、U seおよびU eは、サブシステムの潜在的なエネルギー、サブシステムと環境との相互作用、および環境の潜在的なエネルギーである。QM/MM電位は、3つのコンポーネントのハイブリッド合計として表され、
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ03.jpg">
ここで、U qm、U qm/mm、およびUmmは、QM サブシステムの内部エネルギー項、QM 領域と MM 領域間の相互作用エネルギー、および MM サブシステム内の相互作用エネルギーです。Uqm/mm項は、静電、ファンデルワール、およびQMとMM原子間の共生相互作用エネルギー条件を含む3つの成分にさらに分割することができ、
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ04.jpg">
SITS<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ05.jpg">の<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ06.jpg">1 つのU用語に割り当てます。
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ07.jpg">
その後、システムの全電位は、サブシステムUsのエネルギー、サブシステムと環境U seとの相互作用エネルギー、および環境U eのエネルギーに分解された。例えば、本作業のシステムでは、サブシステムはポルフィエンスであり、環境は水である。
集合変数τ(R) に沿った PMF プロファイルは、
<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ08.jpg">
N1-H1···N2は q1 = (r1-r2)/2 = r 1 + r 2であり、1 は N1-H1 の距離であり、r2はの距離です。H1 -N2
この方法は、QM/MM MD シミュレーション パッケージ QM4D20で実装されています。完全なソースコードとドキュメントは、こちらのhttp://www.qm4d.info/。
一般に、SITS-QM/MM MD シミュレーションには、事前平衡(プレシスト)の 4 つのステップが含まれます。最適化nk (オプトシティング);生産シミュレーションとデータ分析を行います。

<table><tbody><tr><td>オペレーティングシステム</td><td>CentOS Linuxリリース6.0</td><td></td><td></td></tr><tr><td>QM4Dソフトウェア</td><td>http://www.qm4d.info/</td><td></td> <td>インハウスプログラム</td></tr><tr><td>コンピューターデスクトップ</td><td>HP</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

強化されたqm/mm法によるポルフィセンの二重陽子転写過程における同位体効果

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

ポルフィセンにおける単一重水素置換は非対称分子幾何学を引き起こし、ポルフィセン分子における二重陽子転写プロセスに影響を与える可能性がある。本研究では、SITS-QM/MMと呼ばれる高められたQM/MM法を用いて、ポルフィセンにおける二重陽子転写に対する水素/重水素(H/D)同位体の影響を調べた。SITS-QM/MM分子ダイナミクスシミュレーションにおける距離変化は、重水素置換ポルフィセンがステップワイズ二重陽子伝達機構を採用していることを示唆した。二重陽子転写プロセスの構造解析と自由エネルギーシフトは、非対称同位体置換が共生水素結合を代入して圧縮し、元の遷移状態位置を変化させる可能性があることを示した。

ポルフィセンにおける二重陽子転写プロセスに対する単一重水素置換効果を現在のプロトコルで検討した(図1)。QMサブシステムの潜在的なエネルギーと、平衡前および最適化ステップ中の水を調べ、エネルギーが広がるエネルギー範囲に広がっていることを確認した(図2)。代表的な距離と角度の変化(図3および図4)と、投影された自由エネルギー変化(図5)を用いて、重水素置換が幾何学および陽子転写プロセスに及ぼす重水素置換効果を特徴付ける。ポルフィセン。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60040/60040fig01.jpg"> 図 1...

強化されたQM/MM法を用いて、ポルフィセンにおける二重陽子転写プロセスに対する同位体効果を調べたプロトコルを紹介する。

強化されたQM/MM法によるポルフィセンの二重陽子転写過程における同位体効果

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

拡張されたQM/MM法は、通常のQM/MMシミュレーションにおける単純な問題を克服します。6つのQM/MM法はQM領域の選択アセンブリを加速し、反応の座標を定義する化学反応経路を捕捉できる。このプロトコルにより、二重陽子移動の化学反応経路を捕捉し、水中でのプロバンシーの伝達機構に対する重水素置換効果を明らかにしました。このプロトコルは、創薬における熱同定におけるハロゲンまたは重水素置換を探索するために使用することができる。シックスQM/MM法の主な利点は、反応機構を探索する際に、塩水反応座標を定義したり、化学反応経路のデバイスを導入したりする必要がなさ、という点です。反応から可能な反応経路を特定することができます。高レベルのQM法にまで拡張して使用できる方法は、溶液中の化学反応の反応機構を調べる重要なツールとなり得る。この手順を開始するには、runtype を 100、temp0 を 300、templow を 260、temphigh を 1300、入力ファイルで 120,000 としてステップを設定してプリセットを開始します。次に、次に示すように適切なコマンドを発行します。プリセットステージで、各項のエネルギーを監視して平均値を計算します。grep Linux コマンドを使用してエネルギーを抽出します。md-input ファイルの平均エネルギーを変更するには、前のコマンド ラインの出力に基づいて平均エネルギーを計算し、新しく生成された平均値を使用して入力ファイルの v シフト行を変更します。最適化ステップを開始するコマンドを入力して、QM4D プログラムでオフセットを開始します。次に、恵みプログラムでエネルギー伝搬を接続し、エネルギー変動が温度範囲の最低端と最高端をカバーできることを確認します。最適化後、オフセットステップの最後のnk値を、nkという名前の新しいファイルに保存します。このプロトコルでダット。md-input ファイルを準備するには、新しい入力ファイルで runtype を 1 つとして設定し、シミュレーションの運用ステップを開始します。保管される nk ファイルを含むファイル名を nkfile nk として指定します。入力ファイルに dat.現在のシステムでは、時間ステップ数を 6,400,000 に設定しました。シミュレーションカウンタはシステムに依存するため、特定の需要に基づいてシミュレーション統計を変更します。独自のシステムのさまざまな状態間の周辺遷移に使用する適切な時間ステップ数を選択します。これらのシミュレーションでの初期生産は、MDシミュレーションを開始するための適切なコマンドを発行することによって、製造段階でボンドの形成と破断のプロセスを監視するには、grep コマンドを使用して、シミュレーション時間に沿って H1N1 と H1N2 の距離変化を確認します。H2N3およびH2N4に対して同じ操作を行うことができます。次に、シミュレーション中に累積距離値を使用して距離伝搬を接続します。grepコマンドでQM4Dによって生成された出力ファイルから反応座標とエネルギー用語を抽出します。データを 4 つの列に整理し、各タイムフレームでデータ ファイルに書き込みます。適切なコマンドを発行して、自由エネルギーを計算します。最後に、2 次元の景観に自由エネルギーを投影するには、適切なコマンドを入力します。ポルフィセンにおける二重陽子転移過程に対する単重水素置換効果を現在のプロトコルで調べた。QMサブシステムの潜在的エネルギー、および事前平衡および最適化ステップ中の水は、環境のエネルギーに影響を与えることなく、より広いエネルギー範囲にQM領域のエネルギーが広がっていることを確認するために確認された。代表的な距離と角度の変化、および予測された自由エネルギー変化は、ポルフィセンの幾何学的および陽子移動プロセスに対する重水素置換効果を特徴付けるために使用された。6つのQM/MM法はエネルギー空間で強化されたアセンブリを達成する。指定された合併範囲は、より広いエネルギー分布を達成する必要があります。この方法は、あなたが得た反応チャネルの上部を捕捉するだけでなく、反応機構から生じる標準反応状態から反応生成物を同定する可能性もあります。このプロトコルは、凝縮環境における化学反応機構を調査する出発点として機能します。より高いレベルのQM法を6つのQM/MM法と容易に組み合わせて、将来より複雑なシステムを探索することができます。

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化学

このビデオでは、15のN標識野生型および変異型エンボプラキンタンパク質と非標識ビメンチンタンパク質との間のタンパク質間相互作用を研究するための核磁気共鳴分光法の技術について説明しています。野生型エンボプラキンとビメンチンとの相互作用が成功すると、NMRスペクトルでは広範な線幅が広がり、ピークが消失しますが、変異したエンボプラキンとビメンチンとの間に相互作用がないと、NMRスペクトルではピークが十分に分解されます。...

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電子常磁性共鳴イメージングを使用した多孔質体でゲスト分子の拡散の場の監視で

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ヒドラゾンフォトスイッチの光異性化量子収率の決定

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マウスの臓器内の亜鉛同位体比を高精度で測定する技術を紹介します。...

マウス臓器に印加される高精度の亜鉛同位体測定

この論文では、犠牲基板上の共役微多孔性ポリマー(CMP)の界面合成と、自立型CMPナノメンブレンの調製のための基板の溶解について説明します。さらに、壊れやすいナノメンブレンを他の基板にどのように転写できるかについても説明します。...

層ごとの合成と自立共役高分子ナノ薄膜マイクロポーラスの譲渡

ディスコティックリン酸ジルコニウムの二次元モデル材料を開発しました。ラメラ構造を有する無機結晶は、水熱法、還流法、およびマイクロ波支援法によって合成されました。有機分子による剥離により、層状結晶を単分子膜に変換することができ、十分な濃度の単分子膜でネマチック液晶相が形成されました。...

コロイド液の結晶を得ることが合成とディスコティックリン酸ジルコニウムの剥離

学ぼう、強化されたQM/MM法を用いてポルフィセンの二重陽子転写過程における重水素置換効果を解析する計算化学的手法。このプロトコルは反応経路の特定に有用であり、創薬研究への応用が期待されます。

強化されたQM/MM法によるポルフィセンの二重陽子転写過程における同位体効果

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