Name: Isotopic effect in dubbele Proton overdracht proces van Porfycene onderzocht door verbeterde QM/MM-methode (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-07-19T15:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 51 s
Description: Ontdek de verbeterde QM/MM-methode voor het simuleren van dubbele protonoverdracht in porfycene. Deze techniek onthult isotopische effecten van deuteriumvervanging en versnelt chemische reactiepaden voor biochemisch onderzoek.

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

Dit onderzoek wordt ondersteund door het National Key Research and Development Program van China (2017YFA0206801, 2018YFA0208600), Natural Science Foundation of Jiangsu Province, en National Natural Science Foundation of china (91645116). L. X is de Zhong-Wu speciaal benoemd tot hoogleraar aan de Jiangsu University of Technology. De auteurs erkennen de suggesties van Dr. Hao HU en Dr. Mingjun Yang.

1. bouwmodel
<ol><li>
Bouw porfycene structuur: Open Gaussview software door te dubbelklikken op de muis. Klik vervolgens op element fragment knop in het menu van de gaussview om de benodigde elementen te kiezen. Construct porphycene. Dan klikken filet knop om op te slaan als het PDB-bestand.</li>
	<li>
Het model Solveren: Solvate porphycene in een kubieke TIP3P21 water box met een rand lengte van 38 Å door het commando in het Linux-besturingssysteem: genbox_d-CP PRP-Vac. pdb-CS spc216. gro-o SOLV. pdb-maxsol 1484-Box 3,8.
</li>
	<li>
Bouwen deuterium porfycene: De volgende opdracht voor het genereren van topologie bestand: cns < ppi_solv. inp. Open vervolgens PRP-wat. psf met VI Command en verander de massa van H1 van 1,00800 naar 2,01600 om een intramoleculair waterstofatoom van porfycene te vervangen door deuterium om één deuterium gesubstitueerd porphycene te bouwen.</li>
	<li>
Stel normale MD-simulatie parameters in: Invoer methode scctb, integraal 0,5 FS, en cutoff 12 in de MD-invoerbestand door deze te openen met de opdracht VI . Opmerking: Adopteer een afsluit afstand van 12 Å voor het berekenen van zowel vdW als elektrostatische interacties. Simuleer het porfycene molecuul met DFTB/MIO methode22. Stel de integratie tijdstap in als 0,5 FS voor MD-simulaties. Handhaaf de temperatuur van het simulatie systeem op 300 K met Langevin thermostaat. Voer vervolgens de simulaties uit met QM4D-software volgens de onderstaande stappen.</li>
</ol>2. vooraf zit
<ol><li>
Temperatuur parameters instellen: Invoer templow 260, temphigh 1100 en ntemp 160 in het invoerbestand. Opmerking: het temperatuurbereik van 260K tot 1100K is door QM4D -software verdeeld naar 160 temperatuur punten tijdens MD-simulaties. De sjabloon invoerbestanden zijn opgenomen in aanvullende bestanden.</li>
	<li>
Start de pre-zit: Stel RunType 100 en stap 120.000 in het invoerbestand. Voer vervolgens de volgende opdracht uit: $Path/qm4d $INPUTFILE > $OUTPUTFILE. Opmerking: de totale stap is 120.000, maar kan worden aangepast afhankelijk van de specifieke behoefte. De voorgestelde parameters van MD-simulaties worden opgeslagen in de $INPUTFILE. Dezelfde opdracht wordt ook gebruikt in de volgende stappen voor opt-zit en productie simulatie, met het invoerbestand dienovereenkomstig gewijzigd.</li>
	<li>
Berekening van de gedecomponeerde energieën
	<ol>
<li>Energie-veranderingen te extraheren: tijdens de pre-zit fase, bewaken van de energie van elke term voor het berekenen van de gemiddelde waarden, zoals weergegeven in Figuur 1. Gebruik grep- Linux commando om de energie als volgt te extraheren: grep-' zit-ener0 ' $INPUTFILE | awk ' {a + = $3; b + = $4; c + = $5} einde {print a/nr, b/Nr, c/nr}.</li>
		<li>Wijzig de gemiddelde energieën in het MD-invoerbestand: Bereken de gemiddelde energieën op basis van de uitvoer van de bovenstaande opdrachtregel en wijzig de lijn vshift0-30801,95; vshift1-26,88; vshift2-13888,28 in het invoerbestand met de nieuw gegenereerde gemiddelden. Opmerking: getallen-30801,85,-26,88 en-13888,28 zijn de gemiddelde energieën in het huidige modelsysteem. Wijzig de waarden op basis van de specifieke systemen.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. opt-zit
<ol><li>
Start opt-zit: Stel RunType 0 in het invoerbestand in. Start vervolgens het QM4D-programma door de opdracht te typen zoals weergegeven in stap 2,2 om de optimalisatie stap te starten.</li>
	<li>
Het monitoren van de energie veranderingen en nk waarden in.
	<ol>
<li>Plot de energie propagatie met "Grace" programma en zorg ervoor dat de energie schommeling de laagste en de hoogste uiteinden van het temperatuurbereik kan bedekken.</li>
		<li>Na de optimalisatie, sla de laatste nk waarden van de opt-zit stap in een nieuw bestand, die wordt genoemd als NK. dat in dit protocol.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. productie simulaties uitvoeren
<ol><li>
MD-invoerbestand voorbereiden: Stel RunType 1 in het nieuwe invoerbestand in om de productie simulatie stap te starten. Geef de bestandsnaam van het opgeslagen nk -bestand op als nkfile NK. dat in het invoerbestand. Het aantal tijd stappen is ingesteld als 6.400.000 in de huidige systemen.</li>
	<li>
Start de productie-MD-simulatie: Vraag de volgende opdracht om MD-simulaties te starten: $Path/qm4d $INPUTFILE > $OUTPUTFILE. Opmerking: Zorg ervoor dat de nk -waarden kunnen worden gelezen door de qm4D-software. De simulatie tijd is afhankelijk van het systeem, dus Verander de simulatie stap op basis van specifieke eisen. Selecteer een behoorlijk aantal tijd stappen om te zorgen voor voldoende simulatie tijd voor uw eigen systeem. Deze stap is waarschijnlijk tijdrovend, dus Save restart bestanden om te voorkomen dat de productie vanaf het allereerste begin opnieuw te starten als verstoord.</li>
</ol>5 data-analyse
<ol><li>
De afstands wijzigingen controleren
	<ol>
<li>Bewaak de bindings vorming en het breek proces tijdens de productiefase, gebruik de grep- -opdracht om de afstands wisselingen van H1-N1 en H1-N2 langs de simulatie tijd te controleren. Dezelfde bewerking kan worden uitgevoerd voor H2-N3 en H2-N4. Plot vervolgens de afstand propagatie met behulp van de verzamelde afstand waarde tijdens de productie simulaties.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Reactie coördinaten uitpakken
	<ol>
<li>Extraheer de reactie coördinaten en de energie termen uit het productie-output bestand gegenereerd door QM4D door grep- Command: grep-' dist 1 ' $OUTPUTFILE | awk ' {Print $5} ' > distance1; grep-' ener0 ' $OUTPUTFILE > ener0.
</li>
		<li>Organiseer gegevens in vier kolommen: q1, q2, u0 en U ' (u0 en u ' zijn de output normale energie en gewogen energie), en schrijf ze in het gegevensbestand op elk tijdsbestek.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Vrije energie berekenen
	<ol>
<li>Bereken de vrije energie door het volgende commando uit te vaardigen: zit-pmf 300 $INPUTFILE PMF2 [hist_minx hist_maxx num_binsx] [hist_miny hist_maxy num_binsy] > $OUTPUTFILE. Opmerking: zit-PMF is de op histogram gebaseerde analysemethode. [hist_minx hist_maxx num_binsx] definieert het bereik en het aantal opslaglocaties voor de eerste reactie coördinaat. De tweede reactie coördinaten kunnen worden ingesteld door [hist_miny hist_maxy num_binsy].</li>
		<li>Als u de vrije energie wilt projecteren op het tweedimensionale landschap, typt u de volgende opdracht: zit-pmf 300 H1-2D. dat PMF2-0,6 0,6 24 2,45 4,25 36 > sits-PMF. uit. Opmerking: gebruik in totaal 24 opslaglocaties en 36 opslaglocaties om de wijzigingen in de afstand in twee geselecteerde reactie coördinaten, respectievelijk q1 en q2, te dekken. Sla de 2D PMF-gegevens voor elke waterstof/deuterium op in het bestand 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>

De auteurs hebben niets te onthullen.

De structuur van porfycene werd getoond in Figuur 1. De elektrostatische insluiting qm/mm hybride potentiaal met de zit-methode werd gebruikt om de chemische reacties in water te beschrijven23,24. De Proton overdracht vindt plaats binnen porphycene3 en dus wordt porfycene ingesteld als qm-regio en wordt het herinnerings water ingesteld als mm-regio. Hierin hebben we dftb/Mio goedgekeurd als onze qm-methode om ...

Het proton overdrachtsproces in porphycenes houdt potentiële toepassingen bij het ontwikkelen van moleculaire switches, transistors en informatieopslag apparaten1,2. In het bijzonder heeft tautomerisatie in porphycenes via Double Proton Transfer proces grote interesse in de velden van spectroscopie en photophysics2aangetrokken. De binnenste waterstofatomen van porfyceen kunnen van de ene trans -isomeer naar het andere gelijkwaardige trans -isomeer migreren door middel van een dubbel Proton overdrachtsproces zoals afgebeeld in figuur 1. Er zijn twee mechanismen voorgesteld voor het overdrachtsproces van dubbele Proton: het gecoördineerde en het stapsgewijze mechanisme3,4. In het gecoördineerde dubbele Proton-overdrachtsproces gaan beide Proton-atomen synchroon op een symmetrische manier over op de overgangstoestand, terwijl één proton de overdracht voor de andere Proton voltooit in een stapsgewijs proces. Twee waterstofatomen kunnen gelijktijdig of stapsgewijs worden overgedragen, afhankelijk van de correlatie sterkte tussen twee waterstofatomen5.
Isotopic substitutie is gebruikt om de structurele eigenschappen van moleculen en frequentie constanten van reactiekinetiek6te detecteren. Enkele deuterium substitutie in de binnenste waterstof van porfycene leidt tot een asymmetrische vorm van het molecuul. De waterstof binding kan uitbreiden of contracteren vanwege het massaverschil tussen de waterstof-en deuterium-atomen. De isotopen substitutie introduceert een perturbatie in de steiger van porfycene. De vraag rijst of asymmetrische structuur het proton overdrachtsproces zou beïnvloeden. Limbach en collega's meldden dat de vervanging van waterstof met deuterium beide waterstofbindingen zal comprimeren, en de coöperatieve koppeling van twee waterstofbindingen in porfyceen kan de gunst van een gecoördineerd mechanisme7, terwijl Yoshikawa verklaarde de deuteration zou ervoor zorgen dat het stapsgewijze mechanisme meer bijdraagt dan het gecoördineerde mechanisme8. Experimentele technieken, zoals kracht spectroscopie, zijn ontwikkeld om tautomerization Details in één porphycene9te vangen. Het is echter nog steeds een uitdaging om de atoom Details van Proton Transfer experimenteel te bepalen vanwege zijn voorbijgaande aard.
Theoretische berekeningen en simulaties kunnen fungeren als complementaire tools in het verhelderend werk van de reactiemechanismen van Proton Transfer. Onder verschillende theoretische methoden kunnen moleculaire dynamiek (MD) simulaties dynamische bewegingen van elk atoom monitoren en is op grote schaal gebruikt om complexe mechanismen in chemische en enzymatische reacties te onthullen. Reguliere MD-simulaties hebben echter de neiging te lijden onder onvoldoende sampling, vooral wanneer er een hoge energie barrière bestaat in het proces van belang. Daarom zijn er verbeterde bemonsteringsmethoden ontwikkeld, waaronder overgangs traject bemonstering10,11, Umbrella sampling (US)12,13en geïntegreerde temperings sampling (ITS)14, 15. Combinatie van verschillende verbeterde bemonsteringsmethoden kan de bemonsterings efficiëntie verder verhogen16,17,18. Om de verbeterde sampling algoritmes te benutten bij het simuleren van chemische reacties, hebben we de selectieve geïntegreerde temperen sampling (zit)-methode geïmplementeerd met quantum mechanische en moleculaire mechanische (QM/mm) mogelijkheden recent19. De voorgestelde zit-QM/MM-methode combineert de voordelen van beide methoden: de zit-methode versnelt de bemonstering en kan alle mogelijke reactie kanalen verkennen zonder voorafgaande kennis van het reactiemechanisme, en QM/MM biedt een nauwkeurigere beschrijving van de obligatie vormende en obligatie breken proces, die niet kan worden gesimuleerd door MM methoden alleen. De geïmplementeerde zit-qm/mm-aanpak heeft met succes de gezamenlijke dubbele Proton overdracht, ongecorreleerde en gecorreleerde stapsgewijze Double Proton Transfer mechanisme in verschillende systemen blootgelegd, zonder vooraf te definiëren reactie coördinaten19. Voor porfycene is het stapsgewijze maar gecorreleerde Proton overdrachts karakter gerapporteerd19. De Hybrid zit-qm/mm methode werd gebruikt om het isotopen effect in porphycene in onze studie te onderzoeken, en hieronder zijn de gedetailleerde beschrijvingen van het algoritme en Protocol van onze methode.
We hebben de zit methode geïmplementeerd met Hybrid QM/MM potentials. Het effectieve potentieel van zit werd gedefinieerd om de potentiële energie bij verschillende temperaturen op te nemen met de wegingsfactoren nk om bredere temperatuurbereiken te bedekken,
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ01.jpg">
waar, n is het aantal canonieke termen, βk is de inverse temperatuur, en nk is de bijbehorende wegingsfactor voor elke canonieke component. UE R) en UN(r) vertegenwoordigen de verbeterde en niet-verbeterde termen in zit en worden gedefinieerd als,
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ02.jpg">
U s, use en ue zijn de potentiële energie van het subsysteem, de interactie tussen het subsysteem en het milieu, en de potentiële energie van het milieu. QM/MM potentiaal wordt uitgedrukt als een hybride sommatie van drie componenten,
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ03.jpg">
waar uqm, uqm/mmen umm de interne energie periode van het QM-subsysteem zijn, de interactie-energie tussen de qm-en mm-gebieden en de interactie-energie binnen het mm-subsysteem, respectievelijk. De uqm/mm -term kan verder worden onderverdeeld in drie componenten, waaronder de elektrostatische, van der Waals-en covalente interactie-energie termen tussen de qm-en mm-atomen,
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ04.jpg">
We wijzen <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ05.jpg"> </img>toe, <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ06.jpg"> en in één Us -term in zit,
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ07.jpg">
Het volledige potentieel van het systeem werd vervolgens ontleed in de energie van het subsysteem us, de interactie-energie tussen het subsysteem en het milieu use, en de energie van milieu ue. Bijvoorbeeld, in het systeem van het huidige werk, het subsysteem is de porphycence, en het milieu het water.
Het PMF-profiel langs een collectieve variabele τ(R) is afgeleid
<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ08.jpg">
De algemeen gebruikte reactie coördinaten voor elke waterstof overdracht van N1−H1· · · N2 zijn q1 = (r1−r2)/2 en q2 = r1 + r2, waarbij1 de afstand is van N1-H1 en r2 de afstand van H1-N2.
De methode is geïmplementeerd in het QM/MM MD-simulatie pakket QM4D20. De complete broncode en documentatie vindt u hier: http://www.qm4d.info/.
In het algemeen, de zit-QM/MM MD simulaties omvatten vier stappen: pre-evenwicht (pre-zit); optimalisatie nk (opt-zit); productie simulatie en gegevensanalyse.

<table><tbody><tr><td>besturingssysteem</td><td>CentOS Linux release 6.0</td><td></td><td></td></tr><tr><td>QM4D software</td><td>http://www.qm4d.info/</td><td></td><td>intern programma</td></tr><tr><td>Computer desktop</td><td>HP</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

isotopic effect in dubbele proton overdracht proces van porfycene onderzocht door verbeterde qm/mm-methode

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

De enkelvoudige deuterium substitutie in porfycene leidt tot een asymmetrische moleculaire geometrie, die het dubbele Proton-overdrachtsproces in het porfycene molecuul kan beïnvloeden. In deze studie, we toegepast een verbeterde QM/MM-methode genaamd zit-QM/MM om te onderzoeken waterstof/deuterium (H/D) isotopen effecten op de dubbele Proton overdracht in porfycene. Afstand veranderingen in zit-qm/mm moleculaire dynamiek simulaties suggereerden dat de door deuterium gesubstitueerde porphycene het stapsgewijze Double Proton Transfer mechanisme adopteerde. Uit de structurele analyse en de vrije energie verschuivingen van het dubbele Proton overdrachtsproces bleek dat de asymmetrische substitutie van de covalente waterstofbindingen subtiel samengeperst is en de oorspronkelijke locatie van de overgangs staat kan veranderen.

Het enkele deuterium substitutie-effect op het dubbele Proton overdrachtsproces in porfyceen werd in het huidige protocol onderzocht (Figuur 1). De potentiële energie van QM-subsysteem en het water tijdens de pre-evenwichts-en optimaliserings stap werden gecontroleerd om ervoor te zorgen dat de energie is verbreed tot een breder energiebereik (Figuur 2). De representatieve afstand en hoek wijzigingen (Figuur 3 en <strong class="xfig...

Hier wordt een protocol weergegeven dat een verbeterde qm/mm-methode gebruikt om het isotopen-effect op het dubbele Proton-overdrachtsproces in porfycene te onderzoeken.

Isotopic effect in dubbele Proton overdracht proces van Porfycene onderzocht door verbeterde QM/MM-methode

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

Een verbeterde QM/MM-methode overwint eenvoudige problemen in de normale QM/MM-simulatie. De Six QM/MM-methode versnelt de geselecteerde assemblage voor het QM-gebied en kan de chemische reactietrajecten vastleggen die resulteren in het definiëren van reactiecoördinaten. Met dit protocol hebben we met succes een chemische reactietrajecten van dubbele protonoverdracht en een onthult een deuterium substitutie-effect op een overdrachtsmechanisme van herkomst in water.Het protocol kan worden gebruikt om halogeen of onze deuterium substitutie in warmte-identificatie in drugs ontdekking te verkennen. Het belangrijkste voordeel van Six QM/MM-methode is dat we het niet nodig hebben om pekelreactiecoördinaten te definiëren of een apparaat voor chemische reactieroute in te voeren bij het verkennen van het reactiemechanisme. in staat stellen om mogelijke reactietrajecten te identificeren die in reactie.De methode die kan worden gebruikt en uitgebreid tot een QM-methode op hoog niveau en het kan een belangrijk instrument worden om het reactiemechanisme voor chemische reactie in oplossing te onderzoeken. Om deze procedure te beginnen, start u de voorinstellingen door runtype in te stellen als 100, temp0 als 300, templow als 260, temphigh als 1300 en stap als 120.000 in het invoerbestand. Geef vervolgens de juiste opdracht uit zoals hier wordt weergegeven.Houd tijdens de vooraf ingestelde fase de energie van elke term in de gaten om de gemiddelde waarden te berekenen. Gebruik de grep Linux commando's om de energie te extraheren. Als u de gemiddelde energieën in het md-invoerbestand wilt wijzigen, berekent u de gemiddelde energieën op basis van de uitvoer van de vorige opdrachtregel en wijzigt u de v-shiftregel in het invoerbestand met de nieuw gegenereerde gemiddelden.Start verschuivingen in het QM4D-programma door de opdracht te typen om de optimalisatiestap te starten. Sluit vervolgens de energievoortplanting aan bij het genadeprogramma en zorg ervoor dat de energiefluctuatie de laagste en hoogste uiteinden van het temperatuurbereik kan bedekken. Sla na optimalisatie de laatste nk-waarden van de offsetstap op in een nieuw bestand dat nk wordt genoemd.dateert in dit protocol. Als u het md-invoerbestand wilt voorbereiden, stelt u het runtype in als een in het nieuwe invoerbestand om de stap productiesimulaties te starten. Geef de bestandsnaam op met het opgeslagen nk-bestand als nkfile nk.dat in het invoerbestand. Het aantal tijdstappen werd ingesteld als 6, 400.000 in de huidige systemen. De simulatie teller is systeem afhankelijk dus verander de simulatie stat op basis van uw specifieke vraag.Selecteer een juiste aantal tijdstap om te gebruiken voor marginale overgang tussen verschillende toestanden voor uw eigen systeem. Eerste de productie in deze simulatie, door de afgifte van de juiste opdracht om MD Simulaties te starten. Als u het bindings- en breekproces tijdens de productiefase wilt controleren, gebruikt u het grep-commando om de afstandswisselingen van H1N1 en H1N2 langs de simulatietijd te controleren.Dezelfde bewerking kan worden uitgevoerd voor H2N3 en H2N4. Sluit vervolgens de afstandsvoortplanting aan met behulp van de geaccumuleerde afstandswaarde tijdens de simulaties van de productie. Haal de reactiecoördinaten en de energietermen uit het productie-uitvoerbestand dat wordt gegenereerd door QM4D met de opdracht Grep.Organiseer de gegevens in vier kolommen en schrijf ze in elk tijdsbestek in het gegevensbestand. Bereken de vrije energie door de juiste opdracht uit te geven. Ten slotte, om de vrije energie project op de twee-dimensionale landschap, typ de juiste opdracht.Het enkelvoudige deuteriumsubstitutieeffect op het dubbele protonoverdrachtsproces in porfyceen werd onderzocht in het huidige protocol. De potentiële energie van het QM-subsysteem en het water tijdens de pre-evenwichts- en optimalisatiestappen werden gecontroleerd om ervoor te zorgen dat de energie van het QM-gebied was verbreed tot een breder energiebereik, zonder de energie van het milieu te beïnvloeden. De representatieve afstand en hoek veranderingen, en de verwachte vrije energie veranderingen werden gebruikt om de deuterium substitutie-effect op de geometrie en proton overdracht proces van porfyceen te karakteriseren.De Six QM/MM-methode zorgt voor een betere montage in de energieruimte. Het gespecificeerde fusiebereik moet leiden tot een bredere energiedistributie. Deze methode niet alleen vangen de top van reactiekanaal je hebt kan overbrengen, maar het heeft ook een potentieel van het identificeren van reactie producten uit norm reactie staten voortvloeien uit reactie mechanisme.Dit protocol fungeert als uitgangspunt om de chemische reactiemechanismen in een gecondenseerde omgeving te onderzoeken. QM-methoden op hoger niveau kunnen gemakkelijk worden gecombineerd met de Six QM/MM-methode om complexere systemen in de toekomst te verkennen.

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

Research

JoVE Journal

Chemistry

Scheikunde

This video describes the nuclear magnetic resonance spectroscopy technique to study protein-protein interactions between 15N-labeled wild-type and mutant envoplakin proteins and the unlabeled vimentin protein. The successful interaction between wild-type envoplakin and vimentin leads to extensive line broadening and peak disappearance in the NMR spectra, whereas the absence of an interaction between the mutated envoplakin and vimentin results in well-resolved peaks in the NMR spectra.

Nuclear Magnetic Resonance to Study Atomic Level Protein-Protein Interactions

Belangrijke stappen van eiwitfunctie, met name conformationele veranderingen in de ruggengraat en protonoverdrachtreacties, vinden vaak plaats op de microseconden tot milliseconden tijdschaal. Deze dynamische processen kunnen worden bestudeerd door middel van tijdopgeloste step-scan Fourier-transform infraroodspectroscopie, met name voor eiwitten waarvan de functie wordt geactiveerd door licht.

Proton Transfer en eiwitconformatie Dynamiek in lichtgevoelige eiwitten door Tijdsgeresolveerde Step-scan Fourier-Transform Infrared Spectroscopy

Het manuscript beschrijft een methode van door fononen geassisteerde quasi-resonante fluorescentiespectroscopie die zowel laser-gelimiteerde resolutie als fotoluminescentie (PL) spectroscopie omvat. Deze methode maakt gebruik van optische fononen om lijnbreedte-gelimiteerde resolutiespectra van atomachtige halfgeleiderstructuren in het energiedomein te leveren. De methode kan ook eenvoudig worden gerealiseerd met een enkele spectroscopische opstelling voor optische spectroscopie.

High Resolution Phonon ondersteunde Quasi-resonantie fluorescentiespectroscopie

Een protocol voor de in situ monitoring van de diffusie van gastmoleculen in poreuze media met behulp van elektroparamagnetische resonantie (EPR) beeldvorming wordt gepresenteerd.

In Situ Monitoring van Verspreiding van Guest Moleculen in poreuze media met behulp van Elektronen Paramagnetische Resonantie Imaging

Presenteren we een protocol voor indringende ultrasnelle vibrationele samenhangen in polyatomisch radicale caties die in moleculaire dissociatie resulteren.

Meting van de ultrasnelle vibrationele samenhangen in polyatomisch radicale caties met sterke-veld adiabatische ionisatie

Foto-isomerisatie kwantumopbrengst is een fundamentele fotofysische eigenschap die nauwkeurig moet worden bepaald in het onderzoek van nieuw ontwikkelde fotoschakelaars. Hier beschrijven we een reeks procedures om de foto-isomerisatie kwantumopbrengst van een fotochrome hydrazone te meten als een model bistabiele fotoschakelaar.

Bepaling van de foto-isomerisatie quantumopbrengst van een Hydrazone photoswitch

Hier gebruiken we een polymeerstabilisator om metaal-organische raamwerk (MOF) suspensies te bereiden die een duidelijk verminderde verstrooiing vertonen in hun grondtoestand en voorbijgaande absorptiespectra. Met deze MOF-suspensies biedt het protocol verschillende richtlijnen om de MOFs spectroscopisch te karakteriseren om interpreteerbare gegevens op te leveren.

Een technische gids voor het uitvoeren van spectroscopische metingen aan metaal-organische raamwerken

We presenteren de techniek om met hoge precisie zink-isotoopverhoudingen in muizenorganen te meten.

High Precision zink isotoopmetingen Toegepast op Mouse Organs

In dit artikel beschrijven we de interfaciale synthese van geconjugeerde microporeuze polymeren (CMP) op opofferende substraten, en de oplossing van het substraat voor de bereiding van vrijstaande CMP-nanomembranen. Bovendien zullen we beschrijven hoe de kwetsbare nanomembranen kunnen worden overgedragen naar andere substraten.

Layer-by-layer synthese en de overdracht van Vrijstaande geconjugeerde Microporous Polymer Nanomembranes

Een tweedimensionaal modelmateriaal van discotisch zirkoniumfosfaat werd ontwikkeld. Het anorganische kristal met gelaagdde structuur werd gesynthetiseerd door hydrothermale, reflux- en microgolfgeassisteerde methoden. Bij exfoliatie met organische moleculen kunnen gelaagde kristallen worden omgezet in monolagen, en een nematische vloeibare kristalfase werd gevormd bij voldoende concentratie van monolagen.

Synthese en afschilfering van discotische zirkonium Fosfaten om colloïdale vloeibare kristallen te verkrijgen

Ontdek de verbeterde QM/MM-methode voor het simuleren van dubbele protonoverdracht in porfycene. Deze techniek onthult isotopische effecten van deuteriumvervanging en versnelt chemische reactiepaden voor biochemisch onderzoek.

Isotopic effect in dubbele Proton overdracht proces van Porfycene onderzocht door verbeterde QM/MM-methode

Meer video's verkennen