Name: Efeito isotópico no processo de transferência de prótons duplo de Porficeno investigado por método Enhanced QM/MM (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-07-19T15:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 51 s
Description: Explore o método QM/MM aprimorado para investigar o efeito isotópico na transferência dupla de prótons em porficeno. Esta abordagem computacional revela mecanismos de reação química relevantes para descoberta de fármacos.

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Esta pesquisa é apoiada pelo programa de pesquisa e desenvolvimento chave nacional da China (2017YFA0206801, 2018YFA0208600), Fundação de ciência natural da província de Jiangsu, e Fundação Nacional de ciência natural da china (91645116). L. X é o Zhong-Wu especialmente nomeado professor da Universidade de tecnologia de Jiangsu. Os autores reconhecem as sugestões do Dr. Hao Hu e do Dr. Mingjun Yang.

1. modelo de construção
<ol><li>
Construa a estrutura do porphycene: Abra o software Gaussview , clique duas vezes no mouse. Em seguida, clique em elemento fragmento botão no menu do gaussview para escolher os elementos necessários. Construir porficeno. Em seguida, clique em arquivo botão para salvar como o arquivo PDB.</li>
	<li>
Solvate o modelo: Solvate porphycene em uma caixa de água TIP3P21 cúbico com um comprimento de borda de 38 Å emitindo o comando no sistema operacional Linux: genbox_d-CP PRP-VAC. pdb-cs spc216. Gro-o SOLV. pdb-MaxSol 1484-Box 3,8.
</li>
	<li>
Construa o deutério porphycene: Emita o seguinte comando para gerar o arquivo de topologia: cns < ppi_solv. inp. Em seguida, abra PRP-Wat. PSF com o comando vi e mude a massa de H1 de 1, 800 para 2, 1600 para substituir um átomo de hidrogênio intramolecular de porphycene com deutério para construir o único deutério substituído porfíceno.</li>
	<li>
Definir parâmetros de simulação MD normais: Método de entrada scctb, integral 0,5 FSe corte 12 no arquivo de entrada MD abrindo-o com o comando vi . Nota: Adote uma distância de corte de 12 Å para o cálculo de vdW e interações eletrostáticas. Simular a molécula de porficeno com o método DFTB/MIO22. Defina a etapa de tempo de integração como 0,5 FS para simulações MD. Manter a temperatura do sistema de simulação em 300 K com termostato Langevin. Em seguida, realize as simulações com o software QM4D seguindo os passos abaixo.</li>
</ol>2. pré-senta-se
<ol><li>
Configurar parâmetros de temperatura: Entrada templow 260, temphigh 1100 e ntemp 160 no arquivo de entrada. Nota: a faixa de temperatura de 260K a 1100K foi espalhada pelo software QM4D para 160 pontos de temperatura durante simulações MD. Os arquivos de entrada de modelo são incluídos em arquivos suplementares.</li>
	<li>
Iniciar o pre-senta-se: Defina argumento 100 e etapa 120.000 no arquivo de entrada. Em seguida, emita o seguinte comando: $Path/qm4d $INPUTFILE > $OutputFile. Nota: a etapa total é 120.000 mas pode ser ajustada dependendo da necessidade específica. Os parâmetros sugeridos das simulações MD são salvos no $INPUTFILE. O mesmo comando também é usado nas seguintes etapas de simulação de produção e opt-senta, com o arquivo de entrada modificado de acordo.</li>
	<li>
Calculando as energias decompostas
	<ol>
<li>Extraia as mudanças de energia: durante a fase pré-sentada, monitore a energia de cada termo para calcular os valores médios, como mostrado na Figura 1. Use grep comando Linux para extrair a energia da seguinte forma: grep ' senta-ener0 ' $INPUTFILE | awk ' {a + = $3; b + = $4; c + = $5} end {Print a/NR, b/NR, c/NR}.</li>
		<li>Modifique as energias médias no arquivo de entrada MD: Calcule as energias médias com base na saída da linha de comando acima e modifique a linha vshift0-30801,95; vshift1-26,88; vshift2-13888,28 no arquivo de entrada com as médias recém-geradas. Nota: os números-30801,85,-26,88 e-13888,28 são as energias médias no sistema modelo atual. Por favor, modifique os valores com base nos sistemas específicos.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. opt-senta-se
<ol><li>
Iniciar opt-senta-se: Defina o argumento 0 no arquivo de entrada. Em seguida, inicie o programa QM4D digitando o comando conforme mostrado na etapa 2,2 para iniciar a etapa de otimização.</li>
	<li>
Monitorizar as alterações energéticas e nk valores.
	<ol>
<li>Plotar a propagação de energia com programa de "graça" e certifique-se que a flutuação de energia pode cobrir as extremidades mais baixas e mais altas da faixa de temperatura.</li>
		<li>Após a otimização, salve os valores de nk finais da etapa opt-senta em um novo arquivo, que é nomeado como NK. dat neste protocolo.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. execução de simulações de produção
<ol><li>
Prepare o arquivo de entrada MD: Defina argumento 1 no novo arquivo de entrada para iniciar a etapa de simulação de produção. Especifique o nome do arquivo nk armazenado como nkfile NK. dat no arquivo de entrada. O número de etapas de tempo foi definido como 6,4 milhões nos sistemas atuais.</li>
	<li>
Inicie a simulação de MD de produção: Emita o seguinte comando para iniciar simulações MD: $Path/qm4d $INPUTFILE > $OutputFile. Nota: Certifique-se de que os valores de nk podem ser lidos pelo software qm4D. O tempo de simulação é dependente do sistema para alterar a etapa de simulação com base em demandas específicas. Selecione um número adequado de etapas de tempo para garantir o tempo de simulação suficiente para seu próprio sistema. Essa etapa é provavelmente demorada, portanto, salve os arquivos de reinicialização para evitar reiniciar a produção desde o início, uma vez interrompida.</li>
</ol>5 análise de dados
<ol><li>
Monitorando as mudanças de distância
	<ol>
<li>Monitore o processo de formação e quebra de vínculo durante a fase de produção, use o comando grep para verificar as mudanças de distância de H1-N1 e H1-N2 ao longo do tempo de simulação. A mesma operação pode ser conduzida para H2-N3 e H2-N4. Em seguida, plotar a propagação da distância usando o valor da distância acumulada durante as simulações de produção.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Extração de coordenadas de reação
	<ol>
<li>Extraia as coordenadas de reação e os termos energéticos do arquivo de saída de produção gerado pelo comando QM4D by grep : grep ' dist 1 ' $OUTPUTFILE | awk ' {Print $5} ' > distância1; grep ' ener0 ' $OUTPUTFILE > ener0.
</li>
		<li>Organize dados em quatro colunas: q1, q2, u0 e U ' (u0 e u ' são a energia normal de saída e energia ponderada), e escrevê-los no arquivo de dados em cada período de tempo.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Calculando a energia livre
	<ol>
<li>Calcule a energia livre emitindo o seguinte comando: senta-pmf 300 $INPUTFILE PMF2 [hist_minx hist_maxx num_binsx] [hist_miny hist_maxy num_binsy] > $OutputFile. Nota: senta-PMF é o método de análise baseado em histograma. [hist_minx hist_maxx num_binsx] define o intervalo e o número de compartimentos para a primeira coordenada de reação. As coordenadas da segunda reacção podem ser definidas por [hist_miny hist_maxy num_binsy].</li>
		<li>Para projetar a energia livre na paisagem bidimensional, digite o seguinte comando: senta-pmf 300 H1-2D. dat PMF2-0,6 0,6 24 2,45 4,25 36 > sits-PMF. out. Nota: Use um total de 24 escaninhos e 36 escaninhos para cobrir as mudanças de distância em duas coordenadas de reação selecionadas, q1 e q2, respectivamente. Salve os dados do PMF 2D para cada hidrogênio/deutério no arquivo 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>
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<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>
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<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>

Os autores não têm nada a revelar.

A estrutura do porphycene foi mostrada na Figura 1. O potencial híbrido de incorporação eletrostática de QM/mm com o método de senta foi utilizado para descrever as reações químicas na água23,24. A transferência de prótons ocorre dentro do porphycene3 e, assim, o porphycene é definido como região QM e a água lembrando é definida como região mm. Nisto adotamos dftb/Mio como nosso método QM para tratar o porphyc...

O processo de transferência de prótons em pórcenes detém potenciais aplicações no desenvolvimento de interruptores moleculares, transistores e dispositivos de armazenamento de informações1,2. Em particular, a tautomerização em porficenes através do processo de transferência de prótons duplo tem atraído grande interesse nos campos de espectroscopia e Fotofísica2. Os átomos de hidrogênio internos do porfíceno podem migrar de um isômero Trans para o outro isômero Trans equivalente através do processo de transferência de prótons duplo, como mostrado na Figura 1. Dois mecanismos foram propostos para o processo de transferência de prótons duplos: o mecanismo concertado e o Stepwise3,4. No processo de transferência de prótons duplo concertado, ambos os átomos de prótons movem-se para o estado de transição de forma síncrona de maneira simétrica, enquanto um próton conclui a transferência antes do outro próton em um processo Stepwise. Dois átomos de hidrogênio podem transferir simultaneamente ou Stepwise dependendo da força de correlação entre dois átomos de hidrogênio5.
A substituição isotópica tem sido utilizada para detectar as propriedades estruturais das moléculas e constantes de taxa de cinética de reação6. A única substituição do deutério no hidrogênio interno do porphycene conduz a uma forma assimétrica da molécula. A ligação de hidrogênio pode se expandir ou contrair por causa da diferença de massa entre os átomos de hidrogênio e deutério. A substituição isotópica introduz uma perturbação no andaime do porphycene. Surge a questão de saber se a estrutura assimétrica afetaria o processo de transferência de prótons. Limbach e colegas de trabalho relataram que a substituição de hidrogênio com deutério irá comprimir ambas as ligações de hidrogênio, e o acoplamento cooperativo de duas ligações de hidrogênio em porfíceno pode favorecer o mecanismo concertado7, enquanto Yoshikawa afirmou o o deuteração faria o mecanismo Stepwise contribuir mais do que o mecanismo concertado8. Técnicas experimentais, como espectroscopia de força, foram desenvolvidas para captar detalhes de tautomerização em um único porphycene9. No entanto, ainda é desafiador determinar os detalhes atômicos da transferência de prótons experimentalmente por causa de sua natureza transitória.
Cálculos teóricos e simulações podem atuar como ferramentas complementares na elucidatação dos mecanismos de reação da transferência de prótons. Entre os diferentes métodos teóricos, as simulações de dinâmica molecular (MD) podem monitorar movimentos dinâmicos de cada átomo, e tem sido amplamente utilizada para revelar mecanismos complexos em reações químicas e enzimáticas. No entanto, simulações regulares de MD tendem a sofrer de insuficiente amostragem questão, especialmente quando a barreira de alta energia existe no processo de interesse. Portanto, foram desenvolvidos métodos de amostragem aprimorados, que incluem amostragem de trajeto de transição10,11, amostragem de guarda-chuva (US)12,13e amostragem de têmpera integrada (ITS)14, quinze anos. A combinação de diferentes métodos de amostragem aprimorados pode aumentar ainda mais a eficiência amostral16,17,18. Para aproveitar os algoritmos de amostragem aprimorados na simulação de reações químicas, implementamos o método de amostragem de têmpera integrada seletiva (senta) com potenciais mecânicos e moleculares de mecânica quântica (QM/MM) recentemente19. O método de senta-QM/MM proposto combina as vantagens de ambos os métodos: o método de senta acelera a amostragem e pode explorar todos os canais de reação possíveis sem conhecimento prévio do mecanismo de reação, e QM/MM fornece uma descrição mais exata de o processo de formação de vínculo e de quebra de vínculo, que não pode ser simulado apenas por métodos MM. A abordagem implementada de senta-QM/MM descobriu com sucesso a transferência concertada de prótons duplos, mecanismo de transferência de prótons Stepwise não correlacionado e correlacionado em diferentes sistemas, sem coordenadas de reação pré-definidoras19. Para o porphycene, o caráter Stepwise mas correlacionado da transferência do próton foi relatado19. O método híbrido de senta-QM/MM foi utilizado para investigar o efeito isotópico em porficeno em nosso estudo, e abaixo estão as descrições detalhadas do algoritmo e protocolo do nosso método.
Implementamos o método de senta com potenciais híbridos de QM/MM. O potencial efetivo da senta foi definido para incluir a energia potencial em diferentes temperaturas com os fatores de ponderação nk para cobrir faixas de temperatura mais amplas,
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ01.jpg">
onde, n é o número de termos canônicos, βk é a temperatura inversa, e nk é o fator de ponderação correspondente para cada componente canônico. UE (R) e UN(r) representam os termos melhorados e não melhorados em senta-se e são definidos como,
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ02.jpg">
U s, use e u e são a energia potencial do secundário-sistema, a interação entre o subsistema e o ambiente, e a energia potencial do ambiente. O potencial de QM/MM é expresso como um somatório híbrido de três componentes,
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ03.jpg">
onde uQM, uQM/mme umm são o termo de energia interno do subsistema QM, a energia de interação entre as regiões QM e mm e a energia de interação dentro do subsistema mm, respectivamente. O termo UQM/mm pode ser dividido em três componentes, que incluem os termos de energia eletrostática, Van der Waals e covalente interação entre os átomos QM e mm,
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ04.jpg">
Nós atribuímos <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ05.jpg"> , <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ06.jpg"> e em um termo de Us em senta-se,
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ07.jpg">
O pleno potencial do sistema foi então decomposto na energia do subsistema us, a energia de interação entre o subsistema e o ambiente use, e a energia do ambiente ue. Por exemplo, no sistema do presente trabalho, o subsistema é a porficence, e o ambiente a água.
O perfil do PMF ao longo de uma variável coletiva τ(R) é derivado como,
<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/60040/60040equ08.jpg">
As coordenadas de reação geralmente usadas para cada transferência de hidrogênio de N1−H1· · · N2 são q1 = (r1−r2)/2 e q2 = r1 + r2, onde são1 é a distância de N1-H1 e r2 é a distância de H1-N2.
O método foi implementado no pacote de simulação QM/MM MD qm4D20. O código-fonte completo e a documentação podem ser encontrados aqui: http://www.qm4d.info/.
Geralmente, as simulações MD senta-QM/MM envolvem quatro etapas: pré-equilíbrio (pré-senta-se); otimização nk (opt-senta); simulação de produção e análise de dados.

<table><tbody><tr><td>sistema operacional</td><td>CentOS Linux versão 6.0</td><td></td><td></td></tr><tr><td>QM4D software</td><td>http://www.qm4d.info/</td><td></td> <td>programa interno</td></tr> Área <tr><td>de trabalho do computador</td><td>HP</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

efeito isotópico no processo de transferência de prótons duplo de porficeno investigado por método enhanced qm/mm

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

A única substituição do deutério no porphycene conduz a uma geometria molecular assimétrica, que possa afetar o processo dobro da transferência do próton na molécula do porphycene. Neste estudo, aplicou-se um método avançado de QM/MM chamado senta-QM/MM para investigar efeitos isotópicos de hidrogênio/deutério (H/D) na transferência de prótons duplos em porficeno. As mudanças de distância nas simulações de dinâmica molecular de senta-QM/MM sugeriram que o porficeno substituído por deutério adotou o mecanismo de transferência de prótons duplo Stepwise. A análise estrutural e os turnos de energia livre do processo de transferência de prótons duplos indicaram que a substituição isotópica assimétrica comprimiu as ligações de hidrogênio covalentes e pode alterar a localização original do estado de transição.

O único efeito de substituição do deutério no processo de transferência de prótons duplo em porficeno foi examinado no protocolo atual (Figura 1). A energia potencial do subsistema QM e a água durante o pré-equilíbrio e a etapa de otimização foram verificadas para garantir que a energia foi ampliada para uma faixa de energia mais ampla (Figura 2). As mudanças representativas da distância e do ângulo (figura3 e F...

Um protocolo que use o método avançado de QM/mm para investigar o efeito isotópica no processo de transferência dobro do Proton no porphycene é apresentado aqui.

Efeito isotópico no processo de transferência de prótons duplo de Porficeno investigado por método Enhanced QM/MM

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

Um método de QM/MM aprimorado supera problemas simples na simulação de QM/MM normal. O Método Six QM/MM acelera o conjunto selecionado para a região QM, e pode capturar as vias de reação química resultando na definição da coordenada de reação. Com este protocolo, capturamos com sucesso uma reação química de transferência dupla de prótons e uma revelação de um efeito de substituição de deutério em um mecanismo de transferência de provency na água.O protocolo pode ser usado para explorar halogênio ou nossa substituição deutério na identificação de calor na descoberta de drogas. A principal vantagem do Método Six QM/MM é que, não precisamos dele para definir a coordenada de reação de salmoura ou introduzir um dispositivo para a via de reação química ao explorar o mecanismo de reação. nos permitem identificar possíveis caminhos de reação que a partir da reação.O método que pode ser usado e estendido a um método QM de alto nível e pode se tornar uma ferramenta importante para investigar o mecanismo de reação química na solução. Para iniciar este procedimento, inicie as predefinições definindo o tipo de execução como 100, temp0 como 300, templow como 260, temphigh como 1300, e passo como 120.000 no arquivo de entrada. Então, emita o comando apropriado como mostrado aqui.Durante a fase predefinida, monitore a energia de cada termo para calcular os valores médios. Use os comandos grep Linux para extrair a energia. Para modificar as energias médias no arquivo de entrada md, calcule as energias médias com base na saída da linha de comando anterior e modifique a linha v-shift no arquivo de entrada com as médias recém-geradas.Inicie deslocamentos no programa QM4D digitando o comando para iniciar a etapa de otimização. Em seguida, conecte a propagação de energia com o programa de graça, e certifique-se de que a flutuação de energia pode cobrir as extremidades mais baixas e mais altas da faixa de temperatura. Após a otimização, salve os valores finais do nk da etapa de deslocamento em um novo arquivo que se chama nk.dat neste protocolo. Para preparar o arquivo de entrada md, defina o tipo de execução como um no novo arquivo de entrada para iniciar a etapa de simulações de produção. Especifique o nome do arquivo com o arquivo nk armazenado como nkfile nk.dat no arquivo de entrada. O número de etapas de tempo foi definido como 6.400.000 nos sistemas atuais. O contador de simulação é dependente do sistema, então mude a estatística de simulação com base na sua demanda específica.Selecione um número adequado de etapas de tempo para usar para transição marginal entre diferentes estados para o seu próprio sistema. Inicial a produção nesta simulação, emitindo o comando apropriado para iniciar simulações de MD. Para monitorar o processo de formação e quebra de vínculos durante a fase de produção, use o comando grep para verificar as mudanças de distância de H1N1 e H1N2 ao longo do tempo de simulação.A mesma operação pode ser realizada para H2N3 e H2N4. Em seguida, conecte a propagação da distância usando o valor de distância acumulada durante as simulações da produção. Extrair as coordenadas de reação e os termos de energia do arquivo de saída de produção gerados por QM4D pelo comando grep.Organize os dados em quatro colunas e escreva-os no arquivo de dados em cada período de tempo. Calcule a energia livre emitindo o comando apropriado. Finalmente, para projetar a energia livre na paisagem bidimensional, digite o comando apropriado.O efeito de substituição de deutério único no processo de transferência de prótons duplos no porphycene foi examinado no protocolo atual. A energia potencial do subsistema QM e da água durante as etapas de pré-equilíbrio e otimização foram verificadas para garantir que a energia da região de QM tivesse sido ampliada para uma faixa de energia mais ampla, sem afetar a energia do ambiente. As mudanças representativas de distância e ângulo, e as alterações de energia livre projetadas foram utilizadas para caracterizar o efeito de substituição do deutério no processo de geometria e transferência de prótons de porphycene.O Método Six QM/MM alcança um conjunto aprimorado no espaço energético. O alcance de fusão especificado deve alcançar uma distribuição de energia ampliada. Este método não só capturar o topo do canal de reação que você tem pode transferir, mas também tem um potencial de identificar produtos de reação de estados de reação de normas resultantes do mecanismo de reação.Este protocolo atua como ponto de partida para investigar os mecanismos de reação química em um ambiente condensado. Métodos QM de nível mais alto podem ser facilmente combinados com o Método Six QM/MM para explorar sistemas mais complexos no futuro.

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

Research

JoVE Journal

Chemistry

Química

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