Методическая статья

Изотопный эффект в двойном процессе передачи протона порфицена, исследованного расширенным методом ЗМ/ММ

DOI:

10.3791/60040

⸱

19 июля 2019 г.

 ,  , 
1State Key Laboratory of Structural Chemistry, Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, Chinese Academy of Sciences, 2University of Chinese Academy of Sciences, 3XtalPi Inc. (Shenzhen Jingtai Technology Co., Ltd.), 4Institute of Bioinformatics and Medical Engineering, School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University of Technology

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Здесь представлен протокол, в применении которого используется усовершенствованный метод ЗМ/ММ для изучения изотопного эффекта на процесс переноса двойного протона в порфицене.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Единая замена дейтерия в порфицене приводит к асимметричной молекулярной геометрии, которая может повлиять на процесс двойного переноса протона в молекуле порфицена. В этом исследовании мы применили усовершенствованный метод ЗМ/ММ под названием SITS-ЗМ/ММ для исследования воздействия изотопа водорода/дейтерия (H/D) на двойной перенос протона в порфицене. Изменения расстояния в моделировании молекулярной динамики SITS-ЗМ/ММ показали, что заменяемый дейтерием порфицен принял пошаговый двойной механизм переноса протона. Структурный анализ и свободные сдвиги энергии процесса переноса двойного протона показали, что асимметричная изотопная замена тонко сжимает ковалентные водородные связи и может изменить исходное местоположение состояния перехода.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Процесс передачи протона в порфиценах имеет потенциальную возможность в разработкемолекулярных коммутаторов, транзисторов и устройств хранения информации 1,2. В частности, тавтомеризация в порфиценах через процесс двойного переноса протона вызвала широкий интерес в области спектроскопии и фотофизики2. Внутренние атомы водорода порфицена могут мигрировать из одного транс-изомера в другой эквивалентный транс-изомер через двойной процесс передачи протона, как показано на рисунке 1. Для процесса двойного переноса протона были предложены два механизма: согласованный и пошаговый механизм3,4. В согласованном процессе переноса двойного протона оба атома протона перемещаются в состояние перехода синхронно симметричным образом, в то время как один протон завершает передачу перед другим протоном в шаге процесса. Два атома водорода могут передаваться одновременно или поэтапно в зависимости от силы корреляции между двумя атомами водорода5.

Изотопная замена была использована для обнаружения структурных свойств молекул искоростных констант реакции кинетики 6. Однократная замена дейтерия во внутреннем водороде порфицена приводит к асимметричной форме молекулы. Водородная связь может расширяться или сокращаться из-за массовой разницы между атомами водорода и дейтерия. Изотопная замена вводит возмущение в эшафот порфицена. Возникает вопрос, повлияет ли асимметричная структура на процесс передачи протона. Лимбах и его коллеги сообщили, что замена водорода дейтерием сжимет как водородные связи, таки совместное соединение двух водородных связей в порфицене может способствовать согласованному механизму 7, в то время как Есикава заявил, deuteration сделает пошагованный механизм способствовать больше, чем согласованный механизм8. Экспериментальные методы, такие как силовая спектроскопия, были разработаны для захвата деталей таутомеризации в одном порфицене9. Тем не менее, по-прежнему трудно определить атомные детали переноса протона экспериментально из-за его преходящего характера.

Теоретические расчеты и моделирование могут выступать в качестве дополнительных инструментов для выяснения механизмов реакции передачи протона. Среди различных теоретических методов, молекулярная динамика (MD) моделирования может контролировать динамические движения каждого атома, и широко используется для выявления сложных механизмов в химических и ферментативных реакций. Однако регулярное моделирование MD, как правило, страдает от недостаточной проблемы отбора проб, особенно в тех случае, когда в процессе интереса существует высокий энергетический барьер. Таким образом, были разработаны усовершенствованные методы отбора проб, которые включают в себя отбор проб10,11,зонтичный отбор проб (US)12,13,и интегрированную закалку выборки (ITS)14, 15. Сочетание различных усовершенствованных методов отбора проб может еще больше повысить эффективность отбора проб16,17,18. Чтобы использовать усовершенствованные алгоритмы отбора проб в имитации химических реакций, мы внедрили селективный интегрированный метод закалки (SITS) с квантовыми механическими и молекулярно-механическими потенциалами (ЗМ/ММ) в последнее время19. Предлагаемый метод SITS-ЗМ/ММ сочетает в себе преимущества обоих методов: метод SITS ускоряет отбор проб и может исследовать все возможные каналы реакции без предварительного знания механизма реакции, а ЗМ/ММ обеспечивает более точное описание процесс формирования облигаций и разрыва облигаций, который не может быть смоделирован только методами Mm. Реализованный подход SITS-ЗМ/ММ успешно обнаружил согласованную двойную передачу протона, некоррелированную и коррелированную по шаговой стороны двойной механизм передачи протона в различных системах, без предварительного определения координат реакции19. Для порфицена, пошаговая, но коррелированных протон передачи характер был зарегистрирован19. Гибридный метод SITS-ЗМ/ММ был использован для исследования изотопного эффекта в порфицене в нашем исследовании, а ниже приведены подробные описания алгоритма и протокола нашего метода.

Мы внедрили метод SITS с гибридными потенциалами ЗМ/ММ. Эффективный потенциал SITS был определен, чтобы включить потенциальную энергию при различных температурах с факторами взвешивания nk для покрытия более широких температурных диапазонов,

figure-introduction-1

где, N является число канонических терминов, к к является обратная температура, и nk является соответствующим фактором взвешивания для каждого канонического компонента. UE (R) и UN(R) представляют расширенные и нерасширенные термины в SITS и определяются как,

figure-introduction-2

U s, Use и Ue являются потенциальной энергией подсистемы, взаимодействия между подсистемой и окружающей средой, а также потенциальной энергией окружающей среды. Потенциал ЗМ/ММ выражается как гибридное суммирование трех компонентов,

figure-introduction-3

где Uqm, Uqm/mm, и Uмм являются внутренним энергетическим термином подсистемы ЗМ, энергией взаимодействия между регионами ММ и ММ, и энергией взаимодействия в подсистеме ММ, соответственно. Термин Uqm/mm можно далее разделить на три компонента, которые включают электростатические, ван дер Ваалс, и ковалентные условия взаимодействия энергии между атомами ЗМ и ММ,

figure-introduction-4

Мы назначаем figure-introduction-5 , и figure-introduction-6 в один u с термином в SITS,

figure-introduction-7

Полный потенциал системы затем разлагается в энергию подсистемы Us, взаимодействие энергии между подсистемой и окружающей среды Use, и энергия окружающей среды Ue. Например, в системе настоящей работы подсистема – это порфикция, а окружающая среда – вода.

Профиль PMF вдоль коллективнойпеременной

figure-introduction-8

Обычно используемые координаты реакции для каждой передачи водорода N1иH1 N2 являются q1 q (r1иr2)2 и q2 r 1 r2, где1 расстояние N1-H1 и r2 расстояние H1-N2.

Метод был реализован в пакете моделирования мяд-мэ qM4D20. Полный исходный код и документацию можно найти здесь: http://www.qm4d.info/.

Как правило, моделирование SITS-M/MM MD включает четыре этапа: предварительное равновесие (предварительное заедя); оптимизация nk (opt-sits); моделирование производства и анализ данных.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Модель здания

  1. Построить порфицен структуры: Откройте программное обеспечение GaussView, дважды щелкнивав мышь. Затем нажмите кнопку Фрагмент элемента в меню GaussView, чтобы выбрать необходимые элементы. Постройте порфицен. Затем нажмите кнопку Файл, чтобы сохранить в качестве файла PDB.
  2. Solvate модель: Solvate porphycene в кубической водяной коробке TIP3P21 с длиной края 38, выпустив команду в операционной системе linux: genbox-d-cp prp-vac.pdb -cs spc216.gro-o solv.pdb -maxsol 1484 -box 3.8.
  3. Построить порфицен дейтерия: Выдайте следующую команду для создания файла топологии: cns s lt; ppi'solv.inp. Затем откройте prp-wat.psf с командой vi и измените массу H1 с 1.00800 до 2.01600, чтобы заменить один внутримолекулярный атом водорода порфицена дейтерием для создания одного дейтерия, заменяющего порфицен.
  4. Установите нормальные параметры моделирования MD: Метод ввода scctb, интегральный 0.5 fs, и отсечение 12 в файле ввода MD, открыв его с командой vi.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Принять расстояние отсечения 12 ю для расчета как vdW, так и электростатических взаимодействий. Имитировать молекулу порфицена методом DFTB/MIO22. Установите шаг времени интеграции в 0,5 fs для моделирования MD. Поддерживайте температуру системы моделирования на уровне 300 К с помощью термостата Langevin. Затем выполните моделирование с программным обеспечением для qM4D, следующими за приведенными ниже шагами.

2. Предварительно ездовые

  1. Настройка параметров температуры: Вхотоза 260, temphigh 1100 и ntemp 160 в файле ввода.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Диапазон температур от 260K до 1100K был распространен программным обеспечением «M4D» до 160 температурных точек во время моделирования MD. Файлы ввода шаблона включены в дополнительные файлы.
  2. Инициировать предварительные заседает: Установите runtype 100 и шаг 120,000 в файле ввода. Затем выдать следующую команду: $PATH / qm4d $OUTPUTFILE$INPUTFILE
    ПРИМЕЧАНИЕ: Общий шаг составляет 120000, но может быть скорректирован в зависимости от конкретной потребности. Предлагаемые параметры моделирования MD сохраняются в $INPUTFILE. Та же команда используется и в следующих шагах моделирования опционов и производства, при этом файл ввода модифицирован соответствующим образом.
  3. Расчет разложившихся энергий
    1. Извлекайте изменения энергии: Во время предварительной стадии сидит, контролировать энергию каждого термина для того чтобы высчитать средние значения, как показано в рисунке 1. Используйте команду grep Linux для извлечения энергии следующим образом:
      grep 'SITS-ener0' $INPUTFILE авк 'а' $3;b '$4;c '$5-END /PRINT a/NR,b/NR,c/NR..
    2. Изменение средних энергий в файле ввода MD: Рассчитайте средние энергии на основе вывода вышеуказанной командной строки и измените линию vshift0 -30801.95; vshift1 -26.88; vshift2 -13888.28 в файле ввода с вновь сгенерированными средними значениями.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Числа -30801.85, -26.88 и -13888.28 являются средними энергиями в текущей модели системы. Пожалуйста, измените значения на основе конкретных систем.

3. Opt-sits

  1. Инициировать выбор-сидит: Установите runtype 0 в файлвого ввода. Затем инициируйте программу «M4D», введя команду, показанную на шаге 2.2, чтобы начать этап оптимизации.
  2. Мониторинг изменений в энергетике и nk ценностей.
    1. Участок распространения энергии с "благодать" программы и убедитесь, что колебания энергии может покрыть самые низкие и самые высокие концы диапазона температур.
    2. После оптимизации сохраните окончательные значения nk opt-sits в новый файл, который в этом протоколе называется nk.dat.

4. Запуск производственных симуляций

  1. Подготовьте файл ввода MD: Установите runtype 1 в новом файле ввода для запуска шага моделирования производства. Укажите имя файла сохраненного nk файла как nkfile nk.dat в файле ввода. Количество временных шагов было установлено в размере 6 400 000 в нынешних системах.
  2. Инициировать производство MD моделирования: Выпуск следующая команда, чтобы начать МОДЕЛИРОВАНИЯ MD: $PATH / qm4d $OUTPUTFILE$INPUTFILE
    ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что n k значения могут быть прочитаны в программное обеспечение QM4D. Время моделирования зависит от системы, поэтому измените шаг моделирования в зависимости от конкретных требований. Выберите правильное количество временных шагов, чтобы обеспечить достаточное время моделирования для вашей собственной системы. Этот шаг, вероятно, занимает много времени, поэтому сохраните файлы перезагрузки, чтобы избежать перезапуска производства с самого начала после того, как нарушается.

5 Анализ данных

  1. Мониторинг изменений расстояния
    1. Мониторинг процесса формирования и разрыва связей на этапе производства используйте команду grep, чтобы проверить изменения расстояния H1-N1 и H1-N2 в течение времени моделирования. Такая же операция может быть проведена для H2-N3 и H2-N4. Затем потяните распространение расстояния, используя накопленное значение расстояния во время моделирования производства.
  2. Извлечение координат реакции
    1. Извлеките координаты реакции и энергетические термины из файла вывода производства, генерируемого командой «M4D» командой grep:
      grep 'dist 1' $OUTPUTFILE awk '(печать $5'' (gt; distance1;
      grep 'ener0' $OUTPUTFILE
    2. Организуйте данные в четырех столбцах: q1, q2,U0 и U' (U0 и U' являются выходом нормальной энергии и взвешенной энергии), и запишите их в файл данных в каждый временной промежуток.
  3. Расчет свободной энергии
    1. Рассчитайте свободную энергию, выпустив следующую команду:
      сидит-pmf 300 $INPUTFILE PMF2 (хисте-минкс hist'maxx num'binsx) (хистеминийхистемакси $OUTPUTFILE)
      ПРИМЕЧАНИЕ: sits-pmf является методом анализа на основе гистограммы. «hist'minx hist'maxx num-binsx» определяет диапазон и количество ячеек для первой координат реакции. Координаты второй реакции могут быть установлены «хистеми-хист-макси нумбинси».
    2. Чтобы проецировать свободную энергию на двумерный ландшафт, введите следующую команду:
      сидит-pmf 300 h1-2d.dat PMF2 -0.6 0.6 24 2.45 4.25 36 sgt; сидит-pmf.out.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте в общей сложности 24 бункеров и 36 бункеров для покрытия изменений расстояния в двух выбранных координатах реакции, q1 и q2, соответственно. Сохраните данные 2D PMF для каждого водорода/дейтерия в файлs sits-pmf.out.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В текущем протоколе(рисунок1) был изучен единый эффект замены дейтерия на процесс переноса двойного протона в порфицене . Потенциальная энергия подсистемы ИМ и воды во время предварительного равновесия и оптимизации шага были проверены, чтобы убедиться, что энергия была расширена до более широкого энергетического диапазона (Рисунок 2). Репрезентативные изменения расстояния и угла(рисунок 3 и рисунок4), ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Структура порфицена была показана на рисунке 1. Электростатический встраивание гибридного потенциала ЗМ/ММ с помощью метода SITS был использован для описания химических реакций в воде23,24. Передача протона происходит в пределах porphycene3 и таким образом porphycene установлено как область qM и reminding вода установлена как область MM. В этом мы приняли DFTB / MIO в качестве нашего метода ЗМ для лечения порф...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Это исследование поддерживается Национальной программой ключевых исследований и разработок Китая (2017YFA0206801, 2018YFA0208600), Фондом естественных наук провинции Цзянсу и Национальным фондом естественных наук Китая (91645116). L.X является Чжун-Ву специально назначенный профессор Цзянсу технологический университет. Авторы признают предложения д-ра Хао Ху и д-ра Минджун Яна.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
операционная системаCentOS Linux release 6.0
QM4D программное обеспечениеhttp://www.qm4d.info/собственная программа
Компьютер настольныйHP

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи