Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

אפקט איזונושא בתהליך העברת פרוטונים כפול של פורקן נחקר על-ידי שיטת QM/MM משופרת

Published: July 19, 2019 doi: 10.3791/60040
Automatic Translation
1,2, 3, 4
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

Summary

פרוטוקול המשתמש בשיטת QM/MM המשופרת לחקור את האפקט האיזונושא בתהליך העברת הפרוטונים הכפול בפוראוקן מוצג כאן.

Abstract

החלפת הדאויום היחידה בפוראוקן מובילה לגיאומטריה מולקולרית אסימטרית, העלולה להשפיע על תהליך העברת הפרוטונים הכפול במולקולה פורקן. במחקר זה, החלתי שיטה משופרת QM/MM שנקרא יושב-QM/MM כדי לחקור מימן/דאוטריום (H/D) השפעות איזוטופ על העברת פרוטון כפול בפורקן. שינויי מרחק ב-מערכת הסימולציות של הדינמיקה המולקולארית ב-QM/MM הציעו לאמץ את מנגנון העברת הפרוטונים הכפול החורג. הניתוח המבני ואת משמרות אנרגיה חופשית של תהליך העברת פרוטונים כפול הצביע על כך החלפת איזונושא אסימטרית בעדינות את איגרות החוב מימן קוולנטי עשוי לשנות את מיקום מצב המעבר המקורי.

Introduction

תהליך העברת הפרוטונים בפורסנארס מחזיק ביישומים פוטנציאליים בפיתוח מתגים מולקולריים, טרנזיסטורים ומכשירי אחסון מידע1,2. בפרט, טאוטואריזציה בפורסנארס באמצעות תהליך העברת פרוטונים כפול משכה עניין נרחב בתחומים של ספקטרוסקופיה ו פוטופיזיקה2. אטומי המימן הפנימי של פורקן יכולים להגר מטראנס איזורר אחד לטרנס איזואר המקביל, דרך תהליך העברת פרוטונים כפול, כמוצג באיור 1. שני מנגנונים הוצעו עבור תהליך העברת הפרוטונים הכפול: מנגנון המעבר והצעד3,4. בתהליך העברת הפרוטונים הכפול, שני אטומי הפרוטונים עוברים למצב המעבר באופן סימטרי בדרך סימטרית, ואילו פרוטון אחד משלים את ההעברה לפני הפרוטון האחר בתהליך מיותר. שני אטומי מימן יכולים להעביר בו זמנית או מבחינת הקשר בהתאם לחוזק המתאם בין שני אטומי מימן5.

החלפת איזונושא שימש לזיהוי המאפיינים המבבניים של מולקולות וקבועי קצב של קינטיקה התגובה6. החלפת דאונטיום יחידה במימן הפנימי של פורקן מובילה לצורה אסימטרית של המולקולה. קשר המימן יכול להתרחב או להתכווץ בגלל ההבדל המוני בין אטומי המימן למוניום. החלפת האיזונושא מציגה הפריה בפיגום של פוראוקן. השאלה עולה כי אם מבנה סימטרי ישפיע על תהליך העברת הפרוטונים. לימבו ועמיתים דיווחו כי החלפת מימן עם דאודיום יהיה לדחוס הן איגרות חוב מימן, ואת צימוד שיתופי של שני איגרות חוב מימן בפורקן יכול להעדיף מנגנון מתואם7, בעוד יושיקאווה הצהיר על ה הדאורות יגרום למנגנון החורג לתרום יותר ממנגנון מאשר8. טכניקות נסיוניות, כגון ספקטרוסקופיית כוח, פותחו כדי ללכוד את הפרטים טאוטואריזציה בפורקן אחד9. עם זאת, הוא עדיין מאתגר לקבוע את הפרטים האטומיים של העברת פרוטון ניסויים בגלל האופי הארעי שלה.

חישובים עיוניים וסימולציות יכולות לשמש ככלים משלימים להסבר מנגנוני התגובה של העברת הפרוטונים. בין שיטות תאורטיות שונות, הדמיות מולקולריות (MD) יכולות לפקח על תנועות דינמיות של כל אטום, ושימש רבות לחשיפת מנגנונים מורכבים בתגובות כימיות ואנזימטית. עם זאת, הדמיות שגרתיות של MD נוטות לסבול מבעיית דגימה לא מספיקה, במיוחד כאשר מכשול האנרגיה הגבוה קיים בתהליך הריבית. לכן, שיטות דגימה משופרות פותחו, אשר כוללים נתיב מעבר דגימה10,11, מטריה הדגימה (ארהב) 12,13, ודגימת הרפיה משולבת (שלה)14, . חמש עשרה שילוב של שיטות דגימה משופרות שונות יכולים להגביר את יעילות הדגימה16,17,18. כדי לרתום את אלגוריתמי הדגימה המשופרת בהדמיית תגובות כימיות, הצלחנו ליישם את השיטה האינטגרטית לדגימת הרפיה (מיושבת) עם פוטנציאל מכני קוונטי ומולקולרי (QM/MM) לאחרונה19. השיטה המוצעת-QM/MM משלבת את היתרונות משתי השיטות: שיטת ה-יושב מאיצה את הדגימה ויכולה לחקור את כל ערוצי התגובה האפשריים ללא ידיעת מראש של מנגנון התגובה, ו-QM/MM מספק תיאור מדויק יותר של הקשר ותהליך שבירת בונד, שאינו יכול להיות מדומה בשיטת MM בלבד. הגישה מיושם-QM/MM בהצלחה חשף העברת פרוטונים מתואמת, בלתי מתואם ומתואם חורג מנגנון העברת פרוטון כפול במערכות שונות, ללא הגדרת מראש קואורדינטות התגובה19. לפוראוקן, הדמות החורגת הקשורה להעברת פרוטונים, דווחה בגיל19. שיטת היברידית יושב-QM/MM שימש כדי לחקור את האפקט איזוטרופי בפורקן במחקר שלנו, ולהלן תיאורים מפורטים של אלגוריתם ופרוטוקול של השיטה שלנו.

יש לנו ליישם את שיטת יושב עם היברידית הפוטנציאל QM/MM. הפוטנציאל האפקטיבי של מתיישב הוגדר לכלול את האנרגיה הפוטנציאלית בטמפרטורות שונות עם גורמים שקלול nk כדי לכסות טווחי טמפרטורה רחבה יותר,

Equation 1

כאשר n הוא מספר המונחים הקאנוניים, βk היא הטמפרטורה ההופכית ו- Nk הוא פקטור הניפוח המתאים לכל רכיב קאנוני. UE (R) ו- UN(r) מייצגים את התנאים המשופרות והלא משופרים הנמצאים ביושב ומוגדרים כ-,

Equation 2

יו s, use ו- u הם האנרגיה הפוטנציאלית של מערכת המשנה, האינטראקציה בין מערכת המשנה לבין הסביבה, ואת האנרגיה הפוטנציאלית של הסביבה. פוטנציאל QM/MM מתבטא כסיכום היברידי של שלושה רכיבים,

Equation 3

כאשר uqm, uqm/mm, ו- umm הם מונח האנרגיה הפנימית של מערכת המשנה qm, האנרגיה אינטראקציה בין האזורים qm ו-mm, ואת האנרגיה אינטראקציה בתוך מערכת המשנה mm, בהתאמה. מונח של Uqm/mm יכול להיות מחולק עוד לשלושה רכיבים, הכוללים את האלקטרוסטטי, ואן דר וואלס, והאינטראקציה הבין-קוולנטי של האנרגיה בין האטומים qm ו-mm,

Equation 4

אנחנו מקצים Equation 5 , Equation 6 ולתוך מונח אחד של U יושב,

Equation 7

הפוטנציאל המלא של המערכת היה לאחר מכן מפורקת לתוך האנרגיה של מערכת המשנה us, האנרגיה אינטראקציה בין מערכת המשנה לבין הסביבה use, ואת האנרגיה של הסביבה ue. למשל, במערכת העבודה הנוכחית, מערכת המשנה היא פורפוציה והסביבה של המים.

פרופיל ה-PMF לאורך משתנה קולקטיבי τ(R) נגזר כ-,

Equation 8

התגובה המשמשת בדרך כלל קואורדינטות עבור כל העברת מימן של N1-H1· · N2 הם q1 = (r1-r2)/2 ו- q2 = r1 + r2, היכן1 הוא המרחק של N1-H1 ו-r2 הוא המרחק של . H1-N2

השיטה יושמה בחבילת הסימולציה QM/MM MD QM4D20. קוד המקור והתיעוד המלא ניתן למצוא כאן: http://www.qm4d.info/.

בדרך כלל, הסימולציות של יושב-QM/MM MD כרוכות בארבעה שלבים: טרום שיווי משקל (מראש); אופטימיזציה nk (להצטרפות-שוכנת); סימולציית ייצור וניתוח נתונים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. דגם בנייה

  1. בניית מבנה פורקן: פתח את תוכנת Gaussview על-ידי לחיצה כפולה על העכבר. לאחר מכן לחץ על לחצן קטע רכיב בתפריט של התצוגה הטבעית כדי לבחור את הרכיבים הנחוצים. . בנו את פוראוקן לאחר מכן לחץ על כפתור קובץ כדי לשמור כמו קובץ pdb.
  2. לעצב את המודל: סולבט פורקן ב TIP3P מעוקב21 תיבת מים עם אורך קצה של 38 Å על ידי הנפקת הפקודה במערכת ההפעלה לינוקס: genbox_d-cp prp-vac. pdb-cs spc216. gro-o solvate. pdb-maxsol 1484-box 3.8.
  3. לבנות פורמיום הדאוטרקן: הנפק את הפקודה הבאה להפקת קובץ טופולוגיה: cn < ppi_solv. inp. ואז לפתוח prp-wat. psf עם הפקודה vi ולשנות את המסה של H1 מ 1.00800 כדי 2.01600 כדי להחליף אחד מימן התוך מולקולרית אטום של פורקן עם דאויום כדי לבנות בודד דאונטיום הוחלף פורקן.
  4. קבע פרמטרים רגילים של הדמיית MD: שיטת הקלט scctb, אינטגרלי 0.5 fs, ואת הקיצוץ 12 בקובץ הקלט MD על ידי פתיחתה עם הפקודה vi .
    הערה: אמץ מרחק הפסקת של 12 Å לחישוב הן vdW והן אינטראקציות אלקטרוסטטית. הדמיית מולקולת פורקן בשיטת DFTB/MIO22. הגדר את שלב זמן השילוב כ0.5 fs עבור סימולציות MD. לשמור על טמפרטורת מערכת הסימולציה ב 300 K עם תרמוסטט Langevin. לאחר מכן בצע את הסימולציות עם התוכנה QM4D בעקבות השלבים שלהלן.

2. שוכנת מראש

  1. הגדיר את פרמטרי הטמפרטורה: תבנית קלט 260, temphigh 1100 ו- ntemp 160 בקובץ הקלט.
    הערה: טווח הטמפרטורות מ260k עד 1100K התפשט על-ידי תוכנות QM4D כדי 160 נקודות טמפרטורה במהלך הדמיות MD. קבצי קלט התבנית נכללים בקבצים משלימים.
  2. ליזום מראש: הגדר את runtype 100 ו- step 120,000 בקובץ הקלט. לאחר מכן, הנפק את הפקודה הבאה: $PATH/qm4d $INPUTFILE > $OUTPUTFILE.
    הערה: השלב הכולל הוא 120,000 אך ניתן להתאימו בהתאם לצורך הספציפי. הפרמטרים המוצעים של סימולציות MD נשמרים ב$INPUTFILE . אותה פקודה משמשת גם בשלבים הבאים של הדמיית ההצטרפות וההפקה, כאשר קובץ הקלט משתנה בהתאם.
  3. חישוב האנרגיות המפורקת
    1. לחלץ שינויי אנרגיה: במהלך השלב שיושב מראש, יש לעקוב אחר האנרגיה של כל מונח כדי לחשב את ערכי הממוצע, כפי שמוצג באיור 1. השתמש בפקודה grep Linux כדי לחלץ את האנרגיה כדלקמן:
      grep ' יושב-ener0 ' $INPUTFILE | awk ' {a + = $3; b + = $4; c + = $5} בסוף {הדפס a/nr, b/nr, c/nr}.
    2. שנה את האנרגיות הממוצעות בקובץ הקלט MD: חשב את האנרגיות הממוצעות על בסיס הפלט של שורת הפקודה לעיל, ושנה את הקו vshift0-30801.95; vshift1-26.88; vshift2-13888.28 בקובץ הקלט עם הממוצע החדש שנוצר.
      הערה: מספרים-30801.85,-26.88 ו-13888.28 הן האנרגיות הממוצעות במערכת המודל הנוכחית. נא שנה את הערכים בהתאם למערכות הספציפיות.

3. להצטרפות-שוכנת

  1. ליזום לבחור-יושב: הגדר את runtype 0 בקובץ הקלט. לאחר מכן הפעל את תוכנית ה-QM4D על-ידי הקלדת הפקודה כפי שמוצג בשלב 2.2 כדי להתחיל בשלב האופטימיזציה.
  2. ניטור שינויי האנרגיה ו nk ערכים.
    1. להתוות את התפשטות האנרגיה עם "חסד" תוכנית ולוודא תנודות האנרגיה יכול לכסות את הנמוך ביותר ואת הקצוות הגבוהים ביותר של טווח הטמפרטורה.
    2. לאחר האופטימיזציה, לשמור את ערכי nk הסופי של הצעד שיושב הכבושים לתוך קובץ חדש, אשר נקרא בשם nk. dat בפרוטוקול זה.

4. הרצת סימולציות ייצור

  1. הכן קובץ קלט של MD: הגדר את runtype 1 בקובץ הקלט החדש כדי להתחיל את שלב הדמיית הייצור. ציין את שם הקובץ של קובץ nk המאוחסן כ -nkfile nk. dat בקובץ הקלט. מספר שלבי הזמן הוגדר כ-6,400,000 במערכות הקיימות.
  2. ליזום הדמיה MD הפקה: הנפק את הפקודה הבאה כדי להפעיל סימולציות MD: $PATH/qm4d $INPUTFILE > $OUTPUTFILE.
    הערה: ודא שערכי nk ניתנים לקריאה באמצעות התוכנה QM4D. זמן ההדמיה הוא תלוי מערכת כך לשנות את השלב סימולציה מבוסס על דרישות ספציפיות. בחר מספר מתאים של שלבי זמן כדי להבטיח מספיק זמן הדמיה עבור המערכת שלך. שלב זה עשוי לגזול זמן רב, לכן שמור קבצי הפעלה מחדש כדי למנוע הפעלה מחדש של הייצור מתחילתו מאוד פעם אחת השתבש.

5 מחקר וניתוח נתונים

  1. ניטור שינויי המרחק
    1. השתמש בפקודה grep כדי לבדוק את שינויי המרחק של H1-N1 ו-H1-N2 לאורך זמן ההדמיה. ניתן לבצע אותה פעולה עבור H2-N3 ו-H2-N4. לאחר מכן, התווה את התפשטות המרחק באמצעות ערך המרחק שנצבר במהלך סימולציות הייצור.
  2. מיצוי קואורדינטות התגובה
    1. חלץ את קואורדינטות התגובה ואת תנאי האנרגיה מקובץ פלט הייצור שנוצר על ידי QM4D על ידי הפקודה grep :
      grep ' dist 1 ' $OUTPUTFILE | awk ' {הדפסה $5} ' > distance1;
      grep ' ener0 ' $OUTPUTFILE > ener0.
    2. ארגון נתונים בארבע עמודות: q1, q2, U0 ו-u ' (u0 ו-u ' הם הפלט אנרגיה נורמלית ואנרגיה משוקלל), ולכתוב אותם לתוך קובץ הנתונים בכל מסגרת זמן.
  3. חישוב אנרגיה חופשית
    1. חשב את האנרגיה החופשית על-ידי הנפקת הפקודה הבאה:
      יושב-pmf 300 $INPUTFILE PMF2 [hist_minx hist_maxx num_binsx] [hist_miny hist_maxy num_binsy] > $OUTPUTFILE.
      הערה: מיושב-pmf הוא שיטת הניתוח המבוססת על היסטוגרמה. [hist_minx hist_maxx num_binsx] מגדיר את טווח ומספר הסלים עבור קואורדינטת התגובה הראשונה. קואורדינטות התגובה השנייה ניתן להגדיר על ידי [hist_miny hist_maxy num_binsy].
    2. כדי להקרין את האנרגיה החופשית בנוף דו-מימדי, הקלד את הפקודה הבאה:
      יושב-pmf 300 h1-2d. DAT PMF2-0.6 0.6 24 2.45 4.25 36 > sits-pmf.
      הערה: השתמש בסכום הכולל של 24 סלים ו-36 סלים כדי לכסות את שינויי המרחק בשתי קואורדינטות תגובה נבחרות, q1 ו-q2, בהתאמה. שמור את נתוני ה-PMF הדו עבור כל מימן/דאוטריום לקובץ sits-pmf.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ההשפעה היחידה החלפת דאומיום על תהליך העברת פרוטונים כפול בפורקן נבדקה בפרוטוקול הנוכחי (איור 1). האנרגיה הפוטנציאלית של מערכת המשנה QM והמים במהלך שיווי משקל וצעד מיטוב נבדקו כדי לוודא שהאנרגיה הרחיבה את טווח האנרגיה הרחב (איור 2). המרחק המייצג ושינויי הזווית (איור 3 ואיור 4), ואת השינויים מוקרן אנרגיה חופשית (איור 5) שימשו כדי לאפיין את האפקט החלפת דאוניום על הגיאומטריה העברת פרוטונים תהליך של . פוראוקן

Figure 1
איור 1. . המבנים של מולקולות שנחקרו
המבנים של פורקן (א) ופוראוקן (ב). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
. איור 2 האנרגיה הפוטנציאלית משתנה במהלך סימולציות MD.
השינויים האנרגטיים הפוטנציאליים של אזור QM (א) וסביבה (ב) בשלבים שלפני השבת וההצטרפות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
. איור 3 . המרחק האופייני משתנה
(א) שינויי מרחק של H1-N1 ו-H2-N3 עבור פוראוקן, ו (ב) שינויי המרחק של D1-N1 ו-h2-N3 לפוראוקן במהלך הסימולציות sirts-QM/MM; (ג) התפלגות שינויי המרחק ל-H1-N1 ו-H2-N3 עבור פוראוקן, ו-(ד) D1-N1 ו-h2-N3 עבור פוראואוקן הדאורואני. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4. זוויות קשר המימן במהלך. סימולציות הייצור של MD
מלאכי קשר מימן למען (א) מניעה ו-(ב) פוראוקן. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
. איור 5 נוף האנרגיה החופשית של כל תהליך העברת מימן שהיה מוקרן על שני קואורדינטות תגובה (q1, q2).
(א) ו-(ב) הם 2 d נופי אנרגיה חינם של העברה H1 ו-h2 בפורקן; (ג) ו-(ד) 2d לרוחב האנרגיה החופשית של D1 ו-H2 העברה בפוראואוקן. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

קבצים משלימים. קובץ טופולוגיה, קובץ פרמטר של כוח שדה, קואורדינטות קובץ וקובץ קלט. אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.

סרט משלים 1. . בפוראוקן אנא לחץ כאן כדי להוריד את הווידאו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

מבנה פורקן הוצג באיור 1. הפוטנציאל ההיברידית של הטבעה אלקטרוסטטית של QM/MM עם שיטת היושב שימש לתיאור התגובות הכימיות במים23,24. העברת הפרוטונים מתרחשת בפורקן3 ולכן פוראוקן מוגדר כאזור QM והמים ההזכרת מוגדרים כאזור MM. כאן אימצנו dftb/MIO כשיטת QM שלנו לטיפול בפורקן על ידי איזון היעילות והדיוק22,25. כטכניקת שיפור דגימה, הדמיית יושב הוצגה כדי להרחיב את התפלגות של Us לאזורים אנרגיה גבוהה ובינתיים לשמר מספיק דגימה סביב אזור האנרגיה בטמפרטורת הריבית. במקרה הנוכחי, האנרגיה שלה-s בשלב "הצטרפות לשטחים" הרחיבה את הטווח לטווחים רחבים יותר המקיפה את האנרגיה של הסימולציות הסטנדרטיות של ה-MD בשלב "מראש" כפי שמוצג באיור 2. בינתיים, שינויי האנרגיה החלקים של Ue מצביעים על כך שהטמפרטורות הגבוהות יותר במערכת המשנה של QM לא יביאו להפרטורציה לסביבה. השיטה יושבת-QM/MM ממומשת דגימה משופרת באזור QM המעוניינים מבלי להשפיע על האנרגיה הפוטנציאלית של מים.

משינויי מרחק באיור 3, שמנו לב ש-H1 הועבר מ-N1 ל-N2 כדי ליצור מדינה של חברת מעבר ( cis ), ולאחר מכן יזם העברה מהירה של H2 ברציפות כדי להגיע למצב הטרנס האחר; ולהיפך. תהליך העברת ה-פרוטונים לדינמיקה מוצג בסרט המשלים 1. דאוטריום D1 העברה בין N1 ו N2 בפוראוקן בודד מופעל על העברת H2 בין N3 ו N4. שינויי מרחק אסינכרוניים הצביעו על תהליך העברת הפרוטונים הכפול של פוראוקן ושל פורמונקן יחיד שהוחלף. הפצות המרחק דומה של D1-N1 ו-H2-N3 הציעו כי ההשפעה השיתופית על שני איגרות חוב מימן26. בדומה לאפקט האיזוטופ הגיאומטרי הראשוני שדווח26, המרחק של D1-N1 הוא קצר יותר מהמרחק של H1-N1 (1.048 å לעומת 1.051 å). כפי שמוצג באיור 3, הבחנו סביב 135, ו 65 פעמים של העברה של H או D עבור פורקן וisotopomers שלה בתוך 3.2 ns MD סימולציות, בהתאמה. הדאוציה עלולה להשפיע פחות על זוויות קשר המימן כפי שמוצג באיור 4. הדגימה המספיק על שני ערוצי התגובה אפשרה לנו לחשב את השינויים באנרגיה החופשית של כל העברת פרוטונים. אפקט איזוטרופי הברורה נצפתה בנוף 2d אנרגיה חופשית. מצב המעבר הוזז מ (0.01 Å, 2.52 Å) ל (-0.01 Å, 2.76 Å) כפי שנחשף מקואורדינטות התגובה (q1, q2) (ראה איור 5). ערך ה-q2 הגבוה יותר פירושו שקשר המימן הלא מאוחד הורחב. זה עשוי להגיע מהפיגום האסיאני. של פוראוקן הדאונטי

שני תהליכי העברת הפרוטונים בפוראוקן ובפורקן הדאולנטי יכולים להילכד על ידי הדמיות מיושב-QM/MM MD מבלי להגדיר מראש את קואורדינטות התגובה. יתר על כן, שוכנת-QM/MM MD הדמיות חשף את ההבדל מבניים שהוצג על ידי אפקט איזוטרופי. קשר המימן D1-N1 קוצר בהשוואה ל-H1-N1. מצב המעבר הוזז לערך q2 גבוה יותר עקב צורה אסימטרית הנגרמת על ידי דאוטציה. למרות שההבדל העדין זוהה בקשר מימן קוולנטי, הבדלי המרחק עשויים לגרום להפרש אנרגטי גדול יותר מסביב למרחק של איגרת חוב משיווי משקל. אנו מתכננים להמשיך ולאמת את ההתבוננות בשיטת QM ברמה גבוהה יותר במחקרים עתידיים.

הכדאיות של יושב-QM/MM כבר מאומת היטב בערוץ כפול של תגובות מבלי להגדיר מראש קואורדינטות תגובה במחקר הנוכחי. שיטה זו מחזיקה בפוטנציאל של חיפוש מוצרי תגובה ממדינות מגיב ידוע אם לא מסופק מנגנון התגובה הקודם. אימצנו dftb/MIO שיטה ביישום הנוכחי שלנו של יושב-QM/MM גישה, וזכה להבנה טובה יותר של אפקט איזוטרופי. ראוי לציין שהגישה המיושמת מסוגלת ללכוד את השינויים באנרגיה החופשית, אך לא ניתן ללכוד מאפיינים דינמיים מבלי להתחשב באפקט מינהור הקוונטים. ובכל זאת, פרוטוקול זה משמש כנקודת התחלה לחקירת מנגנוני התגובה הכימיים בסביבה המרוכז. אנו מצפים שיטה-QM/MM כדי להאריך את שיטות QM ברמה גבוהה יותר וכך יכול לנצל מערכות מורכבות יותר בעתיד.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

. למחברים אין מה לגלות

Acknowledgments

מחקר זה נתמך על ידי תוכנית המחקר ופיתוח המפתח הלאומי של סין (2017YFA0206801, 2018YFA0208600), קרן המדע הטבעי של פרובינצית, והקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (91645116). L. X הוא הפרופסור Zhong-וו ממונה מיוחד של אוניברסיטת ג'יאנגסו של הטכנולוגיה. המחברים מכירים בהצעות של ד ר האו הו וד ר מינגג'ון יאנג.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
operating system CentOS Linux release 6.0
QM4D software http://www.qm4d.info/ in-house program
Computer desktop HP

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

כימיה סוגיה 149 אפקט איזונושא העברת פרוטון כפול דגימה משופרת QM/MM משולב בדגימה משולבת הרפיה חישוב אנרגיה חופשית
אפקט איזונושא בתהליך העברת פרוטונים כפול של פורקן נחקר על-ידי שיטת QM/MM משופרת
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Tu, Z., Yin, J., Xie, L. Isotopic… More

Tu, Z., Yin, J., Xie, L. Isotopic Effect in Double Proton Transfer Process of Porphycene Investigated by Enhanced QM/MM Method. J. Vis. Exp. (149), e60040, doi:10.3791/60040 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter