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Chemistry

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

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

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.

Abstract

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.

Introduction

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,

Equation 1

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,

Equation 2

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,

Equation 3

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,

Equation 4

Nós atribuímos Equation 5 , Equation 6 e em um termo de Us em senta-se,

Equation 7

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,

Equation 8

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.

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Protocol

1. modelo de construção

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.

2. pré-senta-se

  1. 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.
  2. 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.
  3. Calculando as energias decompostas
    1. 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}.
    2. 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.

3. opt-senta-se

  1. 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.
  2. Monitorizar as alterações energéticas e nk valores.
    1. 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.
    2. 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.

4. execução de simulações de produção

  1. 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.
  2. 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.

5 análise de dados

  1. Monitorando as mudanças de distância
    1. 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.
  2. Extração de coordenadas de reação
    1. 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.
    2. 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.
  3. Calculando a energia livre
    1. 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].
    2. 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 .

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Representative Results

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 Figura 4), e as alterações energéticas livres projetadas (Figura 5) foram utilizadas para caracterizar o efeito de substituição do deutério no processo de transferência de geometria e prótons de porficeno.

Figure 1
Figura 1. As estruturas das moléculas investigadas.
As estruturas do porphycene (a) e do porphycene deuterado (B). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2. A energia potencial muda durante simulações MD.
As mudanças energéticas potenciais da região QM (a) e do ambiente (B) em pre-senta-se e opt-senta etapas. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3. A distância característica muda.
(A) as mudanças de distância de H1-N1 e H2-N3 para o porphycene, e (B) as mudanças da distância de D1-N1 e de H2-N3 para o porphycene deuterado durante simulações de sirts-QM/mm; (C) a distribuição das mudanças de distância para H1-N1 e H2-N3 para o porphycene, e (D) D1-N1 e H2-N3 para o porphycene deuterado. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4. Os ângulos de ligação de hidrogênio durante as simulações de MD de produção.
Os anjos da ligação do hidrogênio para (a) o profcene e (B) o porphycene deuterado. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5. A paisagem de energia livre de cada processo de transferência de hidrogênio que foi projetada em duas coordenadas de reação (q1, q2).
(A) e (B) são paisagens de energia 2D livre da transferência H1 e H2 em porphycene; (C) e (D) paisagem 2D livre da energia de D1 e de transferência H2 no porphycene deuterado. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Arquivos suplementares. Arquivo de topologia, arquivo de parâmetro de campo de força, arquivo de coordenadas e arquivo de entrada. Por favor, clique aqui para baixar o arquivo.

Filme complementar 1. Porficeno. Por favor, clique aqui para baixar o vídeo.

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Discussion

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 porphycene equilibrando a eficiência e a exatidão22,25. Como uma técnica de realce de amostragem, a simulação de senta foi mostrada para ampliar a distribuição de Us para regiões de alta energia e, entretanto, preservar amostragem suficiente em torno da região de energia na temperatura de interesse. Para o caso atual, a energia de Us no "opt-senta" a etapa foi ampliada às escalas mais largas que abrangem a energia das simulações padrão do MD no "pre-senta" a etapa como mostrado em Figura 2. Entretanto, as mudanças de energia lisas de Ue indicaram que a temperatura mais elevada no subsistema QM não traria a perturbação no ambiente. O método senta-QM/MM realizou amostragem aprimorada na região QM interessada sem afetar a energia potencial da água.

A partir de mudanças de distância na Figura 3, percebemos que H1 transferidos de N1 para N2 para formar um estado de trânsito cis e, em seguida, iniciou uma transferência de H2 consecutivamente rápida para chegar ao outro estado Trans novamente; e vice-versa. O processo de transferência de prótons de dinâmica é mostrado no filme complementar 1. A transferência de deutério D1 entre N1 e N2 no único porphycene deuterado invocou a transferência de H2 entre N3 e N4. As mudanças assíncronas da distância indicaram o processo dobro Stepwise da transferência do próton para o porphycene e o único do porphycene substituído do deutium. As distribuições de distância semelhantes de D1-N1 e H2-N3 sugeriram que o efeito cooperativo em duas ligações de hidrogênio26. Consistente com o efeito de isótopos geométricos primários previamente relatados26, a distância de D1-N1 é menor que a distância de H1-n1 (1, 48 å vs. 1, 51 å). Como mostrado na Figura 3, observamos em torno de 135, e 65 vezes de transferência de H ou D para o porphycene e seus abundantes dentro de 3,2 NS MD simulações, respectivamente. Deuteriation pode exercer menos efeito sobre os ângulos de ligação de hidrogênio, como mostrado na Figura 4. A amostragem suficiente nos dois canais de reação nos permitiu calcular as mudanças de energia livre de cada transferência de prótons. O efeito isotópica óbvio foi observado no 2D paisagem livre da energia. O estado de transição foi deslocado de (0, 1 Å, 2,52 Å) para (-0, 1 Å, 2,76 Å) como revelado a partir de coordenadas de reação (q1, q2) (ver Figura 5). O valor q2 mais alto significa que a ligação de hidrogênio não ligada foi expandida. Isto pode vir do andaime assimétrico do porphycene deuterado.

Ambos os processos de transferência de prótons em porficeno e porficeno deuterado podem ser capturados por simulações de MD de senta-QM/MM sem pré-definir as coordenadas de reação. Além disso, as simulações de senta-QM/mm MD revelaram a diferença estrutural que foi introduzida pelo efeito isotópica. A ligação de hidrogênio D1-N1 foi encurtada em comparação com H1-N1. O estado de transição foi deslocado para maior valor de q2 por causa de uma forma assimétrica causada por deuteration. Embora apenas a diferença sutil foi detectada na ligação de hidrogênio covalente, a diferença de distância pode invocar maior diferença de energia em torno da distância de ligação de equilíbrio. Estamos planejando validar ainda mais essa observação em um método QM de nível superior nos estudos futuros.

A viabilidade do senta-QM/MM tem sido bem validada no canal duplo de reações sem as coordenadas de reação pré-definidoras no presente estudo. Este método prende o potencial de Pesquisar produtos da reação dos Estados reagente conhecidos se nenhum mecanismo de reação prévio é fornecido. Nós adotamos o método de dftb/Mio em nossa implementação atual da aproximação de senta-QM/mm, e ganhamos uma compreensão melhor do efeito isotópica. Vale ressaltar que a abordagem implementada é capaz de captar as mudanças de energia livre, mas não pode capturar propriedades dinâmicas sem considerar o efeito de Tunelamento Quântico. Ainda assim, este protocolo atua como ponto de partida para investigar os mecanismos de reação química no ambiente condensado. Esperamos que o método de senta-QM/MM seja estendido para métodos QM de nível mais alto e, portanto, possa explorar sistemas mais complexos no futuro.

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Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgments

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.

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

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