Summary
يتم عرض بروتوكول يستخدم طريقة QM/MM المحسنة للتحقيق في تأثير النظائر على عملية نقل البروتون المزدوج في البورفيسين هنا.
Abstract
يؤدي استبدال الديوتيريوم الوحيد في البورفيسين إلى هندسة جزيئية غير متناظرة، والتي قد تؤثر على عملية نقل البروتون المزدوج في جزيء البورفيسين. في هذه الدراسة، طبقنا طريقة QM/MM المعززة تسمى SITS-QM/MM للتحقيق في آثار نظائر الهيدروجين/الديوتيريوم (H/D) على نقل البروتون المزدوج في البورفيسين. وتشير التغيرات في المسافة في محاكاة الديناميات الجزيئية SITS-QM/MM إلى أن الديوتيريوم البديل للبورفيسين اعتمد آلية نقل البروتون المزدوجة stepwise. وأشار التحليل الهيكلي وتحولات الطاقة الحرة لعملية نقل البروتون المزدوج إلى أن الاستبدال النظائري غير المتناظر ضغط بمهارة روابط الهيدروجين التساهمية وقد يغير الموقع الأصلي لحالة الانتقال.
Introduction
عملية نقل البروتون في porphycenes يحمل التطبيقات المحتملة في تطوير مفاتيحالجزيئية، الترانزستورات وأجهزة تخزين المعلومات 1،2. وعلى وجه الخصوص، اجتذب التاوتومير في البورفيسينات من خلال عملية نقلالبروتون المزدوج اهتماما ً واسعاً في مجالات التحليل الطيفي والفيزياء الضوئية 2. يمكن لذرات الهيدروجين الداخلية من البورفيسين أن تهاجر من أيزومر عبر واحد إلى أيزومر عبر مكافئ آخر من خلال عملية نقل البروتون المزدوج كما هو موضح في الشكل 1. وقد تم اقتراح آليتين لعملية نقل البروتون المزدوج: آليةمنسقة وتدريجية 3،4. في عملية نقل البروتون المزدوجة المنسقة، تنتقل ذرات البروتون إلى الحالة الانتقالية بشكل متزامن بطريقة متناظرة، في حين يكمل بروتون واحد النقل قبل البروتون الآخر في عملية تدريجية. اثنين من ذرات الهيدروجين يمكن أن تنتقل في وقت واحد أو خطوة اعتمادا على قوة الارتباط بين اثنين من ذرات الهيدروجين5.
وقد استخدم استبدال النظائر للكشف عن الخصائص الهيكلية للجزيئات ومعدل الثوابت من حركية التفاعل6. استبدال الديوتيريوم واحد في الهيدروجين الداخلي من البورفيسين يؤدي إلى شكل غير متماثل من الجزيء. قد تتوسع رابطة الهيدروجين أو تتقلص بسبب الفرق الكتلي بين ذرات الهيدروجين والديوتيريوم. الاستبدال النظائري يدخل اضطراب في سقالة البورفيسين. والسؤال الذي يطرح نفسه هو ما إذا كان الهيكل غير المتناظر سيؤثر على عملية نقل البروتون. وذكر ليمباخ وزملاء العمل أن استبدال الهيدروجين مع الديوتيريوم سوف ضغط كل من سندات الهيدروجين، واقترانالتعاونية من اثنين من سندات الهيدروجين في porphycene قد تفضل آلية منسقة 7، في حين ذكر يوشيكاوا ومن شأن الخلع أن يجعل آلية الخطوة تسهم أكثر من آلية منسقة8. وقد تم تطوير تقنيات تجريبية، مثل التحليل الطيفي للقوة، لالتقاط تفاصيل التيزوميرة في بورفيسين واحد9. ومع ذلك، لا يزال من الصعب تحديد التفاصيل الذرية لنقل البروتون تجريبيا بسبب طبيعته العابرة.
يمكن أن تكون الحسابات النظرية والمحاكاة بمثابة أدوات تكميلية في توضيح آليات التفاعل لنقل البروتون. ومن بين الأساليب النظرية المختلفة، يمكن لمحاكاة الديناميات الجزيئية (MD) رصد الحركات الدينامية لكل ذرة، وقد استخدمت على نطاق واسع للكشف عن الآليات المعقدة في التفاعلات الكيميائية والأنزيمية. ومع ذلك، تميل عمليات المحاكاة المنتظمة MD إلى المعاناة من عدم كفاية مسألة أخذ العينات، لا سيما عندما يكون هناك حاجز طاقة عال في عملية الاهتمام. لذلك، تم تطوير أساليب أخذ العينات المعززة، والتي تشمل أخذ العينات مسار الانتقال10،11،مظلة أخذ العينات (الولايات المتحدة)12،13،وأخذ العينات المتكاملة تلطيف (ITS)14، 15. الجمع بين مختلف أساليب أخذ العينات المحسنة يمكن أن تزيد من كفاءة أخذ العينات16،17،18. لتسخير خوارزميات أخذ العينات المعززة في محاكاة التفاعلات الكيميائية، قمنا بتنفيذ طريقة انتقائية متكاملة لأخذ العينات المعتدلة (SITS) مع إمكانات الكم الميكانيكية والجزيئية الميكانيكية (QM /MM) مؤخرا19. تجمع طريقة SITS-QM/MM المقترحة بين المزايا من كلا الأسلوبين: فطريقة SITS تسرع عملية أخذ العينات ويمكنها استكشاف جميع قنوات التفاعل الممكنة دون معرفة مسبقة بآلية التفاعل، وتوفر QM/MM وصفًا أكثر دقة لـ عملية تشكيل السندات وكسر السندات، والتي لا يمكن محاكاة من قبل أساليب MM فقط. وقد نجح نهج SITS-QM/MM المنفذ في الكشف عن نقل البروتون المزدوج المتضافر، غير المترابط والمرتبط بآلية نقل البروتون المزدوج ة في أنظمة مختلفة، دون تحديد إحداثيات التفاعل المسبق19. لporphycene، وقد تم الإبلاغ عن حرف نقل البروتون stepwise ولكن مترابطة19. تم استخدام طريقة SITS-QM/MM الهجينة للتحقيق في تأثير النظائر في البورفيسين في دراستنا، وفيما يلي الأوصاف التفصيلية للخوارزمية وبروتوكول أسلوبنا.
لقد قمنا بتنفيذ طريقة SITS مع إمكانات QM/MM المختلطة. تم تحديد الإمكانات الفعالة لـ SITS لتشمل الطاقة المحتملة في درجات حرارة مختلفة مع عوامل الترجيح نك لتغطية نطاقات درجة الحرارة الأوسع،
حيث، N هو عدد المصطلحات الكنسية، βk هو درجة الحرارة العكسية، و nk هو عامل الترجيح المقابل لكل مكون قانوني. UE (R) و UN(R) تمثل المصطلحات المحسنة وغير المحسنة في SITS ويتم تعريفها على النحو التالي:
ش s, Use and Ue هي الطاقة المحتملة للنظام الفرعي، والتفاعل بين النظام الفرعي والبيئة، والطاقة المحتملة للبيئة. يتم التعبير عن إمكانات QM/MM كخلاصة هجينة لثلاثة مكونات،
حيث UQM، Uqm/mm،وU mm هي مصطلح الطاقة الداخلية للنظام الفرعي QM، وطاقة التفاعل بين مناطق QM وMM، وطاقة التفاعل داخل النظام الفرعي MM، على التوالي. يمكن تقسيم مصطلح Uqm/mm إلى ثلاثة مكونات، والتي تشمل الكهروستاتيكي، وفان دير وال، ومصطلحات طاقة التفاعل المشترك بين ذرات QM وMM،
نحن 
تعيين، 
وإلى مصطلح واحد الولايات المتحدة في SITS،
ثم تم تحلل الإمكانات الكاملة للنظام في طاقة النظام الفرعي Uق، والطاقة التفاعل بين النظام الفرعي والبيئة Use، وطاقة البيئة Uه. على سبيل المثال، في نظام العمل الحالي، والنظام الفرعي هو porphycence، والبيئة المياه.
يتم اشتقاق ملف PMF على طول متغير جماعي (R) على النحو التالي:
ال عموما يستعمل ردّ فعل إحداثيات ل كلّ هيدروجين إنتقال من [ن1]− [ه1]··· N2 هي س1 = (ص1-ص2)/ 2 و س2 = ص1 + ص2، حيث هي1 هي مسافة N1-H1 و r2 هي مسافة H1-N2.
وقد تم تنفيذ هذه الطريقة في حزمة محاكاة QM/MM MD QM4D20. يمكن العثور على التعليمات البرمجية الكاملة للمصدر والوثائق هنا: http://www.qm4d.info/.
وبصفة عامة، تنطوي عمليات محاكاة SITS-QM/MM MD على أربع خطوات: ما قبل التوازن (ما قبل الجلوس)؛ ومحاكاة الـ SITS-QM/MM MD تتضمن أربع خطوات: ما قبل التوازن (ما قبل الجلوس)؛ ومحاكاة الـ SITS-QM/MM MD التي تتضمن أربع خطوات: ما قبل التوازن (ما قبل الجلوس)؛ و التحسين نك (opt-sits)؛ محاكاة الإنتاج وتحليل البيانات.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. نموذج البناء
- بناء هيكل porphycene: افتح برنامج GaussView بالنقر المزدوج فوق الماوس. ثم انقر فوق زر جزء العنصر في القائمة من GaussView لاختيار العناصر المطلوبة. بناء البورفيسين. ثم انقر فوق زر ملف لحفظ كملف pdb.
- حل النموذج: حل porphycene في مربع المياه TIP3P21 مكعب مع طول حافة 38 Å عن طريق إصدار الأمر في نظام التشغيل لينكس: genbox_d -cp prp-vac.pdb -cs spc216.gro -o solv.pdb -maxsol 1484 -box 3.8.
- بناء الديوتيريوم بورفيسين: إصدار الأمر التالي لإنشاء ملف طبولوجيا: cns < ppi_solv.inp. ثم فتح prp-wat.psf مع الأمر السادس وتغيير كتلة H1 من 1.00800 إلى 2.01600 لتحل محل ذرة هيدروجين واحدة داخل الجزيئية من porphycene مع الديوتيريوم لبناء الديوتيريوم واحد استبدال البورفيسين.
-
تعيين معلمات محاكاة MD العادية: طريقة الإدخال scctb، لا يتجزأ 0.5 fs، وقطع 12 في ملف الإدخال MD عن طريق فتحه مع الأمر السادس.
ملاحظة: اعتماد مسافة قطع من 12 Å لحساب كل من vdW والتفاعلات الكهروستاتيكية. محاكاة جزيء البورفيسين مع DFTB / MIO طريقة22. تعيين خطوة وقت التكامل كـ 0.5 fs لمحاكاة MD. الحفاظ على درجة حرارة نظام المحاكاة في 300 K مع ترموستات لانجفين. ثم قم بإجراء عمليات المحاكاة مع برنامج QM4D باتباع الخطوات التالية.
2. ما قبل يجلس
-
إعداد معلمات درجة الحرارة: المدخلات templow 260، temphigh 1100 و ntemp 160 في ملف الإدخال.
ملاحظة: تم توزيع نطاق درجة الحرارة من 260K إلى 1100K من قبل برنامج QM4D إلى 160 نقطة درجة حرارة أثناء محاكاة MD. يتم تضمين ملفات إدخال القالب في الملفات التكميلية. -
بدء ما قبل الجلوس: تعيين runtype 100 والخطوة 120,000 في ملف الإدخال. ثم إصدار الأمر التالي: $INPUTFILE $PATH/qm4d > $OUTPUTFILE.
ملاحظة: الخطوة الإجمالية هي 120,000 ولكن يمكن تعديلها اعتماداً على الحاجة المحددة. يتم حفظ المعلمات المقترحة من محاكاة MD في $INPUTFILE. يتم استخدام نفس الأمر أيضًا في خطوات محاكاة opt-ss والإنتاج التالية، مع تعديل ملف الإدخال وفقًا لذلك. -
حساب الطاقات المتحللة
- استخراج تغيرات الطاقة: أثناء مرحلة ما قبل الجلوس، رصد الطاقة من كل مصطلح لحساب القيم المتوسطة، كما هو مبين في الشكل 1. استخدم الأمر grep Linux لاستخراج الطاقة على النحو التالي:
grep 'SITS-ener0' $INPUTFILE | awk '{a+$3;b+$4;c+$5}END{print a/NR,b/NR,c/NR}. - تعديل متوسط الطاقات في ملف إدخال MD: حساب متوسط الطاقات استناداً إلى إخراج سطر الأوامر أعلاه، وتعديل خط vshift0 -30801.95؛ vshift1 -26.88؛ vshift2 -13888.28 في ملف الإدخال مع المتوسطات التي تم إنشاؤها حديثاً.
ملاحظة: الأرقام -30801.85 و-26.88 و-13888.28 هي متوسط الطاقات في نظام النموذج الحالي. الرجاء تعديل القيم استناداً إلى أنظمة معينة.
- استخراج تغيرات الطاقة: أثناء مرحلة ما قبل الجلوس، رصد الطاقة من كل مصطلح لحساب القيم المتوسطة، كما هو مبين في الشكل 1. استخدم الأمر grep Linux لاستخراج الطاقة على النحو التالي:
3. اختيار يجلس
- بدء الجلوس: تعيين نوع التشغيل 0 في ملف الإدخال. ثم قم ببدء تشغيل برنامج QM4D بكتابة الأمر كما هو موضح في الخطوة 2.2 لبدء الخطوة التحسين.
-
رصد التغيرات في الطاقة و نك القيم.
- رسم انتشار الطاقة مع برنامج "نعمة" وتأكد من تقلب الطاقة يمكن أن تغطي أدنى وأعلى نهايات نطاق درجة الحرارة.
- بعد التحسين، حفظ القيم nk النهائية من الخطوة opt-sits في ملف جديد، الذي يسمى nk.dat في هذا البروتوكول.
4. تشغيل محاكاة الإنتاج
- تحضير ملف إدخال MD: تعيين نوع التشغيل 1 في ملف الإدخال الجديد لبدء خطوة محاكاة الإنتاج. حدد اسم ملف الملف nk المخزن كملف nk.dat nkfile في ملف الإدخال. وقد حُزِّل عدد الخطوات الزمنية بـ 000 400 6 خطوة في النظم الحالية.
-
بدء محاكاة MD الإنتاج: إصدار الأمر التالي لبدء عمليات محاكاة MD: $PATH/qm4d $INPUTFILE > $OUTPUTFILE.
ملاحظة: تأكد من يمكن قراءة قيم nk بواسطة برنامج QM4D. وقت المحاكاة يعتمد على النظام لذلك تغيير خطوة المحاكاة على أساس مطالب محددة. حدد عددًا مناسبًا من خطوات الوقت لضمان وقت محاكاة كافٍ للنظام الخاص بك. من المحتمل أن تستغرق هذه الخطوة وقتاً طويلاً، لذا احفظ ملفات إعادة التشغيل لتجنب إعادة تشغيل الإنتاج من البداية بمجرد تعطيلها.
5 [دتا] تحليل
-
مراقبة التغيرات في المسافة
- مراقبة عملية تشكيل السندات وكسر خلال مرحلة الإنتاج، واستخدام الأمر grep للتحقق من التغييرات المسافة من H1-N1 و H1-N2 على طول وقت المحاكاة. ويمكن إجراء نفس العملية لH2-N3 و H2-N4. ثم رسم انتشار المسافة باستخدام قيمة المسافة المتراكمة أثناء محاكاة الإنتاج.
-
استخراج إحداثيات التفاعل
- استخراج إحداثيات رد الفعل وشروط الطاقة من ملف إنتاج الإنتاج التي تم إنشاؤها بواسطة QM4D بواسطة الأمر grep:
$OUTPUTFILE الـ"دي 4 1" | awk '{طباعة $5}' > المسافة1;
grep 'ener0' $OUTPUTFILE > ener0. - تنظيم البيانات في أربعةأعمدة: س 1، س2،U0 و U' (U0 و U' هي الطاقة العادية الناتج والطاقة المرجحة)، وكتابتها في ملف البيانات في كل إطار زمني.
- استخراج إحداثيات رد الفعل وشروط الطاقة من ملف إنتاج الإنتاج التي تم إنشاؤها بواسطة QM4D بواسطة الأمر grep:
-
حساب الطاقة الحرة
- حساب الطاقة الحرة عن طريق إصدار الأمر التالي:
$INPUTFILE [hist_miny hist_maxy num_binsy] >$OUTPUTFILE .
ملاحظة: sits-pmf هو أسلوب التحليل المستندإلى الرسم البياني. [hist_minx hist_maxx num_binsx] يحدد نطاق وعدد الصناديق لإحداثيات رد الفعل الأول. يمكن تعيين إحداثيات رد الفعل الثاني بواسطة [hist_miny hist_maxy num_binsy]. - لعرض الطاقة الحرة على المناظر الطبيعية ثنائية الأبعاد، اكتب الأمر التالي:
يجلس-pmf 300 h1-2d.dat PMF2 -0.6 0.6 24 2.45 4.25 36 > يجلس-pmf.out.
ملاحظة: استخدم ما مجموعه 24 صندوقاً و36 صندوقاً لتغطية تغيرات المسافة في إحداثيات التفاعل المحددتين، q1 وq2على التوالي. حفظ بيانات PMF 2D لكل الهيدروجين/الديوتيريوم إلى ملف sits-pmf.out.
- حساب الطاقة الحرة عن طريق إصدار الأمر التالي:
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
وقد تم فحص تأثير استبدال الديوتيريوم الوحيد على عملية نقل البروتونالمزدوج في البورفيسين في البروتوكول الحالي (الشكل 1). وقد تم فحص الطاقة المحتملة للنظام الفرعي QM والمياه خلال مرحلة ما قبل التوازن وخطوة التحسين للتأكد من توسيع نطاق الطاقة إلى نطاق أوسع للطاقة (الشكل2). وقد استخدمت التغيرات التمثيلية للمسافة والزاوية (الشكل3 والشكل 4)والتغيرات المتوقعة في الطاقة الحرة (الشكل5)لوصف تأثير استبدال الديوتيريوم على عملية نقل الديوتيريوم من البورفيسين.
الشكل 1 هياكل الجزيئات التي تم التحقيق فيها.
هياكل البورفيسين (أ) وporphycene deuterated(B). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2 تتغير الطاقة المحتملة أثناء عمليات محاكاة MD.
التغيرات المحتملة في الطاقةفي منطقة QM (A) والبيئة (B) في خطوات ما قبل الجلوس والمشاركة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3 تتغير المسافة المميزة.
(أ) تغيرات المسافة من H1-N1 و H2-N3 للبورفيسين، و (ب) التغيرات المسافة من D1-N1 و H2-N3 لporphycene deuterated خلال محاكاة SIRTS-QM/MM؛ (C) توزيع التغيرات المسافة لH1-N1 و H2-N3 للبورفيسين، و (D) D1-N1 و H2-N3 للبورفيسين deuterated. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4 الهيدروجين رابطة زوايا أثناء الإنتاج [مد] محاكاة.
الملائكة السندات الهيدروجين ل (أ) prophycene و (ب) porphycene deuterated. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5 المشهد الطاقة الحرة من كل عملية نقل الهيدروجين التي تمإسقاطها على اثنين من إحداثيات التفاعل (س 1، ف2).
(أ) و (ب) هي المناظر الطبيعية للطاقة الحرة 2D من H1 وH2 نقل في porphycene؛ (C) و (D) 2D المناظر الطبيعية للطاقة الحرة من D1 و H2 نقل في porphycene deuterated. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
ملفات تكميلية. ملف طبولوجيا، ملف معلمة حقل فرض، إحداثيات ملف وملف الإدخال. الرجاء النقر هنا لتحميل الملف.
فيلم تكميلي 1. (بورفيسين) الرجاء النقر هنا لتحميل الفيديو.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
وقد تبين هيكل البورفيسين في الشكل 1. تم استخدام الخصائص الكهروستاتيكية QM / MM الهجين المحتملة مع طريقة SITS لوصف التفاعلات الكيميائية في الماء23،24. يحدث نقل البروتون داخل porphycene3 وبالتالي يتم تعيين porphycene كمنطقة QM ويتم تعيين المياه تذكير كمنطقة MM. هنا اعتمدنا DFTB / MIO كطريقة QM لدينا لعلاج porphycene من خلال تحقيق التوازن بين الكفاءة والدقة22،25. وكتقنية لتعزيز أخذ العينات، تبين أن محاكاة SITS توسع نطاق توزيع الولايات المتحدة على المناطق ذات الطاقة العالية، وفي الوقت نفسه تحافظ على أخذ عينات كافية حول منطقة الطاقة عند درجة الفائدة. بالنسبة للحالة الراهنة، تم توسيع طاقة Us في خطوة "opt-sits" إلى نطاقات أوسع تشمل طاقة محاكاة MD القياسية في خطوة "ما قبل الجلوس" كما هو موضح في الشكل 2. وفي الوقت نفسه، أشارت التغيرات السلسة في الطاقة في Ue إلى أن ارتفاع درجة الحرارة في النظام الفرعي QM لن يجلب الاضطراب في البيئة. حققت طريقة SITS-QM/MM أخذ عينات معززة في منطقة إدارة المخاطر المهتمة دون التأثير على الطاقة المحتملة للمياه.
من التغيرات المسافة في الشكل 3، لاحظنا أن H1 نقل من N1 إلى N2 لتشكيل دولة رابطة الدول المستقلة العبور ، ومن ثم بدأت نقل H2 سريععلى التوالي للوصول إلى الدولة العابرة الأخرى مرة أخرى؛ والعكس بالعكس. يتم عرض عملية نقل البروتون ديناميات في الفيلم التكميلي 1. واستشهد نقل الديوتيريوم D1 بين N1 وN2 في البورفيسين المبتور بواحد بنقل H2 بين N3 وN4. وأشارت التغيرات غير المتزامنة في المسافة إلى عملية نقل البروتون المزدوج التدريجي لكل من البورفيسين والديوتيريوم الواحد البديل من البورفيسين. وتشير التوزيعات المسافات مماثلة من D1-N1 و H2-N3 أن التأثير التعاوني على اثنين من سندات الهيدروجين26. تمشيا مع تأثير النظائر الهندسية الأولية التي تم الإبلاغ عنها سابقا26، والمسافة من D1-N1 أقصر من المسافة من H1-N1 (1.048 Å مقابل 1.051 Å). كما هو مبين في الشكل 3، لاحظنا حوالي 135 ، و 65 مرة من نقل H أو D للبورفيسين وisotopomers لها في غضون 3.2 ns MD المحاكاة ، على التوالي. قد يكون للإلغاء تأثير أقل على زوايا سندات الهيدروجين كما هو موضح في الشكل 4. أخذ العينات الكافية على قناتي التفاعل مكننا من حساب التغيرات في الطاقة الحرة لكل نقل بروتون. وقد لوحظ تأثير النظائر واضحة في المشهد الطاقة الحرة 2D. تم تحويل الحالة الانتقالية من (0.01 Å, 2.52 Å) إلى (-0.01 Å, 2.76Å) كما هو كشف من إحداثيات رد الفعل (س 1, ف2) (انظر الشكل 5). وتعني القيمة الأعلى لـ q2 أنه تم توسيع رابطة الهيدروجين غير المستعبدين. قد يأتي هذا من سقالة غير متناظرة من porphycene deuterated.
ويمكن التقاط كل من عمليات نقل البروتون في البورفيسين والبورفيسين المبتور من قبل محاكاة SITS-QM/MM MD دون تحديد إحداثيات التفاعل مسبقاً. وعلاوة على ذلك، كشفت عمليات محاكاة SITS-QM/MM MD عن الفرق الهيكلي الذي أدخله تأثير النظائر. تم تقصير السندات الهيدروجين D1-N1 بالمقارنة مع H1-N1. تم تحويل حالة الانتقال نحو قيمة q2 أعلى بسبب شكل غير متماثل بسبب التثنية. على الرغم من أنه تم الكشف عن فرق دقيق فقط في رابطة الهيدروجين التساهمية، فإن فرق المسافة قد يستدعي فارقاً أكبر في الطاقة حول مسافة رابطة التوازن. ونحن نخطط لمزيد من التحقق من صحة هذه الملاحظة على مستوى أعلى طريقة QM في الدراسات المستقبلية.
وقد تم التحقق من جدوى SITS-QM/MM بشكل جيد في القناة المزدوجة من ردود الفعل دون تحديد إحداثيات رد الفعل مسبقا في هذه الدراسة. هذه الطريقة يحمل إمكانية البحث عن منتجات رد الفعل من الدول المتفاعلة المعروفة إذا لم يتم توفير آلية رد فعل مسبقة. لقد اعتمدنا طريقة DFTB/MIO في تنفيذنا الحالي لنهج SITS-QM/MM، واكتسبنا فهمًا أفضل لتأثير النظائر. ومن الجدير بالذكر أن النهج المنفذ قادر على التقاط التغيرات في الطاقة الحرة، ولكن قد لا التقاط خصائص ديناميكية دون النظر في تأثير نفق الكم. ومع ذلك، فإن هذا البروتوكول بمثابة نقطة انطلاق للتحقيق في آليات التفاعل الكيميائي في البيئة المكثفة. ونتوقع توسيع طريقة SITS-QM/MM إلى أساليب إدارة الكمية الأعلى مستوى، وبالتالي يمكن هاقد استغلال أنظمة أكثر تعقيداً في المستقبل.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
وليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.
Acknowledgments
ويدعم هذا البحث البرنامج الوطني للبحث والتطوير الرئيسي في الصين (2017YFA0206801، 2018YFA0208600)، ومؤسسة العلوم الطبيعية في مقاطعة جيانغسو، والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (91645116). لوس ان ك هو تشونغ وو أستاذ معين خصيصا من جامعة جيانغسو للتكنولوجيا. ويعترف المؤلفان بالاقتراحات المقدمة من الدكتور هاو هو والدكتور مينغجون يانغ.
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 |
References
- Waluk, J. Ground- and excited-state tautomerism in porphycenes. Accounts of Chemical Research. 39 (12), 945-952 (2006).
- Waluk, J. Spectroscopy and tautomerization studies of porphycenes. Chemical Reviews. 117 (4), 2447-2480 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- Wolfsberg, M., Hook, W. A., Paneth, P., Rebelo, L. P. N. Isotope effects. The Chemical, Geological, and Bio Sciences. , Springer. Dordrecht. (2009).
- 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).
- 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).
- Ladenthin, J. N., et al. Force-induced tautomerization in a single molecule. Nature Chemistry. 8 (10), 935-940 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kästner, J.
- Gao, Y. Q. An integrate-over-temperature approach for enhanced sampling. Journal of Chemical Physics. 128 (6), 064105 (2008).
- Yang, L., Gao, Y. Q. A selective integrated tempering method. Journal of Chemical Physics. 131 (21), 214109 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hu, X., Hu, H., Yang, W. QM4D: an integrated and versatile quantum mechanical/molecular mechanical simulation package (http://www.qm4d.info/). , (2016).
- 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).
- 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).
- Bakowies, D., Thiel, W. Hybrid models for combined quantum mechanical and molecular mechanical approaches. The Journal of Physical Chemistry. 100 (25), 10580-10594 (1996).
- 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).
- 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).
- 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).
