Login processing...

JoVE Journal
Chemistry

This content is Open Access.

JoVE Journal Chemistry

Beregning av atmosfæriske konsentrasjoner av molekylære klynger fra ab initio termokjemi

Covalent Labeling with Diethylpyrocarbonate for Studying Protein Higher-Order Structure by Mass Spectrometry

Journal (Chemistry)

Covalent Labeling with Diethylpyrocarbonate for Studying Protein Higher-Order Structure by Mass Spectrometry

Stabilizing Hepatocellular Phenotype Using Optimized Synthetic Surfaces

Journal (Chemistry)

Stabilizing Hepatocellular Phenotype Using Optimized Synthetic Surfaces

Click here for the English version

Beregning av atmosfæriske konsentrasjoner av molekylære klynger fra ab initio termokjemi

Article DOI: 10.3791/60964-v

April 8th, 2020 •

Tuguldur T. Odbadrakh¹, Ariel G. Gale¹, Benjamin T. Ball¹, Berhane Temelso², George C. Shields¹

¹Department of Chemistry, Furman University, ²College of Charleston

Chapters

Summary
Automatic Translation

English (Original)
العربية (Arabic)
中文 (Chinese)
dansk (Danish)
Nederlands (Dutch)
français (French)
Deutsch (German)
עברית (Hebrew)
हिंदी (Hindi)
italiano (Italian)
日本語 (Japanese)
한국어 (Korean)
norsk (Norwegian)
português (Portugese)
русский (Russian)
español (Spanish)
svenska (Swedish)
Türkçe (Turkish)

April 8th, 2020

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

De atmosfæriske konsentrasjonene av svakt bundne molekylære klynger kan beregnes fra de termokjemiske egenskapene til lave energistrukturer som finnes gjennom en multi-trinns konfigurasjonsprøvemetode som utnytter en genetisk algoritme og semi-empiriske og ab initio kvantekjemi.

Transcript

Vår protokoll gir en fleksibel og beregningsmessig gjennomførbar tilnærming til å studere svakt bundne molekylære klynger og kan lett brukes til å få innsikt i deres struktur, dannelse og overflod. Denne teknikkens største fordel er effektiviteten og fleksibiliteten i behandling av molekylære klynger på ulike nivåer av teori fra raske kraftfelt og semi-empiriske metoder til strenge kvantemekaniske metoder. Atmosfærisk og aerosolkjemi kan dra mest nytte av denne tilnærmingen som fører til bedre modeller av klimaendringer.

Ethvert felt som involverer molekylære klynger kan imidlertid utnytte denne tilnærmingen. For personer som aldri har utført denne teknikken, er de mest utfordrende trinnene det første programmet og skriptinstallasjonen og deres tilpasning til det lokale databehandlingsmiljøet. Studenter som er nye i beregningskjemi, kan overvinne de bratte læringskurvene ved hjelp av databehandlingsklynger med høy ytelse gjennom visualisering av eksplisitte trinnvise instruksjoner.

For å oppnå en minimumsenergistruktur av isolerte glyfinmolekyler for bruk i en genetisk algoritmekonfigurasjonsprøvetaking, åpne en ny økt i Avogadro og klikk Bygg, Sett inn, Peptid, Glycine og Sett inn Peptid for å generere en glysinmonomer i visualiseringsvinduet. Klikk på Utvidelser og Gaussian, og rediger den første linjen i tekstboksen som angitt. Klikk Generer og lagre kommandofilen som glycine.com.

Hvis du vil ha en minimumsenergistruktur med isolert vann, åpner du en ny økt i Avogadro og velger Bygg, Sett inn og Fragment. Skriv inn vann i filtertekstboksen, velg vannfilen og klikk Sett inn. Klikk på Utvidelser og Gaussian, og rediger den første linjen i tekstboksen som angitt.

Klikk Generer og lagre kommandofilen som water.com. Deretter overfører du de to com-filene til databehandlingsklyngen og kjører Gaussian 09-beregningene ved hjelp av riktig sendeskript. Når beregningene er fullført på databehandlingsklyngen, kaller du åpen babel for å generere xyz-filer av de minste energistrukturene som kommer inn i kommandoen som angitt.

For genetisk algoritmebasert konfigurasjonsprøvetaking legger du til alle skriptene og malene i en mappe og kopierer mappen til den eksterne klyngen. Kontroller at alle skriptene er kjørbare, og bruk kommandoene som angitt for å legge til plasseringen av skriptkatalogen i miljøvariabelen for banen. For å få et sett med lavenergistrukturer for glysin og vann på billig semi-empirisk nivå av teori, opprette en katalog kalt gly-h2o-n som n er antall vannmolekyler og opprette en underkatalog kalt GA under gly-h2o-n katalogen for å kjøre genetiske algoritmeberegninger.

Kopier ogolem-inndatafiler, monomerer kartesiske koordinater og PBS batch innsendingsskript til GA-katalogen og kjør GA-beregningen ved hjelp av riktig endret kjøring. pbs sende skript. Når beregningen er fullført, endrer du katalogen til gly-h2o-n GA pm7 og kjører kommandoen getRotConsts som angitt hvor 13 er antall atomer i klyngen og null og ni indikerer at det er 10 strukturer med indekser null til ni.

Dette vil beregne rotasjonskonstantene til GA-optimaliserte klynger og generere en fil kalt rotConstsData_C som inneholder en sortert liste over alle GA-optimaliserte klyngekonfigurasjoner, deres energier og rotasjonskonstanter. Kjør likhetenAnalyse. py script med rotConstsData_C som en inndata for å finne og lagre de unike GA optimaliserte klynger.

Pm7 vil bli brukt som en filnavnetikett for å generere en fil som heter uniqueStructures-pm7.data. Dette inneholder en sortert liste over unike GA-optimaliserte konfigurasjoner. I gly-h2o-n GA-katalogen bruker du combine-GA.

csh script for å kombinere resultatene for flere sammenlignbare GA-kjøringer og for å generere en ny unik strukturliste kalt uniqueStructures-pm7. data i gly-h2o-n GA-katalogen. Arbeidskatalogen skal ha den nøyaktige organisasjonen og strukturen som vist.

For å avgrense strukturene i glysinvannklyngene fra den genetiske algoritmen basert på en semi-empirisk metode til en ved hjelp av en mer nøyaktig kvantemekanisk metode, opprett en underkatalog kalt QM under gly-h2o-n-katalogen. Under QM-katalogen oppretter du en annen underkatalog kalt pw91-sb og kopierer listen uniqueStructures fra gly-h2o-n GA-katalogen til QM pw91-sb-katalogen. Endre katalogen til gly-h2o-n QM pw91-sb og kjøre den lille basissett tetthet funksjonell teori script run-pw91-sb.

csh som sb er en etikett for dette settet med beregninger, Q er den foretrukne køen på databehandlingsklyngen, og 10 angir at 10 beregninger vil bli gruppert i én satsvis jobb. Når de innsendte beregningene er fullført, bruker du getRotConsts-dft-sb. csh script for å trekke ut energier og beregne rotasjonskonstantene i de små basisoptimaliserte klyngene.

Her er pw91 tettheten funksjonell som brukes og n er antall atomer i klyngen. Bruk tilsvarendeanalyse. py script som før for å identifisere de unike strukturer, men bruke sb som etiketten.

En liste over unike konfigurasjoner optimalisert på pw91 631 pluss G stjernenivå av teori vil bli lagret i den unikeStructures-sb. datafilen. I gly-h2o-n QM-katalogen bruker du den kombinerte kombiner-QM.

csh skript for å kombinere resultatene fra flere sammenlignbare QM-kjøringer. Den kombinerte-QM. csh pw91-sb kommandoen vil generere en ny unik strukturer liste kalt uniqueStructures-sb.

data i gly-h2o-n QM-katalogen. For ytterligere å avgrense strukturene i glysin- og vannklyngene ved hjelp av en bedre kvantemekanisk beskrivelse, opprett en underkatalog kalt pw91-lb under QM-katalogen. Kopier den unike strukturer listen fra QM pw91-sb katalogen til QM pw91-lb katalogen og endre katalogen til QM pw91-lb.

Kjør den store basistetthet funksjonell teori script run-pw91-lb. csh som lb er en etikett for dette settet med beregninger, Q er den foretrukne køen på databehandlingsklyngen, og 10 angir at 10 beregninger skal grupperes i én satsvis jobb. Når de innsendte beregningene er fullført, bruker du getRotConsts-dft-lb.

csh-kommandoen for å beregne rotasjonskonstantene til de store optimaliserte klyngene. Her er pw91 tettheten funksjonell som brukes og n er antall atomer i klyngen. Bruk likhetenAnalyse.

py script som før nå med lb som etiketten for å generere en liste over unike konfigurasjoner optimalisert på pw91 6311 pluss pluss G stjerne teori nivå og lagre i den unikeStructures-lb. datafilen. For å oppnå vibrasjonsstrukturen og energiene til glysin- og vannklyngene som er nødvendige for å beregne de ønskede termokjemiske rettelsene, kopierer du den unike strukturlisten fra QM pw91-lb-katalogen til QM pw91-lb ultrafine-katalogen og endrer katalogen til QM / pw91-lb ultrafine.

Kjør ultrafin tetthet funksjonell teori skriptet run-pw91-lb-ultrafine. csh som UF er en etikett for dette settet med beregninger, Q er den foretrukne køen på databehandlingsklyngen, og 10 angir at 10 beregninger skal grupperes i én satsvis jobb. Dette skriptet vil automatisk generere inndataene for Gaussian 09 og sende inn alle beregningene.

Når de innsendte beregningene er fullført, bruker du getRotConsts-dft-lb-ultrafine. csh-kommandoen for å beregne rotasjonskonstantene til de ultrafine optimaliserte klyngene. Her er pw91 tettheten funksjonell som brukes og n er antall atomer i klyngen.

Bruk likhetenAnalyse. py script som før nå med UF som etiketten for å generere og lagre en liste over unike konfigurasjoner optimalisert til ultrafine konvergenskriterier på pw91 6311 pluss pluss G stjerne teori nivå i den unikeStructures-uf. datafilen.

Kjør deretter run-thermo-pw91. csh script med unikeStructures-uf. datafil som inngang for å beregne termodynamiske rettelser.

Kopier og lim inn kommandolinjeutdataene i det vedlagte regnearket gly-h2o-n.xls. Som rå energier av denne beregningen og de påfølgende n er lik to, tre, fire og fem beregninger legges til det første arket i gly-h2o-n. xls spredsheet, vil det hydriske distribusjonsarket som gir likevektskonsentrasjonen av hydrater ved forskjellige temperaturer, relativ fuktighet og innledende konsentrasjoner av vann og glysin bli oppdatert.

Her kan laveste elektroniske energiisomers av glysin-vannklynger observeres. Legg merke til hvordan hydrogenbindingsnettverket vokser i kompleksitet etter hvert som antall vannmolekyler øker fra et stort sett planbasert nettverk til en tredimensjonal burlignende struktur på n er lik fem. I denne tabellen, et eksempel på utgangen av run-thermo-pw91.

csh-skriptet vises. For hver klynge tilsvarer energien til pw91 6311 pluss pluss G-stjernestjernen gassfasen elektroniske energier på pw91 6311 pluss G-stjernenivå av teori beregnet på ultrafine integrasjonsnett i enheter av hartrees samt nullpunkts vibrasjonsenergi i enheter av kilocalorie per mol. Ved hver temperatur gis den beregnede entalpyformasjonsdeltaet H i en Gibbs-fri energiformasjon delta G i enheter av kilokalorier per mol, og den beregnede enthalpyformasjonen S gis i enheter av kalorier per mol.

I denne tabellen vises representative beregninger av den totale Gibbs-frie energiendringen av hydrering og sekvensiell hydrering. Ved hjelp av disse dataene kan de atmosfæriske konsentrasjonene av hydrert glysin beregnes. Man må installere riktig programvare og lagt til de inkluderte skriptene for å gjenspeile ets eget databehandlingsmiljø.

Det er avgjørende å legge til plasseringen av skriptene på ens bane. Denne teknikken ble brukt til å bestemme den katalytiske aktiviteten til atmosfæriske vannklynger mot peptidbindingsdannelse for å bidra til feltet prebiotisk kjemi.

X

Simple Hit Counter