تأثير النظائر في عملية نقل البروتون المزدوج من البورفيسين التحقيق من قبل طريقة QM/MM المحسنة
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.
Protocol
Representative Results
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 تذ…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| operating system | CentOS Linux release 6.0 | ||
| QM4D software | http://www.qm4d.info/ | in-house program | |
| Computer desktop | HP |
Referências
- 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. , (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. Umbrella sampling. Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science. 1 (6), 932-942 (2011).
- 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).
