אפקט איזונושא בתהליך העברת פרוטונים כפול של פורקן נחקר על-ידי שיטת QM/MM משופרת
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,
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-,
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,
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,
אנחנו מקצים 
, 
ולתוך מונח אחד של U יושב,
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-,
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.
Protocol
Representative Results
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 ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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).
