향상된 QM/MM 방법으로 조사된 포르피센의 이중 양성자 이송 과정에서 동위원소 효과
Summary
포르피센에서 이중 양성자 전달 과정에 대한 동위원소 효과를 조사하기 위해 향상된 QM/MM 방법을 사용하는 프로토콜이 여기에 제시된다.
Abstract
포르피센의 단일 중수소 치환은 비대칭 분자 기하학으로 이어지며, 이는 포르피센 분자에서 이중 양성자 전달 과정에 영향을 미칠 수 있다. 이 연구에서는 SITS-QM/MM이라는 향상된 QM/MM 방법을 적용하여 포르피센의 이중 양성자 전달에 대한 수소/중수소(H/D) 동위 원소 효과를 조사했습니다. SITS-QM/MM 분자 역학 시뮬레이션의 거리 변화는 중수소 치환 포르피센이 단계별 이중 양성자 전달 메커니즘을 채택했다는 것을 시사했다. 이중 양성자 전달 공정의 구조적 분석 및 자유 에너지 이동은 비대칭 동위원소 치환이 공유 수소 결합을 미묘하게 압축하고 원래의 전이 상태 위치를 변경할 수 있음을 나타냈다.
Introduction
포르피세인의 양성자 전달 과정은 분자 스위치, 트랜지스터 및 정보 저장장치 개발에 잠재적인 응용 프로그램을 보유1,2. 특히, 이중 양성자 전달 과정을 통한 포피센의 타우토메화는 분광학 및 광물리학2분야에 큰 관심을 받고 있다. 포르피센의 내부 수소 원자는 도 1에 도시된 바와 같이 이중 양성자 전달 과정을 통해 다른 상응하는 트랜스 이소머로 하나의 트랜스 이소머로부터 마이그레이션될 수 있다. 이중 양성자 전달 과정에 대해 두 가지 메커니즘이 제안되었다:협연 및 단계적 메커니즘 3,4. 이중 양성자 전달 과정에서, 두 양성자 원자는 대칭방식으로 동기적으로 전환 상태로 이동하는 반면, 한 양성자들은 단계적 과정에서 다른 양성자 보다 더 많은 양상자 보다 전사를 완료한다. 2개의 수소 원자는 2개의 수소 원자5사이의 상관 강도에 따라 동시에 또는 단계적으로 전달될 수 있다.
동위원소 치환은 반응 역학의 분자 및 속도 상수의 구조적 특성을 검출하는 데 사용되어 왔다6. 포르피센의 내부 수소에서의 단일 중수소 치환은 분자의 비대칭 형상으로 이어집니다. 수소 결합은 수소와 중수소 원자 사이의 질량 차이로 인해 확장되거나 수축될 수 있습니다. 동위원소 치환은 포르피센의 스캐폴드에서 섭동을 도입한다. 문제는 비대칭 구조가 양성자 전달 과정에 영향을 미칠 지 여부가 발생합니다. Limbach와 동료들은 중수소로 수소를 교체하면 수소 결합을 압축할 수 있으며, 포르피센에 있는 두 개의수소 결합의 협력 결합은 공동 메커니즘 7을 선호할 수 있다고 보고했지만, 요시카와는 deuteration는 단계적 메커니즘이 협조된 메커니즘8보다더 많은 기여를 할 것입니다. 힘 분광법과 같은 실험 기술은 단일 포르피센 9에서 tautomerization 세부사항을 캡처하기 위해 개발되었습니다. 그러나, 그것의 일시적인 성격 때문에 양성자 전송의 원자 세부 사항을 실험적으로 결정하기 위하여 아직도 도전적입니다.
이론적 계산 및 시뮬레이션은 양성자 전달의 반응 메커니즘을 해명하는 보완 적 도구 역할을 할 수 있습니다. 다양한 이론적 방법 중에서 분자 역학(MD) 시뮬레이션은 각 원자의 동적 움직임을 모니터링할 수 있으며 화학 및 효소 반응의 복잡한 메커니즘을 밝히는 데 널리 사용되었습니다. 그러나 정기적인 MD 시뮬레이션은 특히 관심 있는 프로세스에 높은 에너지 장벽이 있는 경우 샘플링 문제가 부족한 경향이 있습니다. 따라서, 전이 경로 샘플링10,11,우산 샘플링(US)12,13,및 통합 템퍼링 샘플링(ITS)14, 15. 다른 향상된 샘플링 방법의 조합은 샘플링 효율16,17,18을더욱 증가시킬 수 있습니다. 화학 반응을 시뮬레이션할 때 향상된 샘플링 알고리즘을 활용하기 위해 최근19일양자 기계 및 분자 기계(QM/MM) 잠재력을 갖춘 선택적 통합 템퍼링 샘플링(SITS) 방법을 구현했습니다. 제안된 SITS-QM/MM 방법은 두 가지 방법의 장점을 결합합니다: SITS 방법은 샘플링을 가속화하고 반응 메커니즘에 대한 사전 지식 없이 가능한 모든 반응 채널을 탐색할 수 있으며, QM/MM은 보다 정확한 설명을 제공합니다. MM 메소드로만 시뮬레이션할 수 없는 본드 형성 및 본드 브레이킹 공정. 구현된 SITS-QM/MM 접근법은 반응 좌표19를미리 정의하지 않고 서로 다른 시스템에서 서로 다른 시스템에서 협연된 이중 양성자 전달, 상관관계가 없는 및 상관관계가 있는 이중 양성자 전달 메커니즘을 성공적으로 발견했습니다. 포르피센의 경우, 단계적이지만 상관관계가 있는 양성자 전사 문자는19로보고되었다. 하이브리드 SITS-QM/MM 방법은 당사의 연구에서 포르피센에서 동위원소 효과를 조사하는 데 사용되었으며, 아래는 당사의 방법의 알고리즘 및 프로토콜에 대한 자세한 설명입니다.
우리는 하이브리드 QM / MM 잠재력을 가진 SITS 방법을 구현했습니다. SITS의 유효 잠재력은 더 넓은 온도 범위를 커버하기 위해 가중치 계수 nk와 다른 온도에서 잠재적 인 에너지를 포함하도록 정의되었다,
여기서 N은 표준 용어의 수이고, βk는 역온도이고, nk는 각 표준 성분에 대한 해당 가중치 요소입니다. UE (R) 및 UN(R)은 SITS에서 향상된 용어와 비강화 된 용어를 나타내며,
U (미국) s, Use 및 Ue는 하위 시스템의 잠재적 에너지, 하위 시스템과 환경 간의 상호 작용 및 환경의 잠재적 에너지입니다. QM/MM 전위는 세 가지 구성 요소의 하이브리드 합계로 표현되며,
여기서 Uqm, Uqm/mm및 Umm는 QM 서브시스템의 내부 에너지 용어, QM 및 MM 영역 간의 상호 작용 에너지, MM 서브시스템 내의 상호 작용 에너지입니다. Uqm/mm 항은 정전기, 반 데르 발스 및 QM과 MM 원자 사이의 공유 상호 작용 에너지 용어를 포함하는 세 가지 구성 요소로 더 나눌 수 있습니다.
우리는 
SITS에서 하나의 U s 용어에 할당하고,
시스템의 전체 잠재력은 서브 시스템 U s의 에너지로 분해된 후, 서브시스템과 환경 간의 상호 작용 에너지 U se,및 환경 Ue의에너지. 예를 들어, 본 작업의 시스템에서, 하위 시스템은 포르피시, 그리고 환경 물이다.
집단 변수 θ(R)를따라 PMF 프로파일은,
N1의각 수소 전달에 대한 일반적으로 사용되는 반응 좌표 –H1··· N2는 q1 = (r1–r2)/2 및 q2 = r1 + R2이며,여기서1은 N1-H1의 거리이고 r2는 의 거리입니다. H1-N2.
이 방법은 QM/MM MD 시뮬레이션 패키지 QM4D20에구현되었습니다. 전체 소스 코드 및 설명서는 여기에서 찾을 수 있습니다: http://www.qm4d.info/.
일반적으로 SITS-QM/MM MD 시뮬레이션에는 사전 평형(사전 앉아 있음)의 네 단계가 포함됩니다. 최적화 nk (옵트-앉아); 생산 시뮬레이션 및 데이터 분석.
Protocol
Representative Results
Discussion
포르피센의 구조는 도 1에나타내었도. SITS 방법을 이용한 정전기 임베딩 QM/MM 하이브리드 전위를 물23,24에서화학 반응을 기술하는데 사용되었다. 양성자 전달은 포르피센3 내에서 발생하므로 포르피센은 QM 영역으로 설정되고 상기물은 MM 영역으로 설정됩니다. 여기서 우리는 효율성과 정확도(22,…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 중국의 국가 핵심 연구 개발 프로그램 (2017YFA0206801, 2018YFA0208600), 장쑤성 자연 과학 재단 및 중국 국립 자연 과학 재단 (91645116)에 의해 지원됩니다. L.X는 장쑤성 공과대학의 중우 특별 임명 교수입니다. 저자들은 하오 후 박사와 양명준 박사의 제안을 인정합니다.
Materials
| operating system | CentOS Linux release 6.0 | ||
| QM4D software | http://www.qm4d.info/ | in-house program | |
| Computer desktop | HP |
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