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【Turbomole应用实例】山东大学成果展示:用QM/MM模拟计算碱基和脱氧核糖核苷的单电子氧化和氧化还原电位
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【Turbomole应用实例】山东大学成果展示:用QM/MM模拟计算碱基和脱氧核糖核苷的单电子氧化和氧化还原电位

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材料
复合材料
分类
Turbomole

摘要:

我们的工作为QM/MM模拟提供了一种简单的方法,利用线性响应近似估计DNA组分的单电子氧化和氧化还原电位。利用现有和已有的QM/MM计算的参考量,计算了四种脱氧核糖核苷(dRNs)及其碱基的标准单电子氧化和氧化还原电位。dA和dG的氧化势计算值与实验值一致。dRN的氧化还原电位顺序为dG<dA <dC≈dT和dA≈dG<dC≈dT分开。我们的结果表明,核糖对还原电位的影响较大,对dA、dG和dC的氧化电位贡献较小。

 

引言:

DNA的氧化还原特性包括还原势、氧化势、电子亲和势和电离势等,对DNA的复制、突变和降解等功能有很大影响。

 

在此,我们应用量子力学/机械分子(QM/MM)联合模拟计算DNA标准单电子氧化和氧化还原电位。实验证明,B3LYP泛函模拟具有较好的氧化还原性能。我们用线性响应近似(LRA)代替热动力学反应循环来估算DNA单电子氧化还原电位。LRA已成功用于测定单电子氧化还原过程。从溶液中电子转移率的Marcus理论推导出的LRA假设溶剂的极化是溶质电荷的线性函数。因此,溶质的溶剂化自由能也是溶质在溶剂可达表面电荷的线性函数。这种简化方法可以降低DNA氧化还原电位计算的计算成本。

 

计算细节:

在这项工作中,我们使用QM/MM模拟计算了四种碱基(A, G, C和T)的标准单电子氧化和氧化还原电位及其对应的drn (dA, dG, dC, dT)。计算过程遵循之前的研究。本文给出了计算氧化电位和氧化还原电位的重要公式。

 

在QM/MM计算中,采用6-31+G*[39 41]基集的B3LYP理论[37,38]处理QM区域。在该水平上的计算给出了可靠的氧化还原电位。QM计算采用TURBOMOLE程序进行,所有QM/MM计算均采用ChemShell 包进行。我们测试了qm区域大小的收敛性。采用水分子的O原子与dRN各原子之间的最小距离(RQM)分配qm区域的大小。dA、dG、dC和dT的收敛RQM值分别为3.6、3.4、3.4、3.4 Å(见图S2)。在下面的QM/MM计算中应用了包含多个水分子的非常大的QM区域。

 

我们还利用merz - kolman参数计算了QM原子上的静电势电荷。利用drn和碱基上电荷的差异,探讨了垂直电离和绝热电离中的空穴分布。图1显示了四个drn在垂直和绝热电离过程中,drn和碱基上的空穴。垂直分布表明,四个系统的主孔(~0.73e)定位在drn上。孔的大部分(~0.64e)位于碱基上。

表2列出了碱基和drn的氧化和氧化还原自由能变化。对于碱基,所有的氧化自由能变化都是正的,而所有的还原自由能变化都是负的。ΔGO订单是G<a<="" t=""c,<=""span="">,还原自由能变化遵循T和lt的顺序T<c<a<g。鸟嘌呤的碱基ΔGO最低,嘌呤的碱基ΔGO比嘧啶的碱基低。drn的单电子氧化还原自由能变化也有同样的趋势。dRNΔGO的序列为dG<dA<dC≈dT。显然,dG的氧化自由能变化最小。四种drn的还原自由能变化顺序为dT≈dC <dG≈dA。嘧啶drn的ΔGred绝对值大于嘌呤drn的ΔGred绝对值。drn的ΔGred序列表明嘧啶drn是最有利的电子接受中心。

在得到氧化和氧化还原自由能的变化后,我们可以利用公式直接计算标准的单电子氧化和氧化还原势.(1)和(5).表3给出了碱基的标准单电子氧化和氧化还原电位。可极化连续介质模型(PCM)计算得到的数值来自于前人的研究。

表4给出了四种drn的标准单电子氧化电位和氧化还原电位。实验测量得到的腺苷和鸟苷氧化电位也列在表中。四种drn的标准单电子氧化电位顺序为dG<dA<dC≈dT.。dG的单电子氧化电位最低。

我们比较了碱基和dRNs的氧化势(见表3和表4),dRN标准单电子氧化势除dT和t外与相应碱基接近,碱基与dRNs的Eox0差异小于0.10 V。dT氧化电位比T高0.21V。揭示了核糖会显著增加DNA中T的氧化电位。因此,DNA中的dT很难被氧化,dT成为DNA的负电荷中心。dA与A的氧化还原电位差为0.09 V。其他三种drn (dG、dC和dT)的氧化还原电位比相应碱基高约0.20V。与氧化电位相比,核糖对还原电位的影响更大,并增加DNA组分的氧化还原电位。

 

结论:

在这里,我们提出了一个简单的模型计算单电子氧化和氧化还原电位在QM/MM模拟。该方法采用线性响应近似估计氧化和氧化还原自由能的变化。采用QM/MM模拟计算了四种drn (dA, dG, dC和dT)的VIEs和AIEs,结果表明垂直电离后的阳离子弛豫是一个强过程。电离空穴定位在drn的基础上。我们从目前和以前的质量管理/质量管理计算中收集参考量(VIE, ΔECN, VDE和VEA)。用该量计算了四种drn及其对应碱基的标准单电子氧化电位和氧化还原电位。dA和dG的氧化电位与实验值吻合较好。碱基的氧化势依次为G < A < T < C,还原势依次为G < A < C≈T。drn的氧化电位顺序为dG < dA < dC≈dT,氧化还原电位顺序为dA≈dG < dC≈dT。

 

比较碱基和drn的标准单电子氧化和氧化还原电位可以发现,核糖对氧化还原电位的影响较大,并诱导其升高。而糖环对dA、dG、dC的单电子氧化势影响不大,使dT氧化电位增加0.21V。

 

文章详情:https://doi.org/10.1016/j.cplett.2019.136948

 

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BIOVIA溶剂化化学模型提供以下应用的软件:

(1) COSMOtherm

该模型包含三个COSMOtherm组件,使用COSMO-RS方法预测广泛的性质。

 

可以计算纯液体的性质,如密度、沸点、闪点、分配系数,以及混合性质,如汽液平衡、液液平衡、溶解度、蒸气压、活度系数等。在工作流环境中集成COSMOtherm提高了COSMO-RS方法的筛选潜力。

 

可以筛选大量溶质、溶剂或溶剂混合物的性质,例如药物在大量溶剂中的溶解度。

 

(2) COSMOconf

COSMOconf组件是一个conformer生成工具。您可以使用预定义的标准过程来为cosmors生成最相关的符合器,也可以使用您自己的过程。

 

(3) COSMOperm

这一成分预测了溶质通过生物膜的渗透性。您可以选择一套预先定义的膜系统或使用自己的膜。

 

(4) COSMOplex

该组件提供了COSMO-RS方法的COSMOplex扩展。可以用它来计算非均匀系统的性质,例如,界面张力或临界胶束浓度,或创建新的生物膜系统。

 

(5)COSMOquick

COSMOquick碎片化技术可作为cosmors计算的一种快捷方法。该组件还可以用于应用预定义的QSPR模型或计算唯一的化学描述符。

 

(6)TURBOMOLE

该模型提供了一个组件,您可以使用TURBOMOLE1®程序包执行量子化学计算。

 

(7) COSMO DATABASES

可以将COSMO数据库集成在Pipeline试点中使用。这适用于BIOVIA COSMObase以及您自己的自定义COSMO文件数据库。一个特殊的组件可用于复合数据访问。

 

(8) READERS AND UTILITIES

溶剂化化学组分模型提供了一对读者和实用程序。可以使用COSMO文件读取器和TURBOMOLE coord文件读取器来访问特定的文件格式。预调节器可以帮助您确保正确设置其他组件所需的相关属性。

北京泰科涉及行业

材料研发

基于BIOVIA Materials Studio材料设计平台,提供涉及电池、航空航天、国防军工、建筑、涂料涂层等多领域材料研发软件及综合解决方案

 

药物研发

针对药物设计、药物研发等提供基于Discovery Studio、COSMOLOGIC等软件的ADME、构象比对、溶剂筛选、结晶、成盐、共晶筛选、稳定性、溶解度pKa、分配系数等性质的模拟预测软件及方案

 

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面向精细化工、新能源、石油化工等领域提供精馏萃取催化剂设计、热力学性质(溶解度、粘度等)、提纯表面处理吸附等性质模拟软件平台及解决方案

 

数据挖掘

基于Pipeline Pilot提供数据搜集、数据清洗、特征工程、机器学习、流程设计等多种数据挖掘综合解决方案

 

一体化实验室

• 实验室信息管理

• 电子实验记录本/SOP执行

• 试剂耗材管理

• 仪器管理

• 数据管理

 

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量化材料类

• Crystal:固体化学和物理性质计算软件

• Diamond:晶体结构数据可视化分析

• Endeavour:强大的求解晶体结构的软件

• Molpro:高精度量化软件

• Molcas:多参考态量软件                   

• Turbomole:快速稳定量化软件

• TeraChem:GPU上运行的量化计算软件

• Spartan:分子计算建模软件

 

数据分析类

• GelComparll:凝胶电泳图谱分析软件

• SimaPro:生命周期评估软件             

• Unscrambler:完整多变量数据分析和实验设计软件      

• CSDS:剑桥晶体结构数据库

• lCDD:国际衍射数据中心数据库                

• ICSD:无机晶体结构数据库

• Pearson’s CD:晶体数据库

 

公司简介:

北京泰科博思科技有限公司(Beijing Tech-Box S&T Co. Ltd.)成立于2007年,是国内领先的分子模拟及虚拟仿真综合解决方案提供商。

 

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