Accurate QM/MM Molecular Dynamics for Periodic Systems in \textsc{GPU4PySCF} with Applications to Enzyme Catalysis
本文在GPU4PySCF中实现了面向周期性体系的精确QM/MM分子动力学方法，结合分布式多极静电和赝键边界处理，并应用于分支酸变位酶催化动力学研究，揭示了速率对量子方法、区域选择和蛋白构象的敏感性。
2024-11-22 physics.bio-ph physics.chem-ph
Interplay of Water and a Supramolecular Capsule for Catalysis of Reductive Elimination Reaction from Gold
超分子组装体由于其明显的催化反应能力和天然酶的效率而获得了极大的关注。利用Born-Oppenheimer分子动力学和密度泛函理论，我们确定了超分子组装体Ga $_4$ L $_{612-}$对金配合物还原消除反应的催化能力的来源及其与酶的相似性。通过比较在明确的溶剂中的催化和未催化的反应，以确定反应物，过渡态，和产品的反应自由能，我们确定，催化部分-封装的水分子-产生电场，有助于显着降低活化自由能。虽然这与通过直接的主体-客体相互作用进行催化的仿生方案不同，但是纳米笼主体预先调节过渡态，以使其对投射到断裂碳键上的电场更敏感，从而以更高的催化效率完成还原消除反应。然而，它也表明，纳米笼组织不良的界面水，这反过来又产生电场，与衬底的断裂键错位，从而确定新的机会，在纳米笼组件的催化设计改进。
2019-12-05 physics.chem-ph
Enerzyme: A Framework for Efficient Training of Reactive Neural Network Potentials for Enzyme Catalysis with Application to Methyltransferases
Department of Chemical Engineering, Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院化学工程系）；Department of Chemistry, Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院化学系）
提出Enerzyme框架，结合模块化静电感知NNP架构和自动QM团簇构建，在少于1000个数据点上实现含545原子MTase团簇的近化学精度反应能垒和过渡态预测。
2026-07-03 cs.LG physics.chem-ph q-bio.BM
Electrochemical tuning of alcohol oxidase and dehydrogenase catalysis via biosensing towards butanol-1 detection in fermentation media
提出了一种新的电化学调谐的醇氧化酶（AOx）和醇脱氢酶（ADH）的生物催化丁醇-1氧化的电流型生物传感器的各种设计中的酶的方法。生物传感器是通过使用商业氧化石墨烯为基础的丝网印刷电极和不同的酶生产菌株，封装方法（层层（LbL）或一步电沉积（EcD）），层的组成和结构，操作条件（施加的电位值）和引入介质（Meldola蓝和普鲁士蓝）或钯纳米粒子（Pd-NPs）。在酶工程化过程中同时分析/筛选多个关键系统参数允许在一个月的时间内鉴定出12种提出的设计中的4种在非常低的施加电位（从-0.02至-0.32 V）下表现出良好的信号再现性和线性响应（高达14.6 mM丁醇）。他们的机械稳定性进行了彻底的研究，通过多分析技术丁醇测定前，在无细胞样品从厌氧丁醇发酵。掺入ADH、NAD+、Pd-NP和Nafion的基于ECD的生物传感器在制备后没有显示酶活性的损失，并且当与LbL设计相比时，证明了对含有多种电活性物质的发酵培养基（4 mM）中的丁醇-1的低电位（-0.12V）检测的能力，其具有几乎15倍增强的灵敏度（0.2282 $μ$ A/mM $\pm$ 0.05）。此外，S. cerevisiae菌株比E.杆菌
2021-01-29 physics.chem-ph q-bio.QM
Enzyme kinetics at the molecular level
著名的Michaelis-Menten（MM）表达式提供了酶催化速率和底物浓度之间的基本关系。然而，这种经典表达的有效性仅限于酶和底物的宏观量，因此仅限于波动可忽略不计的过程。最近的实验已经测量了催化速率的波动，揭示了MM方程，虽然对批量有效，但在分子水平上不服从。在这篇迷你评论中，我们展示了新的催化速率波动的统计测量如何识别MM方程总是被违反的制度。这种制度，其特点是酶的周转时间之间的相关性，是一个单一的酶和不可观察的短的经典极限。
2019-05-08 physics.bio-ph physics.chem-ph
Role of water in the enzymatic catalysis: study of ATP + AMP -> 2ADP conversion by adenylate kinase
腺苷酸激酶（ADK）的催化转化ATP + AMP -> 2ADP涉及一个ATP分子与LID结构域的结合和一个AMP分子与NMP结构域的结合。后者之后是磷酸转移，然后释放两个ADP分子。我们已经计算出一种新的二维构型自由能表面（2DCFES），与一个反应坐标的LID和NMP域运动，明确与水的相互作用。我们计算的2DCFES清楚地揭示了存在一个稳定的半开半闭（HOHC）的中间状态的酶。酶通过HOHC状态的循环使反应的构象自由能垒降低约20 kJ/mol。我们发现，半开半闭状态的稳定性（在所有早期的隐式溶剂模型研究中均未发现）主要是由于极性氨基酸侧链与水，特别是精氨酸和组氨酸残基的特异性相互作用的增加。LID结构域的自由能表面相当粗糙，这可以方便地减慢LID的构象运动，从而促进催化循环中产物释放后新底物的捕获。
2010-12-21 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
Conformational Nonequilibrium Enzyme Kinetics: Generalized Michaelis-Menten Equation
在构象非平衡稳态（cNESS）中，酶的周转率受潜在构象动力学的调节。基于离散动力学网络模型，我们使用积分概率通量平衡法推导了构象调节酶促反应的cNESS转换速率。将传统的Michaelis-Menten（MM）速率方程推广到一个广义的形式，它包含了组合循环动力学环中构象布居流引起的非MM校正。当满足构象细致平衡时，周转率降低到MM函数形式，解释了它对许多酶系统的有效性。对于第一次，一个一对一的对应关系之间建立非MM条款和组合循环回路与不平衡的构象电流。在酶促反应中观察到非平衡构象动力学导致的协同性，我们提供了一种新的，严格的手段来预测和表征这种行为。我们的广义MM方程提供了一个系统的方法来探索cNESS酶动力学。
2017-05-16 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.QM
Modeling of stimuli-responsive nanoreactors: rational rate control towards the design of colloidal enzymes
在非均相液相纳米催化的现代应用中，催化剂（例如，金属纳米颗粒）通常需要固定在胶体载体系统上以获得稳定性和易于处理。“无源载波”（例如，简单的聚电解质）用于纳米颗粒的受控合成并防止催化过程中的凝结。然而，最近，已经开发了纳米颗粒和合成热敏聚合物的混合缀合物，其能够通过外部触发剂改变纳米颗粒的催化活性。特别是，嵌入在由聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）制成的刺激响应网络中的纳米颗粒已成为此类混合物中研究最多的例子。它已被证明，聚合物网络的渗透性，从而反应物流量可以切换和控制的外部刺激。因此，这种“活性载体”可以被视为真正的纳米反应器，开辟了纳米催化的新设计路线，并提高了合成，以创造高度选择性，可编程的“胶体酶”。然而，只有在所有时间和长度尺度上全面了解这些材料，才能合理设计未来的高功能材料。在这里，我们回顾了理论和多尺度模拟方法的现状，旨在从根本上了解这些纳米反应器。特别是，我们总结了一个理论方法的反应速率的表面催化双分子反应在响应纳米反应器中的关键材料参数，聚合物壳渗透率P和反应物分配比K。我们讨论了最近的计算机模拟研究的原子和粗粒度的聚合物模型，这些数量的特点是在一些细节。最后，我们展望了选定的开放问题和未来的理论挑战，在纳米反应器建模。
2020-03-19 cond-mat.soft physics.chem-ph
Allostery and cooperativity in multimeric proteins: bond-to-bond propensities in ATCase
天冬氨酸氨甲酰转移酶（ATCase）是一种具有六个活性位点的大的十二聚体酶，其表现出变构性：其催化速率通过在活性位点的远端点处结合各种底物来调节。最近开发的一种方法，键到键的倾向分析，已被证明能够预测变构网站在广泛的蛋白质中使用的能量加权原子图从蛋白质的结构和给定的知识，只有活性位点的位置。如果给定键处的能量波动对蛋白质中的任何其他键具有显著影响，则通过考虑它们在蛋白质图中的传播，确定键到键倾向。在这项工作中，我们使用键到键的倾向分析，研究不同方面的ATCase活动使用三种不同的蛋白质结构和来源的波动。首先，我们通过分析变构底物结合作为蛋白质图中能量扰动的来源，预测参与ATCase非活性（T）和活性（R）状态之间过渡的关键残基和键。我们的计算结果还表明，多变构结合的效果是非线性的：切换效果后，观察到特定数量和安排的基板是绑定建议的远程通信的形式之间的远程排列的变构网站。第二，协同性是探索通过考虑作为在活性位点的能量波动的来源的双底物类似物，也导致识别的T-R过渡，提高跨活性位点的协同性的高度显着的残基。最后，非活性（T）结构显示出在变构位点和催化亚基之间的界面之间，而不是活性位点之间，表现出强的非线性通信。
2019-09-27 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Superoxide reductase from Desulfoarculus baarsii: reaction mechanism and role of glutamate 47 and lysine 48 in catalysis
超氧化物还原酶（SOR）是一种小的金属酶，催化O（2）（*）（-）还原为H（2）O（2），因此提供了抗超氧自由基的抗氧化机制。它的活性部位含有一个不寻常的单核亚铁中心，这在电子转移到O（2）（*）（-）的过程中非常有效[Lombard，M.，Fontecave，M.，Touati，D.，和Nivière，V.（2000）J.Biol.Chem.275，115-121]。用脉冲辐解法研究了脱硫arculus baarsii酶与超氧阴离子的反应。第一步是超氧化物还原酶与超氧化物的极快双分子反应，速率常数为（1.1 +/- 0.3）x 10（9）M（-1）s（-1）。形成第一中间体，其以500 +/- 50 s（-1）的慢得多的速率常数转化为第二中间体。第二中间体的衰变速率常数为25 +/- 5 s（-1）。这些中间体被认为是铁的超氧化物和铁的过氧化物物种。此外，谷氨酸47和赖氨酸48，这是最接近的带电残基的空缺的第六铁配位位点的作用，已被调查的定点诱变。谷氨酸47突变为丙氨酸对反应速率没有影响。相反，赖氨酸48突变成异亮氨酸导致双分子反应的速率常数降低20-30倍，表明赖氨酸48在引导和结合超氧化物与铁中心II的过程中起着重要作用。此外，我们报告说，赖氨酸48或突变体基因的表达很难恢复到超氧化物歧化酶缺陷型大肠杆菌突变体在有氧条件下生长的能力。
2015-01-07 physics.chem-ph q-bio.BM
Proton network flexibility enables robustness and large electric fields in the ketosteroid isomerase active site
氢键网络在从蛋白质折叠到酶催化的生物学功能中起着至关重要的作用。在这里，我们结合电子结构计算和从头算路径积分分子动力学模拟，其中包括核和电子量子效应，以显示为什么网络的短氢键的活性位点的甾酮异构酶是非常强大的突变沿网络，以及如何产生大的本地电场。我们证明，这些属性产生的网络的能力，以响应通过移动质子的位置和重新分配电子电荷密度的扰动。这种灵活性导致性质的微小变化，例如残基的部分电离和残基突变后的$pK_a$同位素效应，与最近的实验一致。这种质子的灵活性进一步增强时，在存在的中间类似物，这使我们能够解释在最近的实验中观察到的酶的活性位点的大电场的化学起源的扩展的氢键网络的形式。
2017-08-16 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
Relaxation to statistical equilibrium in stochastic Michaelis-Menten kinetics
本文研究了随机 Michaelis-Menten 网络中的统计平衡弛豫过程，通过将网络分解为可逆与不可逆子网络并精确求解化学主方程，利用新的统计测度详细表征了弛豫阶段，为经典结果提供了更广阔的分子视角。
2024-09-27 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
