Diferencia de fluctuación electrónica entre trimetilamina N

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 19417 (2022) Citar este artículo

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Aunque las pequeñas moléculas orgánicas en las células se han considerado importantes para controlar las funciones de las proteínas, su fluctuación electrónica y la interacción intermolecular, que es el origen fisicoquímico de las funciones moleculares, en condiciones fisiológicas, es decir, soluciones acuosas diluidas (0,18 mol L−1) , nunca ha sido esclarecido debido a la falta de métodos de observación con precisión y eficiencia. En este documento, las evoluciones temporales de las interacciones en soluciones acuosas diluidas de N-óxido de trimetilamina (TMAO) y alcohol terc-butílico (TBA) se analizaron mediante simulaciones de dinámica molecular ab initio aceleradas con la teoría molecular de fragmentos. Se ha sabido que TMAO y TBA tienen estructuras similares, pero funciones fisiológicas opuestas para estabilizar y desestabilizar proteínas. Se aclaró que el TMAO inducía polarización estable e interacciones de transferencia de carga con moléculas de agua cerca del grupo hidrofílico, y las moléculas de agua quedaban atrapadas incluso cerca del grupo CH3–. Esos deberían afectar la estabilización de proteínas. Comprender la dinámica de la solución contribuirá al diseño de chaperonas artificiales en la medicina de próxima generación.

Los pequeños solutos orgánicos en las células tienen varios efectos sobre las proteínas. Por ejemplo, el N-óxido de trimetilamina (TMAO, Fig. S1a), que consta de grupos N+O− y metilo (CH3–), se ha encontrado en peces de aguas profundas y es un osmolito conocido que conserva las funciones fisiológicas de las proteínas1 . Los efectos a menudo se comparan con los iones como (CH3)4 N+ y PO43− que son más capaces de estructurar el agua en la serie de Hofmeister2. Sin embargo, el mecanismo de preservación de la presión osmótica aún está en debate; las explicaciones propuestas incluyen una atractiva interacción directa entre TMAO y proteínas2 o interacciones indirectas a través de cambios estructurales de una solución acuosa como un agregado molecular3,4. Si se aclara el mecanismo por el cual TMAO permite la preservación funcional fisiológica en las proteínas, haría contribuciones científicas fundamentales, por ejemplo, a la próxima generación de medicina al acelerar el desarrollo de chaperonas artificiales y comprender el mecanismo de la aterosclerosis.

La química biofísica y la dinámica de solución de las soluciones acuosas de TMAO se han investigado ampliamente desde puntos de vista experimentales5,6,7,8,9,10,11,12,13,14. La espectroscopía de resonancia magnética nuclear y vibratoria indicó que tanto los grupos N+O− como CH3– de TMAO ralentizan la dinámica de las moléculas de agua en una solución y que los grupos N+O− tienen una capacidad notable para capturar moléculas de agua5,6,7, 10,11,13. Estos resultados han sido cuidadosamente discutidos por simulaciones de dinámica molecular basadas en campos de fuerza clásicos3,15,16,17,18. Sin embargo, es bien sabido que los resultados dependen de la elección del campo de fuerza. Por lo tanto, las simulaciones de dinámica molecular ab initio (AIMD) son esenciales para explicar los resultados experimentales con precisión y diseñar artificialmente la capacidad de regulación de la presión osmótica. Aunque ha habido varias simulaciones AIMD de Born-Oppenheimer de sub-picosegundo orden con la teoría del funcional de la densidad19,20,21,22,23,24, estudios previos no han revelado la interacción intermolecular, que es el origen fisicoquímico de las funciones moleculares. Además, debido a los altos costos computacionales de las simulaciones anteriores de AIMD, los sistemas de destino estaban limitados dentro de los tamaños pequeños y las concentraciones (más de 0,5 mol L−1) eran mucho más altas que las condiciones naturales (es decir, aquellas en peces de aguas profundas). ).

El objeto de este estudio es aclarar la fluctuación electrónica y la evolución temporal de las interacciones intermoleculares en solución acuosa de TMAO con una condición realista de concentración. Para este propósito, nos enfocamos en las interacciones soluto-solvente y aplicamos la simulación de dinámica molecular potencial de fragmento efectivo ab initio (EFP-MD), que es particularmente adecuada para realizar simulaciones AIMD de nanosegundo orden para sistemas que contienen varios miles de átomos25,26,27 ,28,29,30, para soluciones acuosas diluidas de TMAO (0,18 mol L−1). A modo de comparación, también se investigó una solución acuosa diluida de alcohol terc-butílico (TBA, Fig. S1b), que se conoce como desnaturalizante de proteínas5,6,16.

Las estructuras de las moléculas de TMAO, TBA y H2O en la fase gaseosa se optimizaron utilizando el paquete de programas de química cuántica Gaussian1631. Se aplicó el nivel de teoría MP2/aug-cc-pVTZ32 a los cálculos y se realizó el análisis del orbital de enlace natural (NBO). Los valores diagnósticos T133 de las moléculas TMAO, TBA y H2O fueron 0,013, 0,010 y 0,010, respectivamente, lo que confirma que no existe un carácter multirreferencial. Usando las funciones de onda para las moléculas optimizadas, los EFP en la función base aug-cc-pVTZ fueron definidos de manera única por el módulo "MAKEFP" implementado en el paquete de programas GAMESS-US34.

Antes de realizar las simulaciones EFP-MD, evaluamos la precisión de los EFP. Para ello, descomponemos las energías de interacción totales obtenidas por los cálculos de química cuántica (MP2/aug-cc-pVTZ) en electrostática (EES), intercambio-repulsión (EEXREP), polarización con transferencia de carga (EPOL + ECT), y componentes de energía de interacción de dispersión (EDISP) a través del análisis de descomposición de energía orbital molecular localizado (LMO-EDA)35 y los comparó con los resultados de EFP. En los cálculos LMO-EDA, aplicamos el método de contrapeso para corregir los errores de superposición del conjunto de bases.

Posteriormente, realizamos un conjunto de simulaciones EFP-MD para soluciones acuosas diluidas de TMAO o TBA y agua pura. En las simulaciones EFP-MD, usamos un conjunto de cajas periódicas cúbicas con una longitud lateral de ~ 21 Å que contienen una molécula de soluto y 300 moléculas de H2O con un conjunto canónico (NVT) y una distancia de corte de 10 Å. Se aplicaron expresiones de amortiguamiento para términos de largo alcance25. El tamaño del cuadro de simulación se definió para modelar la solución acuosa diluida (0,18 mol L−1), que era una concentración realista para los peces de aguas profundas. En las simulaciones EFP-MD, usamos un paso de tiempo de 1 fs y una temperatura de 298.15 K (definida usando un termostato Nosé-Hoover). En estas condiciones, se realizó un conjunto de al menos 0,8 ns de equilibrio y 2,5 ns de producción para evaluar las constantes de autodifusión, las funciones de distribución radial (RDF) y las energías de interacción intermolecular dependientes del tiempo.

La precisión química de los EFP se verificó para TMAO, TBA y H2O. Los EFP reprodujeron momentos dipolares a través de cálculos de química cuántica ab initio de alta precisión con un error de 0,14 D, que es más preciso que el de los modelos de campo de fuerza clásicos bien entrenados16,17 (Tabla S1). Los parámetros estructurales de los modelos de dímero TMAO/TBA–H2O optimizados por los EFP coincidieron con el nivel MP2 de resultados de cálculo de química cuántica dentro de 0,14 Å (Figs. S2, S3 y Tablas S2, S3). La ligera diferencia en la formación de dímeros valida la aproximación de rotor rígido en el método EFP, al menos dentro de nuestros sistemas objetivo. La energía de interacción total y sus componentes, calculada por el método EFP, cerca de la conformación estable del dímero TMAO/TBA-H2O, reprodujo con precisión el LMO-EDA correspondiente al nivel MP2 (Figs. S4, S5). El error absoluto medio (MAE) de la energía de interacción total obtenida por EFP y MP2 fue de 2,0 kcal mol−1. El MAE de cada componente de energía de interacción (EES, EEXREP, EPOL + ECT y EDISP) fue de 1,0, 0,6, 1,9 y 0,6 kcal mol-1, respectivamente. La interacción H2O-H2O descrita por el método EFP ha sido establecida previamente29. Así se confirmó la precisión química del método EFP. Cabe señalar que no hay ajuste engorroso en la definición de EFP.

Una de las formas de analizar las propiedades de transporte mediante simulaciones MD es calcular los coeficientes de autodifusión utilizando la ecuación de Einstein (Ec. 1).

Se observó experimentalmente que el coeficiente de difusión del agua (Dagua) era de 2,3 × 10–9 m2 s−136, y también se informó que Dagua en una solución acuosa diluida de TMAO/TBA (~ 0,2 mol L−1) es ~ 10 % inferior al del agua pura6,18,37. Nuestros resultados de EFP-MD ab initio de nanosegundo orden reprodujeron con éxito que estos solutos ralentizan la dinámica de las moléculas de agua (Tabla S4).

Se calcularon varias RDF del sitio soluto-solvente para investigar soluciones acuosas diluidas de TMAO/TBA (Fig. 1 y Tabla S5). Los números de coordinación de los principales sitios de solutos se evaluaron integrando los RDF para OTMAO/TBA–Owater y OTMAO/TBA–Hwater para el rango hasta los primeros mínimos. El número de coordinación calculado con OTMAO/TBA–Owater fue 3,3 tanto para TMAO como para TBA, mientras que los calculados con OTMAO/TBA–Hwater fueron 3,3 y 2,0 para TMAO y TBA, respectivamente. Estos resultados indican que los grupos hidrófilos de TMAO atrapan firmemente tres moléculas de H2O como donantes de enlaces de hidrógeno, mientras que los de TBA coordinan dos moléculas de H2O y una molécula de H2O como donantes y aceptores de enlaces de hidrógeno, respectivamente. Centrándose en los sitios inferiores de TMAO y TBA, es decir, los números de coordinación de XTMAO/TBA–Owater, es evidente que los grupos CH3– de TMAO y TBA tienen diferentes propiedades de hidratación. Por lo tanto, los RDF para XTBA–Owater no tienen picos dentro de 2 Å, mientras que XTMAO–Owater tiene un número de coordinación de 0,7. Los grupos CH3– del TBA exhiben una "hidratación hidrófoba", mientras que los del TMAO atrapan de manera proactiva las moléculas de H2O. Los grupos CH3– de TMAO y TBA actúan de manera diferente en soluciones diluidas5,18.

Estructuras de solución simuladas por EFP-MD. ( a ) Instantánea de TMAO acuoso. ( b ) RDF del sitio soluto-solvente, g (r) y números de hidratación, n (r), para TMAO acuoso. ( c ) Instantánea de TBA acuoso. ( d ) Sitio soluto-solvente g (r) y n (r) para TBA acuoso. XTMAO/TBA se definió como el centro de masa de los tres átomos de hidrógeno axiales de los grupos CH3– en TMAO/TBA.

Se calculó la función de correlación de la interacción TMAO/TBA···H2O ( p(t) )38 (Ec. 2) para aclarar el efecto de los grupos N+O−, OH y CH3– de cada soluto en la cinética de la moléculas de agua en las soluciones acuosas diluidas de TMAO/TBA (Fig. S6).

Aquí, h(t) es una función escalonada definida como 1 cuando la distancia entre cada sitio de soluto y solvente es menor que el primer mínimo de cada RDF (Tabla S5). De lo contrario, h(t) se define como 0. El tiempo de vida de la interacción TMAO/TBA···H2O (Tabla S6) se evaluó ajustando p(t) a \(a{e}^{-t/{\tau }_ {a}}+b{e}^{-t/{\tau }_{b}}\left(a+b=1\right)\) a los datos en el rango 0 < t < 100 ps (Fig. S6); Se aplicó el ajuste exponencial doble ya que brindó mejores resultados que los del ajuste exponencial simple.

Los resultados de EFP-MD indicaron que el grupo N+O− de TMAO y el grupo OH de TBA capturaron tres moléculas de H2O con una vida media de 31,2 y 16,5 ps, respectivamente. La vida útil calculada para TMAO coincidió con la obtenida por espectroscopia dieléctrica (al menos 50 ps a ~ 300 K)13 y simulaciones previas de AIMD (30–50 ps a 320 K; para solución D2O)19. La vida útil cerca del grupo CH3– de TBA no pudo definirse debido a la falta de una capa de hidratación (ver Fig. 1), mientras que cerca de TMAO fue de 6,9 ​​ps. Se confirmó que los grupos CH3– de TMAO podían capturar agua.

EFP-MD se puede utilizar para investigar la evolución temporal de los momentos dipolares en soluciones acuosas diluidas de TMAO/TBA. El momento dipolar de la molécula de agua que se muestra en la Fig. 2 aumenta (máximo 4,20 D) cuando se acerca al grupo N+O− de TMAO. De manera similar, cuando una molécula de agua se acerca al grupo OH de TBA, el momento dipolar aumenta (máximo 3,78 D). Los promedios del conjunto indican que las moléculas de agua cerca del grupo N+O− de TMAO (r < 3,5 Å) y el grupo OH correspondiente de TBA aumentaron el momento dipolar en un promedio de 3,22 D (+ 12 %) y 3,01 D (+ 5 %), respectivamente, en comparación con las moléculas de agua en agua pura (Tabla S7). El primero exhibe un momento dipolar más significativo porque TMAO tiene un gran momento dipolar de 9,39 D en una solución acuosa. En general, las moléculas se estabilizan por polarización en sistemas agregados. Sorprendentemente, en comparación con las moléculas de agua en agua pura, se encontró que las moléculas de agua cerca del grupo CH3– de TMAO y TBA tenían un momento dipolar reducido (en −1 % y −3 %, respectivamente; Tabla S7). Esto se debe a que la barrera estérica del grupo CH3– permite que solo un pequeño número de moléculas de agua se coordinen alrededor de las aguas con momentos dipolares reducidos. Los promedios del conjunto de los momentos dipolares indican que la influencia del soluto en el agua converge alrededor de 4,5 Å (Fig. 3 y Tabla S7).

Ejemplos de evolución temporal de momentos dipolares de agua a lo largo de 1 ns EFP-MD. El color de la gráfica representa las distancias (NTMAO–Owater/CTBA–Owater) como lo indica la tecla de la derecha.

Fluctuación de agua de 1 ns coloreada por los momentos dipolares de las moléculas de H2O. Las moléculas de agua dentro de los 3,5, 4,0 y 4,5 Å del soluto se observan desde la parte superior, lateral e inferior. El color de la trama representa la desviación del agua pura (2,87 D).

Se considera que el aumento y la disminución de la polarización en el agua circundante aparecen como diferencias en los componentes de energía de interacción (EES, EEXREP, EPOL, ECT y EDISP) en la solución acuosa de TMAO/TBA (Figs. 4, S7, S8 y Tablas S8, S9). Por lo tanto, se discuten los componentes de la energía de interacción cerca de los grupos hidrofílicos/hidrofóbicos.

Fluctuación de agua de 1 ns coloreada por interacciones TMAO/TBA-agua. Las moléculas de agua dentro de 3,5, 4,0 y 4,5 Å del soluto se observan desde un lado.

Primero, la polarización soluto-disolvente y las interacciones de transferencia de carga en la vecindad de los sitios N+O- (r < 3.5 Å) en la solución TMAO fueron más del doble de los correspondientes a los sitios OH en la solución TBA (Figs. 4 , S7 y Tabla S8). El análisis NBO explica la interacción de transferencia de carga con un modelo de dímero (Figs. S9, S10 y Tabla S10). El orbital aceptor de protones de TMAO tiene una superposición significativa integral con el orbital H2O alrededor del grupo hidrofílico y facilita la transferencia de carga (0,04 e). Sin embargo, la superposición orbital entre el grupo OH de TBA y H2O es pequeña; por tanto, la transferencia de carga es pequeña (0,01 e). Por lo tanto, podemos concluir que los factores que hacen que el grupo N+O− complemente fuertemente el agua en una solución acuosa de TMAO son las interacciones de polarización y transferencia de carga derivadas de la gran polarización de TMAO.

A continuación, analizamos la interacción entre el grupo CH3– y las moléculas de agua circundantes (r < 3,5 Å) en una solución de TMAO/TBA. En este caso, la diferencia en el soluto no causa ninguna diferencia en las interacciones de dispersión y transferencia de carga (Figs. 4, S8 y Tabla S9). Esto puede explicarse por la pequeña superposición entre los orbitales donantes de protones de los grupos CH3– de TMAO/TBA y los orbitales moleculares del agua (Figs. S9, S10, Tabla S10). Sin embargo, la energía de interacción de polarización de TMAO es más del doble que la de TBA. El gran momento dipolar de TMAO en una solución acuosa afecta incluso al grupo CH3–. Suponiendo que la interacción de polarización fuera cero, la interacción entre el grupo CH3– de TMAO y el agua se estabilizaría en −0,8 kcal mol−1 debido a la contribución de la interacción de dispersión, que es similar a la del TBA, y se produciría una interacción hidrofóbica. ser inducido En conclusión, las interacciones atractivas cerca del grupo CH3– de TMAO se caracterizan por interacciones de polarización.

Este estudio representa un intento sin precedentes de discutir la influencia de un osmolito TMAO y un TBA desnaturalizante en la fluctuación del estado electrónico de soluciones acuosas diluidas mediante el análisis de la evolución temporal de las interacciones intermoleculares; estas interacciones pueden evaluarse hasta su origen fisicoquímico solo a través del método ab initio EFP-MD. El método EFP-MD de nanosegundo orden logró reproducir los resultados experimentales, es decir, TMAO y TBA ralentizan la dinámica de las moléculas de agua. Analizamos los efectos estabilizadores de la entalpía, centrándonos en las interacciones soluto-disolvente. Nuestros resultados de simulación indicaron que en soluciones acuosas diluidas, el momento dipolar de las moléculas de agua cerca del grupo hidrofílico de TMAO y TBA aumentó en un promedio de 12 % y 5 %, respectivamente. El momento dipolar del grupo CH3– disminuyó en un promedio de −1 % y −3 % para TMAO y TBA, respectivamente. Cuando las estructuras químicas de los solutos eran similares, las características de la interacción soluto-solvente cambiaron dependiendo de la estructura local y la polaridad del sitio. TMAO permitió la polarización estable y las interacciones de transferencia de carga con las moléculas de agua cerca del grupo hidrofílico, y la gran polarización del soluto afectó a las moléculas de agua cerca del grupo CH3–. Sin embargo, la polarización de TBA fue insignificante y no afectó a las moléculas de agua cerca del grupo CH3–; la interacción era hidrófoba. El efecto de las pequeñas moléculas anfifílicas sobre el cambio de estado electrónico en soluciones acuosas es significativo, y será necesario en el futuro investigar el mecanismo por el cual los osmolitos y los desnaturalizantes controlan la estabilidad de las proteínas en ambientes biológicos usando simulaciones ab initio tomando en cuenta los efectos de fluctuación.

Los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en el artículo principal o en la información complementaria.

Yancey, PH, Clark, ME, Hand, SC, Bowlus, RD y Somero, GN Vivir con estrés hídrico: Evolución de los sistemas de osmolito. Ciencia 217, 1214–1222 (1982).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Liao, Y.-T., Manson, AC, DeLyser, MR, Noid, WG & Cremer, PS El N-óxido de trimetilamina estabiliza las proteínas a través de un mecanismo distinto en comparación con la betaína y la glicina. proc. nacional Academia ciencia EE. UU. 114, 2479–2484 (2017).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Bennion, BJ & Daggett, V. Contrarrestación de la desnaturalización de proteínas inducida por urea por N-óxido de trimetilamina: una chaperona química a resolución atómica. proc. nacional Academia ciencia EE. UU. 101, 6433–6438 (2004).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Canchi, DR, Jayasimha, P., Rau, DC, Makhatadze, GI & Garcia, AE Mecanismo molecular para la exclusión preferencial de TMAO de las superficies de proteínas. J. física. química B 116, 12095–12104 (2012).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Freda, M., Onori, G. & Santucci, A. Estudio infrarrojo de la hidratación hidrofóbica y las interacciones hidrofóbicas en soluciones acuosas de alcohol terc-butílico y N-óxido de trimetilamina. J. física. química B 105, 12714–12718 (2001).

Artículo CAS Google Académico

Sinibaldi, R. et al. El papel de la coordinación del agua en mezclas binarias. Un estudio de dos moléculas anfifílicas modelo en soluciones acuosas por dinámica molecular y RMN. J. física. química B 110, 8885–8892 (2006).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Rezus, YLA & Bakker, HJ Observación de moléculas de agua inmovilizadas alrededor de grupos hidrofóbicos. física Rev. Lett. 99, 148301 (2007).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Qvist, J. & Halle, B. Firma térmica de la dinámica de hidratación hidrofóbica. Mermelada. química Soc. 130, 10345–10353 (2008).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Panuszko, A., Bruździak, P., Zielkiewicz, J., Wyrzykowski, D. y Stangret, J. Efectos de la urea y el N-óxido de trimetilamina sobre las propiedades del agua y la estructura secundaria de la lisozima de clara de huevo de gallina. J. física. química B 113, 14797–14809 (2009).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Bakulin, AA, Pshenichnikov, MS, Bakker, HJ y Petersen, C. Las moléculas hidrofóbicas ralentizan la dinámica de los enlaces de hidrógeno del agua. J. física. química A 115, 1821–1829 (2011).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Mazur, K., Heisler, IA & Meech, SR Espectros THz y dinámica de soluciones acuosas estudiadas por el efecto Kerr óptico ultrarrápido. J. física. química B 115, 2563–2573 (2011).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Munroe, KL, Magers, DH y Hammer, NI Firmas espectroscópicas Raman de interacciones no covalentes entre el N-óxido de trimetilamina (TMAO) y el agua. J. física. química B 115, 7699–7707 (2011).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Hunger, J., Tielrooij, K., Buchner, R., Bonn, M. & Bakker, HJ Formación de complejos en soluciones acuosas de trimetilamina-N-óxido (TMAO). J. física. química B 116, 4783–4795 (2012).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Ma, J., Pazos, IM & Gai, F. Conocimientos microscópicos sobre el efecto estabilizador de proteínas del N-óxido de trimetilamina (TMAO). proc. nacional Academia ciencia EE. UU. 111, 8476–8481 (2014).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ganguly, P., Polák, J., van der Vegt, NFA, Heyda, J. & Shea, J.-E. Estabilidad de proteínas en TMAO y soluciones mixtas de urea-TMAO. J. física. química B 124, 6181–6197 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Bandyopadhyay, D., Kamble, Y. & Choudhury, N. ¿Cuán diferentes son las características de las soluciones acuosas de alcohol terc-butílico y N-óxido de trimetilamina? Un estudio de simulación de dinámica molecular. J. física. química B 122, 8220–8232 (2018).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Markthaler, D., Zeman, J., Baz, J., Smiatek, J. & Hansen, N. Validación de campos de fuerza de trimetilamina-N-óxido (TMAO) basados ​​en propiedades termofísicas de soluciones acuosas de TMAO. J. física. química B 121, 10674–10688 (2017).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Paul, S. & Patey, GN Por qué el alcohol terc-butílico se asocia en solución acuosa pero el N-óxido de trimetilamina no. J. física. química B 110, 10514–10518 (2006).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Utilizado, K. et al. Desde el principio dinámica del agua líquida en una solución acuosa de TMAO. J. física. química B 119, 10597–10606 (2015).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Imoto, S., Forbert, H. & Marx, D. Estructura del agua y solvatación de osmolitos a alta presión hidrostática: agua pura y soluciones de TMAO a 10 kbar versus 1 bar. física química química física 17, 24224–24237 (2015).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Stirnemann, G., Duboué-Dijon, E. & Laage, D. Simulaciones ab initio de la dinámica del agua en soluciones acuosas de TMAO: efectos de temperatura y concentración. J. física. química B 121, 11189–11197 (2017).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Imoto, S., Forbert, H. & Marx, D. Soluciones acuosas de TMAO vistas por espectroscopia teórica de THz: agua hidrofílica versus agua hidrofóbica. física química química física 20, 6146–6158 (2018).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Xie, WJ et al. Gran desajuste de enlace de hidrógeno entre TMAO y urea promueve su asociación hidrofóbica. Química 4, 2615–2627 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Sahle, CJ et al. Hidratación en soluciones acuosas de osmolito: El caso de TMAO y urea. física química química física 22, 11614–11624 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Ghosh, D. et al. Interacciones no covalentes en sistemas extendidos descritas por el método del potencial de fragmento efectivo: Teoría y aplicación a oligómeros de nucleobase. J. física. química A 114, 12739–12754 (2010).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Mori, H., Hirayama, N., Komeiji, Y. & Mochizuki, Y. Diferencias en la hidratación entre cis y trans-platino: conocimientos cuánticos por dinámica molecular basada en orbitales moleculares de fragmentos ab initio (FMO-MD). computar teor. química 986, 30–34 (2012).

Artículo CAS Google Académico

Matsuda, A. & Mori, H. Estudio teórico sobre la estructura de hidratación del ion de radio divalente usando simulación de dinámica molecular orbital-molecular de fragmentos (FMO-MD). J. Solución Chem. 43, 1669–1675 (2014).

Artículo CAS Google Académico

Kuroki, N. & Mori, H. Simulación de dinámica molecular 2 de potencial de fragmento efectivo (EFP2-MD) para investigar estructuras de solución de líquidos iónicos. química Letón. 45, 1009–1011 (2016).

Artículo CAS Google Académico

Kuroki, N. & Mori, H. Aplicabilidad de simulaciones de dinámica molecular 2 (EFP2-MD) de potencial de fragmento efectivo para predecir propiedades en exceso de solventes mixtos. química física Letón. 694, 82–85 (2018).

Artículo ADS CAS Google Académico

Kuroki, N. & Mori, H. Aplicabilidad de simulaciones de dinámica molecular 2 (EFP2-MD) de potencial de fragmento efectivo para predecir propiedades dinámicas de líquidos, incluida la fase de fluido supercrítico. J. física. química B 123, 194–200 (2019).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Frisch, MJ et al. Gaussian 16, Revisión C.01 (Gaussian, Inc, 2019).

Google Académico

Dunning, TH Jr. Conjuntos de bases gaussianas para su uso en cálculos moleculares correlacionados. I. Los átomos de boro a través de neón e hidrógeno. J. Chem. física 90, 1007–1023 (1989).

Artículo ADS CAS Google Académico

Lee, TJ & Taylor, PR Un diagnóstico para determinar la calidad de los métodos de correlación de electrones de referencia única. En t. J. Cuant. química 36, 199–207 (1989).

Artículo Google Académico

Schmidt, MW et al. Sistema general de estructura electrónica atómica y molecular. J. Cómputo. química 14, 1347–1363 (1993).

Artículo CAS Google Académico

Su, P. & Li, H. Análisis de descomposición de energía de enlaces covalentes e interacciones intermoleculares. J. Chem. física 131, 014102 (2009).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Harris, KR & Woolf, LA Dependencia de la presión y la temperatura del coeficiente de autodifusión del agua y el agua con oxígeno-18. J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1 76, 377–385 (1980).

Artículo CAS Google Académico

Clark, ME, Burnell, EE, Chapman, NR y Hinke, JA Agua en el músculo percebe. IV. Factores actores que contribuyen a la reducción de la autodifusión. Biografía. J. 39, 289–299 (1982).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Luzar, A. & Chandler, D. Cinética de enlaces de hidrógeno en agua líquida. Naturaleza 379, 55–57 (1996).

Artículo ADS CAS Google Académico

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NK agradece el apoyo del proyecto JST ACT-X de la Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón (subvención n.º JPMJAX20A9). HM reconoce el apoyo de JSPS KAKENHI (subvención no. 21H01894). Los cálculos se realizaron utilizando recursos de supercomputadora proporcionados por el Centro de Investigación de Ciencias Computacionales (RCCS) en las Instalaciones de Investigación Okazaki de los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales (NINS), Japón (proyecto n.º 22-IMS-C015).

Departamento de Química Aplicada, Facultad de Ciencias e Ingeniería, Universidad de Chuo, Bunkyo-ku, Tokio, 112-8551, Japón

Nahoko Kuroki, Tamon Funakura y Hirotoshi Mori

JST, ACT-X, Kawaguchi, Saitama, 332-0012, Japón

nahoko kuroki

Departamento de Química y Bioquímica, Escuela de Graduados en Humanidades y Ciencias, Universidad de Ochanomizu, Bunkyo-ku, Tokio, 112-8610, Japón

yukina uchino

Departamento de Ciencias Moleculares Teóricas y Computacionales, Instituto de Ciencias Moleculares, Myodaiji, Okazaki, 444-8585, Japón

Hirotoshi Mori

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NK y HM conceptualizó el estudio. TF desarrolló el código EFP-MD bajo la supervisión de HMYU y TF realizó las simulaciones de EFP-MD y analizó los resultados bajo la supervisión de NK y HMNK visualizó los resultados. YU y NK escribieron el borrador original del manuscrito, con contribuciones de los demás autores. NK y HM editaron el manuscrito. Todos los coautores leyeron y comentaron los sucesivos borradores del manuscrito.

Correspondencia a Nahoko Kuroki o Hirotoshi Mori.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Kuroki, N., Uchino, Y., Funakura, T. et al. Diferencia de fluctuación electrónica entre el N-óxido de trimetilamina y el alcohol terc-butílico en agua. Informe científico 12, 19417 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24049-0

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Recibido: 25 julio 2022

Aceptado: 09 noviembre 2022

Publicado: 12 noviembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-24049-0

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