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Precise estimation of transfer free energies for ionic species between similar media†
Physical Chemistry Chemical Physics ( IF 2.9 ) Pub Date : 2018-10-17 00:00:00 , DOI: 10.1039/c8cp05331f Carmen Esposito 1, 2, 3, 4 , Andreas Vitalis 1, 2, 3, 4
Physical Chemistry Chemical Physics ( IF 2.9 ) Pub Date : 2018-10-17 00:00:00 , DOI: 10.1039/c8cp05331f Carmen Esposito 1, 2, 3, 4 , Andreas Vitalis 1, 2, 3, 4
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Transfer properties and partition coefficients for individual ions are relevant in a variety of scientific and engineering contexts, such as predicting the effects of different electrolytes on biomacromolecules in a preferential interaction sense or predicting the distribution of heavy metal ions in soils, rivers, etc. Computer simulations allow free energies of transfer to be estimated by considering single ions explicitly. When the two media under consideration are similar to each other regarding ion solvation, the resultant free energies are small in absolute magnitude. In these cases, it is advisable to simulate the transfer process directly. Here, we demonstrate how this can be achieved using two-dimensional umbrella sampling in conjunction with canonical ensemble molecular dynamics simulations where two liquid media are in direct contact. By calculating full two-dimensional potentials of mean force, these simulations allow the estimation of single-ion transfer free energies by integrating this surface accordingly. We report statistical accuracies to highlight that very high precision is achieved and needed to make even just qualitative statements about the transfer process. We close by discussing implications of our results for the specific case considered: the transfer of polypeptide side chain analogs from water to aqueous denaturant solutions.
中文翻译：
精确估算相似介质之间离子物种的转移自由能†
各个离子的传递特性和分配系数在各种科学和工程环境中都非常重要，例如以优先相互作用的方式预测不同电解质对生物大分子的影响，或预测土壤，河流等中重金属离子的分布。计算机模拟允许通过明确考虑单个离子来估算转移的自由能。当考虑的两种介质在离子溶剂化方面彼此相似时，所产生的自由能绝对量很小。在这种情况下，建议直接模拟传输过程。在这里，我们演示了如何使用二维伞状采样以及两种液体介质直接接触的规范集成分子动力学模拟来实现此目的。通过计算平均二维力的全部势能，这些模拟可以通过相应地积分该表面来估计单离子转移自由能。我们报告了统计准确性，以强调达到了非常高的精度，甚至仅需对传输过程进行定性说明就可以达到很高的精度。最后，我们讨论了所考虑的具体情况的结果含义：多肽侧链类似物从水到变性剂水溶液的转移。
更新日期：2018-10-17
中文翻译：
精确估算相似介质之间离子物种的转移自由能†
各个离子的传递特性和分配系数在各种科学和工程环境中都非常重要，例如以优先相互作用的方式预测不同电解质对生物大分子的影响，或预测土壤，河流等中重金属离子的分布。计算机模拟允许通过明确考虑单个离子来估算转移的自由能。当考虑的两种介质在离子溶剂化方面彼此相似时，所产生的自由能绝对量很小。在这种情况下，建议直接模拟传输过程。在这里，我们演示了如何使用二维伞状采样以及两种液体介质直接接触的规范集成分子动力学模拟来实现此目的。通过计算平均二维力的全部势能，这些模拟可以通过相应地积分该表面来估计单离子转移自由能。我们报告了统计准确性，以强调达到了非常高的精度，甚至仅需对传输过程进行定性说明就可以达到很高的精度。最后，我们讨论了所考虑的具体情况的结果含义：多肽侧链类似物从水到变性剂水溶液的转移。
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