Computational Simulations of Zinc Enzyme:Challenges and Recent Advances

锌酶在人体中分布非常广泛,种类繁多,是当前最受关注的金属酶之一。由于在锌配位结构上的多样性以及zn2+饱和的d轨道带来的“光谱寂静“性,导致许多实验研究手段受限。计算模拟在锌酶的研究中发挥着越来越重要的作用,已经成为不可或缺的研究工具。现代量子化学计算模拟方法,特别是被视为研究生物大分子体系非常有效的QM/MM组合方法,目前已经被广泛应用于探讨复杂多变的锌配位结构以及锌酶催化反应机理。通过在QM/MM水平下开展的分子动力学模拟,可以揭示锌酶体系中结构与功能间的相互关系。此外,分子力场方法在锌酶研究中同样发挥了不可替代的作用,由于传统力场普遍无法正确描述锌配位结构,因此,锌酶分子力场的开发具有迫切的现实意义。本文总结了近年来锌酶计算模拟领域的最新进展,提出了锌酶计算研究中还有待解决的一些问题。Zinc enzymes play a variety of essential biological roles,and their functions and/or structural organizations are critically dependent on the zinc binding site.However,the zinc coordination shell is so complicated that an accurate and powerful theoretical simulation protocol is highly required in calculation.Herein,we review the recent studies of the selected zinc enzymes by the state-of-the-art combined quantum mechanism/molecular mechanism molecular dynamics(QM/MM MD) simulations in probing the reaction mechanism and revealing the relationship of structure and function.Meanwhile,the accuracy of all the current available pairwise force fields to describe zinc coordination structure is very poor,so the recent development of force fields for zinc enzyme is also presented.By the end of this review,some prospects and suggestions are given for further exploration of zinc enzyme.国家重点基础研究发展计划(973)项目(No.2011CB808504;2012CB214902);国家自然科学基金项目(No.2133007;20873105)资

Electric-field-induced selective catalysis of single-molecule reaction

随着单分子电学检测技术的迅速发展，分子电子学的研究不再局限于分子电子学器件的构筑及其电学性质的测量，而且扩展到单分子尺度化学反应过程的探索。然而目前相关的研究仍然局限于理论计算方面，在单分子尺度上实时监测和调控化学反应的活性和选择性是化学领域的长期目标和挑战。针对这一挑战，洪文晶教授课题组与程俊教授课题组合作，自主研发了精密科学仪器，将单个有机分子定向连接在两个末端尺寸为原子级的电极之间，解决了化学反应中分子取向控制的问题.理论计算结果证实了定向电场可以有效地稳定化学反应的过渡态，从而降低反应能垒。该研究工作在化学化工学院洪文晶教授、程俊教授、能源材料化学协同创新中心（iChEM）刘俊扬副研究员的共同指导下完成，由硕士研究生黄晓艳、iChEM博士研究生唐淳、博士研究生李洁琼以及兰州大学的陈力川博士作为共同第一作者，化学化工学院师佳副教授、陈招斌高级工程师、夏海平教授和田中群教授，萨本栋微纳研究院杨扬副教授、环境与生态学院白敏冬教授以及兰州大学张浩力教授参与了研究工作的讨论并给予指导，博士后乐家波、博士研究生郑珏婷、张佩（已毕业）、李瑞豪、李晓慧也参与了研究工作。Oriented external electric fields (OEEFs) offer a unique chance to tune catalytic selectivity by orienting the alignment of the electric field along the axis of the activated bond for a specific chemical reaction; however, they remain a key experimental challenge. Here, we experimentally and theoretically investigated the OEEF-induced selective catalysis in a two-step cascade reaction of the Diels-Alder addition followed by an aromatization process. Characterized by the mechanically controllable break junction (MCBJ) technique in the nanogap and confirmed by nuclear magnetic resonance (NMR) in bottles, OEEFs are found to selectively catalyze the aromatization reaction by one order of magnitude owing to the alignment of the electric field on the reaction axis. Meanwhile, the Diels-Alder reaction remained unchanged since its reaction axis is orthogonal to the electric fields. This orientation-selective catalytic effect of OEEFs reveals that chemical reactions can be selectively manipulated through the elegant alignment between the electric fields and the reaction axis.This work was supported by the National Key R&D Program of China (2017YFA0204902), the National Natural Science Foundation of China (21722305, 21703188, 21673195, 21621091, 51733004, 51525303, and 91745103), the China Postdoctoral Science Foundation (2017M622060), and the Young Thousand Talents Project of China. 该工作得到国家自然科学基金委（21722305、21703188、21673195、51733004、51525303、91745103），国家重点研发计划课题（2017YFA0204902），中国博士后面上基金（2017M622060）的资助，以及固体表面物理化学国家重点实验室、醇醚酯化工清洁生产国家工程实验室、能源材料化学协同创新中心的支持

中国物理海洋学研究70年：发展历程、学术成就概览

本文概略评述新中国成立70年来物理海洋学各分支研究领域的发展历程和若干学术成就。中国物理海洋学研究起步于海浪、潮汐、近海环流与水团,以及以风暴潮为主的海洋气象灾害的研究。随着国力的增强,研究领域不断拓展,涌现了大量具有广泛影响力的研究成果,其中包括:提出了被国际广泛采用的"普遍风浪谱"和"涌浪谱",发展了第三代海浪数值模式;提出了"准调和分析方法"和"潮汐潮流永久预报"等潮汐潮流的分析和预报方法;发现并命名了"棉兰老潜流",揭示了东海黑潮的多核结构及其多尺度变异机理等,系统描述了太平洋西边界流系;提出了印度尼西亚贯穿流的南海分支(或称南海贯穿流);不断完善了中国近海陆架环流系统,在南海环流、黑潮及其分支、台湾暖流、闽浙沿岸流、黄海冷水团环流、黄海暖流、渤海环流,以及陆架波方面均取得了深刻的认识;从大气桥和海洋桥两个方面对太平洋–印度洋–大西洋洋际相互作用进行了系统的总结;发展了浅海水团的研究方法,基本摸清了中国近海水团的分布和消长特征与机制,在大洋和极地水团分布及运动研究方面也做出了重要贡献;阐明了南海中尺度涡的宏观特征和生成机制,揭示了中尺度涡的三维结构,定量评估了其全球物质与能量输运能力;基本摸清了中国近海海洋锋的空间分布和季节变化特征,提出了地形、正压不稳定和斜压不稳定等锋面动力学机制;构建了"南海内波潜标观测网",实现了对内波生成–演变–消亡全过程机理的系统认识;发展了湍流的剪切不稳定理论,提出了海流"边缘不稳定"的概念,开发了海洋湍流模式,提出了湍流混合参数化的新方法等;在海洋内部混合机制和能量来源方面取得了新的认识,并阐述了混合对海洋深层环流、营养物质输运等过程的影响;研发了全球浪–潮–流耦合模式,推出一系列海洋与气候模式;发展了可同化主要海洋观测数据的海洋数据同化系统和用于ENSO预报的耦合同化系统;建立了达到国际水准的非地转(水槽/水池)和地转(旋转平台)物理模型实验平台;发展了ENSO预报的误差分析方法,建立了海洋和气候系统年代际变化的理论体系,揭示了中深层海洋对全球气候变化的响应;初步建成了中国近海海洋观测网;持续开展南北极调查研究;建立了台风、风暴潮、巨浪和海啸的业务化预报系统,为中国气象减灾提供保障;突破了国外的海洋技术封锁,研发了万米水深的深水水听器和海洋光学特性系列测量仪器;建立了溢油、危险化学品漂移扩散等预测模型,为伴随海洋资源开发所带来的风险事故的应急处理和预警预报提供科学支撑。文中引用的大量学术成果文献(每位第一作者优选不超过3篇)显示,经过70年的发展,中国物理海洋学研究培养了一支实力雄厚的科研队伍,这是最宝贵的成果。这支队伍必将成为中国物理海洋学研究攀登新高峰的主力军

中德气候、沙漠与年轮学术交流会在乌鲁木齐召开[J]

2011年9月23日上午,中德气候、沙漠与年轮学术交流会在中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所召开,德方由来自德意志联邦VTI研究院、波茨坦大学生态与环境保护学院和德国柏林理工大学生态学院的4名科研人员出席会议;中方由来自中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所、新疆师范大学和中科院新疆生态与地理研究所的10名科研人员组成，何清所长和于瑞德副所长出席会议

无同步器式变速器啮合套与接合齿圈啮合性能研究

为研究混合动力汽车搭载的无同步器式AMT变速器换挡过程中啮合套与接合齿圈的啮合性能，提高换挡平顺性和缩短换挡时间，通过理论分析与虚拟样机仿真分析的方法，研究了无同步器式AMT变速器啮合套与接合齿圈啮合的过程。将啮合过程分为4个阶段：自由滑行阶段、齿尖碰撞阶段、齿尖摩擦阶段和齿间啮合阶段，建立数学模型；应用Adams建立了啮合套与接合齿圈啮合过程动力学模型，将仿真模型与理论计算值进行对比，其误差为7.3%；研究了啮合套与接合齿圈的转速差和作用在啮合套上的换挡力对啮合过程的影响，并得到最佳的转速差范围。研究结果可为换挡自动控制提供关键性指导

城市脆弱性动态演变的模拟预测研究

对城市脆弱性的动态演变进行模拟预测可以得到城市脆弱性的未来发展趋势和水平,由此为调控城市脆弱性、为制定城市可持续发展政策提供科学的决策依据。遵循"测度、降维、预测"的总体技术路线,首先从城市经济、社会和环境3个方面定量测度城市脆弱性指数(UVI),其次利用相关系数分析法提取影响UVI的主导指标因素,最后构建预测模型并优选出精度最高的模型用于预测。以合肥市为实证,对其城市脆弱性动态演变进行了模拟预测,研究表明:1998-2012年,合肥UVI总体上呈下降趋势,但在2011年发生突变反弹,从2010年的0.276 8增加到2011年的0.506 6,增加了83.02%;影响合肥UVI的主要有6个指标因素;以这6个主导指标为基础,分别构建SLR、MLR和RBF神经网络预测模型,SLR、MLR和RBF神经网络模型的预测相对误差分别为6.61%、4.64%和1.89%,综合对比分析表明RBF神经网络模型的预测精度最高;利用RBF预测模型得到合肥2013-2017年的UVI,结果显示合肥2015年的UVI为0.284 3,和2010年的UVI(0.276 8)基本持平,由此表明,只要6个主导指标能保持目前的发展趋势,合肥UVI将重新回到2011年发生突变反弹前的水平和状态。研究显示,RBF神经网络能为城市脆弱性动态演变的模拟预测提供一种新思路和新方法,进而为完善城市脆弱性研究体系和类似城市的相关研究提供参考借鉴

Mechanisms of mobility and retention of nano-TiO_2 in acidic porous media in the presence of humus acids

The mechanisms of mobility and retention of titanium dioxide nanoparticles (nTiO_2) in well-defined porous media composed of clean quartz sand in the presence of fulvic acid (FA) and humic acid (HA) were studied under acidic conditions.nTiO_2 were immobile in the porous media in the absence of FA and HA at pH 4.0.FA and HA could be adsorbed onto the surface of nTiO_2,change the electrokinetic properties of nTiO_2,and facilitate the transport of nTiO_2.The elution of nTiO_2 increased from 0.01 and 0.88 to 0.91 and 0.94 with the increase of FA and HA from 1mg/L to 10mg/L respectively.Compared to FA,more HA was adsorbed onto nTiO_2,and thus the facilitated effect of HA on transport of nTiO_2 was stronger.Ions inhibited the mobility of nTiO_2,and the effect of CaCl_2 was greater than that of NaCl in same concentration.The mobility of nTiO_2 was better in the presence of HA than FA.In addition,7%~56% nTiO_2 was deposited in the secondary energy minimum well in the presence of HA,higher than 4%~17% in the presence of FA,which could be easily released when the environmental conditions changed.High energy barriers between nTiO_2 and quartz promoted the mobility of nTiO_2,while a combination of the secondary minimum energy,straining,diffusion and gravitational deposition were involved in the retention of nTiO_2

Influence of pH, ionic strength, and electrolyte type on the aggregation and dissolution of zinc oxides nanoparticles

本文初步探讨了不同pH、离子强度及电解质种类对纳米氧化锌(ZnO NPs)稳定性(聚集沉降和溶解)的影响.沉降实验表明,pH 越靠近零电荷点(~ pH 9.2),ZnO NPs 聚集体尺寸越大,沉降速度越快,稳定性越低; 中性pH 条件下,随着离子强度的增加,ZnO NPs ζ 电位绝对值减小,聚集体尺寸相应变大,沉降速度加快,稳定性降低.中性pH 时ZnO NPs ζ 电位为正值,阴离子较阳离子更易使ZnO NPs 聚集沉降,且SO_4~(2-)的影响远大于Cl~-.溶解实验显示,pH 2—11,Zn~(2+)都会释放到溶液中,pH < 7.5,ZnO NPs 溶解量< 5%; pH < 6, 超过60%的Zn~(2+)释放到溶液中.中性条件下,离子强度越高,ZnO NPs 越易溶解,且Ca~(2+)对纳米氧化锌溶解的促进作用强于Na~+.这表明离子对纳米氧化锌溶解的促进可能源于阳离子与颗粒表面的离子交换机制

长江干流关键点流量变化及其生态影响分析

文章详细介绍了水文变动指标IHA法32个水文参数及其生态影响,计算分析了长江干流4个关键点寸滩、宜昌、汉口和大通在"自然变化阶段"、"受人类活动干扰阶段"和多年长系列3个不同时期的多年平均月流量状况,并采用IHA法计算了各控制点的32个水文参数,确定了各参数相应的水文变化等级,分析了长江干流流量格局的变化情况及潜在的生态影响。结果表明,长江干流关键点流量格局的变化主要是:年内月平均流量1～4月枯季流量增加,6～7月汛期流量增加;寸滩和宜昌流量减少主要集中在下半年8～11月,汉口和大通流量减少的时间推迟,