分子间相互作用能量分解数据库的构建及对常用力场计算准确性的评价

【摘要】：分子间相互作用是化学和生物学中重要的非共价键相互作用,在维持生物大分子结构的稳定,蛋白和配体的结合中发挥着重要作用。准确计算分子间相互作用能对了解生物大分子的性质结构功能具有重要的意义。分子力场方法较量子力学方法更适用于计算生物大分子的分子间相互作用能,具有更广的应用范围。由于实验数据或高精度理论计算结果的不足,大多数力场参数的拟合未考虑到非平衡构型,造成了力场方法在计算分子间或分子内片段间相互作用时往往存在较大的误差。本文基于SAPT方法建立了高精度的、包含平衡及非平衡构型的、二维势能面的分子间相互作用能量分解数据库,并以此为标准对各力场的分子间相互作用能及各能量分项的计算结果进行评估。为分子力场方法计算分子间相互作用能的精度提高提供方向,也为力场方法的开发提供可靠的数据支持。本论文选取23个O—H···O,O—H···N,N—H···O,N—H···N型小分子氢键二聚体作为研究对象,并通过改变分子间氢键键长和氢键键角生成2024(23×8×11)个可能的构型。利用SAPT2+(3)-DF/aug-cc-p VTZ方法获得这些构型的分子间相互作用能及作用能分解标准数据库。以该数据库为基础,基于其中的6个O—H···O型氢键体系共528个不同构型分子间相互作用能分解结果对固定电荷力场方法OPLS-AA、MMFF94以及可极化力场方法AMOEBA09、PBFF下的计算结果进行评估。结果表明,各力场对非平衡结构的分子间相互作用能的计算误差普遍高于平衡结构的相应误差,这很可能是由于势函数中各能量分项比例分配不合理造成的。随着键角偏离平衡位置度数增大,分子间相互作用能及各项的误差逐渐增大。对于所评估的四种力场方法,平衡构型的相互作用能计算结果平均绝对偏差仅为0.67 kcal/mol,非平衡构型的相互作用能平均绝对偏差增加到5.40 kcal/mol,尤其当氢键键角处于偏离平衡结构较大的-75°时,平均误差达到39.21 kcal/mol。通过进一步对比各力场方法计算的能量分解结果,我们发现各能量分项的相对比例和计算精度均有较大偏差。在评估的四种力场方法中,均表现为高估了范德华相互作用项的贡献和低估了静电相互作用的贡献。其中平衡构型的范德华相互作用项和静电相互作用项的平均绝对偏差分别为5.03 kcal/mol和5.23 kcal/mol,而非平衡构型的相应偏差分别为7.51 kcal/mol和5.95 kcal/mol。因此,通过改善静电及范德华部分的参数,重新分配各项比例,尤其是基于本数据库结果对角度偏离平衡键角大的构型的参数进行调整可以提高各力场对分子间相互作用能计算的准确度。