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蛋白质结构计算机模拟和化学位移分析的新方法

王骏  
【摘要】:分子动力学模拟是一个重要的在原子水平上研究分子体系的理论工具。分子力场,采样方法以及计算机硬件的发展使得现在可以模拟更大的分子体系,获得更精确结果。但是分子动力学还存在着两个有待解决的问题:采样效率和分子力场的精度。 由于传统分子动力学模拟的采样效率很低,发展了很多算法来增强分子动力学模拟的采样效率。对分子的构像自由能的计算,也需要对构像空间高效的采样。但是使用以前的方法通常并不能得到收敛得很好的自由能曲面。在第二章中,在自适应伞形采样方法的基础上,结合多拷贝技术和一个对伞形势的限制性更新的计划,发展了一种新的增强采样的方法。在丙氨酸十肽的体系上,使用这种方法得到了收敛很好的自由能曲面,并计算了α螺旋和β折叠两种构像的相对自由能。在第三章中,我们提出了一种新的哈密顿副本交换方法,根据丙氨酸二肽在特定力场下的主链二面角的自由能曲面构建了一组伞形势来补偿主链二面角构像转变的能垒。我们还推导了广义的加权直方图分析方程用来以计算体系的自由能曲面。该方法能够得到精度很高的丙氨酸三肽和四肽的主链二面角的自由能曲面,对一个螺旋结构的17肽的采样也获得了比传统分子动力学好得多的构象间的平衡。 对蛋白质模拟而言,分子动力学模拟的质量极大的依赖于分子力场的精确性。由于目前常用的分子力场采用了一种过于简单的函数形式来描述蛋白质的主链二面角,并且在参数化过程中不恰当的使用了真空下的量化计算结果作为目标数据,导致力场对蛋白质的主链二面角的描述有失准确。在第四章中,尝试通过增加主链二面角的交叉项,并以最新的丙氨酸二肽在凝聚态下的量化计算结果为目标函数进行参数化,来修正结合了溶剂化模型的分子力场。对蛋白质的长时间模拟的结果显示,经过修正,模拟质量在二级结构内主链原子的均方根偏差和二级结构内天然氢键的含量上都有明显的改善。这说明了以模型分子的能量来优化


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