ABEEMσπ和OPLS-AA力场对蛋白质GA88/GB88的分子动力学模拟

将原子与键电负性均衡方法融入分子力学方法,即利用ABEEMσπ浮动电荷力场与ABEEM-7P水模型相结合的方法及OPLS-AA固定电荷力场方法,对GA88和GB88蛋白进行了水溶液(温度295 K)和真空中的分子动力学模拟.比较两种方法得到的两个蛋白质的结构与实验结构的均方根偏差,分析了两种方法得到的两个蛋白质的回旋半径、氢键分布、径向分布及电荷分布情况.结果表明,ABEEMσπ和OPLS-AA力场均能正确模拟蛋白质结构,得到的各项偏差值接近,但从各偏差的波动大小可见,ABEEMσπ力场的模拟更稳定;回旋半径模拟很好地体现了蛋白质的"电致紧缩"现象;氢键分布、径向分布及电荷分布表明,与OPLS-AA固定电荷力场相比,ABEEMσπ浮动电荷力场能更好地体现蛋白质和周围水分子的极化效应.     

环多肽晶体的浮动电荷极化力场模拟

利用原子键电负性均衡结合分子力场方法(ABEEM/MM)对五种环多肽晶体进行了研究. 与传统力场相比, 该方法中的静电势包含了分子内和分子间的静电极化作用, 以及分子内电荷转移影响, 同时加入了化学键等非原子中心电荷位点, 合理地体现了分子中的电荷分布. 相对其他极化力场模型, 具有计算量较小的特点. 该模型下计算得到的环多肽分子单元相对实验测得的结构的原子位置、氢键长度和二面角的均方根偏差分别为0.009 nm、0.013 nm和5.16°, 能够很好地重复实验结果. 总体上, 其结果优于或相当于其他力场模型, 适用于对实际蛋白质体系的模拟和研究.     

应用ABEEM/MM蛋白质力场模型研究半胱氨酸二肽构象的性质

ABEEM/MM蛋白质力场模型是应用于蛋白质体系的原子-键电负性均衡方法(ABEEM)与力场(MM)相结合的浮动电荷模型.该模型能够准确地描述分子在环境变化时的静电极化,并能快速计算气态和溶液多肽的结构和能量.首次应用ABEEM/MM蛋白质力场模型研究半胱氨酸二肽构象的性质,如构象能、氢键等.此外,应用从头计算HF/6-31G**方法对其性质进行计算.ABEEM/MM蛋白质力场模型可以快速准确地得到半胱氨酸二肽分子不同稳定构象的性质,其结果可以和从头计算相媲美.以上研究有助于加深对半胱氨酸二肽构象性质的了解,从而也为进一步验证ABEEM/MM蛋白质力场模型的正确性以及参数的合理性提供可靠的依据.     

ABEEMσп/MM力场模型下的多肽构象

在ABEEM/MM蛋白质浮动电荷力场模型的基础上,加入孤对电子和π电荷位点,从而能够体现多肽和蛋白质分子中一些重要的各向异性极化性质,允许非化学键方向的电子转移和极化.利用从头计算数据拟合模型相关参数.计算得到的小分子团簇结合能、偶极矩、氢键键长等性质与从头计算结果符合很好.该经典极化模型力场能够重复量子场下丙氨酸二肽、丙氨酸四肽、甘氨酸三肽的各稳定构象,其稳定性顺序与精密从头计算结果相一致,其结构和能量性质较以往模型有一定提高,并优于其他力场模型.     

ABEEMσπ/MM力场模型下的多肽构象

在ABEEM/MM蛋白质浮动电荷力场模型的基础上,加入孤对电子和 电荷位点,从而能够体现多肽和蛋白质分子中一些重要的各向异性极化性质,允许非化学键方向的电子转移和极化。利用从头计算数据拟合模型相关参数。计算得到的小分子团簇结合能、偶极矩、氢键键长等性质与从头计算结果符合很好。该经典极化模型力场能够重复量子场下丙氨酸二肽、丙氨酸四肽、甘氨酸三肽的各稳定构象,其稳定性顺序与精密从头计算结果相一致,其结构和能量性质较以往模型有一定提高,并优于其他力场模型。     

不同力场对B-DNA到A-DNA构型转变的影响

采用分子动力学模拟方法比较了最新版CHARMM和AMBER(包括bsc1和OL15)力场对水溶液中B-DNA到A-DNA转化过程的影响,利用扩展自适应偏置力(eABF)方法计算了转化过程的自由能变化.研究结果表明,在不同力场下,水环境中的DNA最稳定结构存在差异,AMBER力场比CHARMM力场更符合实验结果.AMBER力场下DNA最稳定结构的小沟较窄,稳定于B构型;而CHARMM力场下DNA最稳定结构的小沟较宽,介于B构型与A构型之间.通过分析DNA周围离子及水的分布情况发现,CHARMM力场下DNA小沟周围的离子密度明显低于AMBER力场,不能很好地抵消2条磷酸骨架之间的排斥作用,这是CHARMM力场下小沟较宽且趋向A构型的主要原因.     

鸟嘌呤与氨基酸残基体系的极化力场

发展了应用于鸟嘌呤G和氨基酸残基体系的浮动电荷力场, 该力场明确定义了孤对电子和键的电荷和位置, 通过电荷随着环境的浮动来体现极化效应; 通过氢键拟合函数k_HB描绘了氢键键能. 应用量子化学方法, 对G与氨基酸残基体系从氢键、 几何结构及电荷分布3个方面展开计算及分析, 并以其为基准, 确定参数发展了适用于G与氨基酸残基氢键体系的ABEEMσπ PFF. 采用3种不同力场模拟目标分子的结构和性质. 模拟结果表明, 发展的ABEEMσπ PFF与量子化学方法具有最好的一致性, 可用于模拟生物大分子体系.     

多肽中氢键强度的理论研究

用B3LYP/6-31G^*法优化了多肽分子的几何构型,计算了各个构型的电荷分布和氢键酸度,进而对多肽分子中的氢键强度进行了研究.结果表明,多肽分子中氢键的强度同时取决于形成氢键的H…O原子间距R和N-H…O之间的键角β;多肽分子倾向于形成R值小、β值大的大环氢键.3₁₀螺旋结构的多肽分子中的氢键具有协同效应,分子越大,分子中氢键越多,氢键的协同效应越强.     

应用连续小波变换预测蛋白质的二级结构

将代码为lgca蛋白质的氨基酸序列映射为疏水值序列，在合适的尺度下，通过 连续小波变换法分别对其α螺旋,α螺旋和β折叠之间的连接多肽(即部分规则和无 规则二级结构)进行预测，准确率分别为76．5％和85．7％．从PDBsum数据库中随 机抽取100个蛋白质作为测试对象，其中全α螺旋、全β折叠、α／β以及α+β蛋 白质各25个．在100个蛋白质中共有1618个连接多肽和747个α螺旋.本法预测到的 连接多肽共有1536个，其中1308个与实际结构一致，平均预测准确率为85.2％；预 测到的α螺旋有770个，其中581个与实际结构一致，平均预测准确率为75．5％． 结果表明：该法可较好地预测蛋白质的α螺旋、连接多肽，具有极大的发展前景．     

准确快速计算含多肽酰胺和核酸碱基的氢键复合物的氢键强度和氢键作用势能曲线

N-H···O=C、C-H···O=C、N-H···N和C-H···N等氢键作用是蛋白质a-螺旋结构、b-折叠结构和DNA双螺旋结构形成的主要因素,在生物分子识别、蛋白质复制以及遗传信息传递等过程中起重要作用。准确快速计算生物体系中存在的N-H···O=C、C-H···O=C、N-H···N和C-H···N等氢键作用强度以及氢键强度随分子几何结构(距离和角度)变化的势能曲线对正确模拟(从而正确认识和理解)蛋白质折叠机制和DNA双螺旋结构形成机制等生物过程意义重大,对设计合成具有特殊功能的生物分子材料有重要指导价值。本文主要介绍了近年来建立的偶极-偶极氢键作用模型及其在快速预测多肽-多肽分子间和核酸碱基-多肽分子间氢键作用强度和氢键作用势能曲线方面的应用。     

利用浮动电荷力场对N-甲基乙酰胺水溶液的分子动力学模拟

利用原子键电负性均衡结合分子力场方法(ABEEM/MM)对N-甲基乙酰胺(NMA)分子的水溶液体系进行了分子动力学模拟. 与经典的力场模型相比, 该方法中的静电势包含了分子内和分子间的静电极化作用, 以及分子内电荷转移影响, 同时加入了化学键等非原子中心电荷位点, 合理体现了分子中的电荷分布. 相对其它极化力场模型, 该模型具有计算量较小的特点. 在该模型下对NMA纯溶液和其水溶液体系进行了分子动力学模拟, 得到的径向分布函数、汽化热和偶极矩等物理量与实验值和其它极化力场方法符合很好, 合理描述了溶质与溶剂之间的静电极化和分子内的电荷转移.     

非天然相互作用对均聚多肽链螺旋形成动力学过程的影响的计算机模拟研究

以螺旋结构的形成过程为研究对象,基于粗粒化的格子模型和动态蒙特卡罗模拟方法,初步探讨了非天然氢键相互作用对均聚多肽链螺旋折叠动力学过程的影响.研究发现,非天然氢键的引入虽然延缓了其热力学转变的发生,但也从整体上降低了折叠动力学过程的能垒,在某一特定温度之下,反而可以提高折叠速率.对其折叠路径分布的分析表明,非天然氢键可以减少慢速折叠路径的发生,而后者是导致折叠时间增加的主要因素.另一方面,比较特定温度下多肽链链构象及螺旋片断随时间的演化进程,发现非天然氢键在一定程度上影响了天然氢键的形成以及天然态构象的稳定存在,同时也加快了其部分解折叠过程.这说明,非天然相互作用的存在有利于蛋白质构象的快速动态调整,从而行使其相应的生物功能.     

[EPy][BF4]和[EPy][PF6]离子对的气相及液相阴阳离子相互作用研究

采用从头算HF/6-31G和密度泛函理论B3LYP/6-31+G(d,p)方法, 对乙基吡啶四氟硼酸盐([EPy][BF4])和乙基吡啶六氟磷酸盐([EPy][PF6])的离子对进行了结构优化和频率分析, 并利用自洽反应场(SCRF)的导体极化连续模型(CPCM)考察了离子对液态下的结构及相互作用, 得到了两种离子对的红外光谱及气相、液相下最稳定结构. 由两种离子对的几何参数可知, 阴阳离子通过氢键相互作用, 两种离子液体的红外光谱特征值与实验值比较吻合. 应用自然键轨道(NBO)理论分析了吡啶阳离子及离子对中的原子电荷分布和电荷转移情况, 结果表明两种离子对中阴阳离子间存在静电相互作用和氢键作用. 通过几何参数、相互作用能及NBO分析研究发现, 液相下由于周围电荷的中和作用, 离子对中阴阳离子的相互作用明显降低.     

应用ABEEMσπ极化力场对Zn2+水溶液配位微结构和水交换反应进行分子动力学模拟研究

应用ABEEMσπ极化力场,对Zn²⁺水溶液体系进行分子动力学模拟,探讨Zn²⁺的配位微结构和配体水交换反应。水分子模型采用ABEEM-7P精细水模型。模拟后对体系结构、电荷及动力学性质进行细致分析。结构分析表明,平衡体系中Zn²⁺的第一层配位数为6,这与实验值是一致的。水交换反应过程中,溶剂水由O-Zn-O角分线斜上（下）方进攻Zn²⁺,配位水由O-Zn-O角分线斜下（上）方逐渐远离。极化力场模拟时Zn²⁺与交换水间的距离变化波动较大,而固定电荷力场的波动较小。模拟发现,极化力场的径向分布函数能精细地展示第二、三层配体的配位微结构,第二配位层存在靠近Zn²⁺的亚壳层,能与第一水合层发生水交换反应,充分体现了Zn²⁺的极化效应。本文阐明了水交换反应中,Zn²⁺位点电荷与交换水中氧原子孤对电子位点电荷的规律性变化,从电荷的角度解释了水交换反应的合理性。ABEEMσπ极化力场模拟Zn²⁺水溶液获得第一水合层的平均配位驻留时间为2.0×10^-9 s,在实验值范围内,说明ABEEMσπ极化力场可以合理地模拟Zn²⁺水溶液体系。     

利用基于Gouy-Chapman模型的离子有效电荷定量表征离子特异性效应

离子特异性效应在固-液界面反应中是普遍存在的.近期研究指出,在较低电解质浓度的某些体系中,离子特异性效应可能并非来源于色散力、经典诱导力、离子半径或水合半径的大小等,而是界面附近强电场中的离子极化作用.这种作用可使界面附近的吸附态反号离子被强烈极化(高达经典极化的104倍).强烈极化的结果将导致离子在界面附近受到的库仑力远远超过离子电荷所能产生的库仑力,这体现在离子的有效电荷将远大于离子的实际电荷.因此胶体体系中基于这种强极化的离子有效电荷可以用来定量表征离子特异性效应的强度.本研究在蒙脱石-胡敏酸混合悬液凝聚过程中发现了Na+、K+、Ca2+、Cu2+四种离子的离子特异性效应,提出了基于激光散射技术测定离子有效电荷的方法,并成功获得了被强烈极化后的离子有效电荷数值.实验测得的Na+、K+、Ca2+、Cu2+四种离子的有效电荷值分别为:ZNa(effective)=1.46,ZK(effective)=1.86,ZCa(effective)=3.92,ZCu(effective)=6.48.该结果表明:(1)离子在强电场中的极化将大大提高离子的有效电荷,从而极大地增强离子所受的库仑作用力;(2)离子的电子层数越多,离子极化越强烈,离子的有效电荷增加越多.     

原子-键电负性均衡方法融合进分子力场(ABEEM/MM)应用于蛋白质分子(Crambin)模拟

建立应用于多肽和蛋白质模拟的ABEEM/MM浮动电荷力场.利用该模型和参数,对实际蛋白质分子Crambin(植物种子中的一种小的蛋白质)进行模拟,得到了满意的结果,为其更广泛的应用开辟了道路.     

双亲嵌段共聚物P103对牛血清白蛋白构象的影响

利用傅立叶变换红外光谱和傅立叶变换拉曼光谱研究了牛血清白蛋白(BSA)与双亲嵌段共聚物P103作用过程中蛋白质构象的变化规律。研究表明,当P103浓度较低时,BSA二级结构变化不大,当P103浓度为16 g/L或以上时,α-螺旋结构由45.9%降至40%以下,β-折叠结构升高,由6.1%增至17%左右,同时无规结构略微下降。P103的加入主要改变BSA分子内部氢键的结合方式,使α-螺旋结构转变为β-折叠结构;P103的加入还影响BSA中氨基酸侧链的微环境变化和蛋白质二硫键的构象变化。     

室温离子液体的分子动力学模拟

室温离子液体作为一种新型的反应介质正在受到人们的关注,近十年来成为了化学领域的研究热点。随着人们对离子液体结构与性质研究的不断深入和计算方法的快速发展,分子模拟已是研究离子液体的结构和性质的有力工具。本文介绍了分子动力学(molecular dynamics,MD)的基本原理,分子力场的种类,以及离子液体分子动力学模拟一般采用的AMBER、OPLS和CHARMM三种力场的构建形式。综述了近年来纯组分离子液体、混合组分离子液体分子动力学模拟方法研究取得的成果和最新进展,并分析了主要存在的问题。展望了离子液体分子动力学模拟的研究方向和前景,同时还提出了包含极化作用和静电远程作用的离子液体分子动力学模拟研究的基本思路。     

pH值和金属离子对尖吻蝮蛇抗凝血因子Ⅱ二级结构的影响

圆二色谱(CD谱)测量表明，尖吻蝮蛇抗凝血因子Ⅱ(ACF Ⅱ)与抗凝血因子Ⅰ(ACF Ⅰ)的二级结构十分相似，它们的主要骨架构象都为反平行β-折叠和α-螺旋结构。pH值对天然ACF Ⅱ的构象有一定的影响，pH值从3到10增大时，α-螺旋含量逐渐减少，反平行β-折叠含量逐渐增大。钙和其他二价金属离子对ACF Ⅱ的骨架结构没有明显影响。三价稀土离子使ACF Ⅱ的α-螺旋含量升高，同时降低其β-转角和β-折叠的含量。     

溶液相中卤键驱动的超分子螺旋

<正>螺旋构象具有重要的生命科学研究价值,如DNA双股螺旋和蛋白质α-螺旋是生命组成中两类主要的螺旋结构。基于分子间非共价相互作用的超分子螺旋作为仿生螺旋的一种,因其结构可调控性和动态可逆性特征而备受关注,近年来已在不对称催化、手性传感和分离、仿生材料等研究领域展现重要的应用~(1,2)。传统构造超分子螺旋的非共价相互作用主要包括氢键、静电、π-π堆积、亲疏水以及金属配位等。卤键是存在于分子中卤素原子的亲电区域和