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.     

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.     

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.     

毒素DON单链抗体的同源建模及与DON结合的分子模拟研究

通过同源模建及分子力学构建并优化了呕吐毒素DON单链抗体的三维结构, 结合Procheck和verify_3D方法评估得到合理的抗体模型. 利用分子对接方法研究了单链抗体与其抗原DON的识别及相互作用. 结果表明, 毒素结合到抗体轻链上, 通过轻重链的交界区残基与重链结合, 与残基Pro107之间存在氢键作用. 采用分子动力学模拟和MM/GBSA方法计算了毒素DON与抗体之间的结合自由能, 计算结果与实验值相吻合, 体系疏水相互作用是维持复合物稳定结构的主要驱动力. 动力学模拟氢键分析和能量分解结果共同表明, 残基Pro107参与稳定氢键的形成并贡献很强的范德华作用, 是毒素结合抗体最关键的残基. 本研究为该毒素抗体的结构设计提供了重要的线索和理论依据, 对毒素类分子新型抗体的研究和开发具有理论指导价值.     

醇及脱氧核糖与水分子间三体作用强度的快速准确计算

快速准确预测醇及脱氧核糖分子与水形成的氢键复合物的三体作用强度, 对准确模拟水环境下蛋白质和DNA的结构和功能至关重要. 基于对多体极化作用的理解, 在可极化偶极-偶极作用模型(PBFF)基础上, 将体系中的极性化学键视为化学键偶极, 通过模拟键偶极的极化计算了醇及脱氧核糖与水分子形成的氢键复合物的三体作用能. 通过拟合甲醇与水氢键复合物的三体作用能随分子间距离变化的能量曲线确定了所需的参数. 将模型和所确定的参数应用于计算更多的甲醇、 乙醇及脱氧核糖与水氢键复合物的三体作用能, 检验了模型的准确性和参数的可转移性. 计算结果表明, 可极化偶极-偶极作用模型及所确定的参数能够较好地预测具有不同结构的氢键复合物的三体作用强度, 其精度可与MP2方法的计算精度相当.     

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.     

分子动力学模拟计算在通用图形处理芯片上的实现

将在计算生物分子中广泛应用的CHARMM力场应用于Windows computer cluster server(WCCS)环境下, 并实现了该力场及分子动力学模拟程序的通用显卡(GPU)并行计算. 对一些多肽链的动力学模拟结果显示, 与CPU计算相比, GPU计算在计算速度上有巨大的提升. 与64位Athlon 2.0G相比, 在NVIDIA GeForce 8800 GT显卡上的动力学模拟速度提高了至少10倍, 而且这个效率比会随着模拟体系及每块尺寸的增大而增大. 模拟体系的增大使得GPU并行单元的计算空载相对减少, 块尺寸的增大使缓存区尺寸相对减少, 单块计算效率得以提高. 在测试样本中, 该效率比最高可达到28倍以上. 利用GPU计算还对一条含有397个原子的多肽链进行了分子动力学模拟, 给出了氢键分布随时间的变化结果.     

分子动力学模拟研究点突变(Met108→Leu108)对树胶醛糖结合蛋白与配体作用的影响

为了研究点突变(Met108→Leu108)对树胶醛糖结合蛋白(ABP)与配体结合能力的影响,对ABP、ABP结合树胶醛糖复合物及ABP结合半乳糖复合物以及它们各自的突变体分别进行60 ns的分子动力学模拟.模拟结果表明,108号残基突变前后,电子等排体的两个氨基酸残基,使蛋白与配体间的范德华相互作用发生明显变化,同时导致蛋白的内部运动也发生变化,进而影响蛋白与配体的相互作用.进一步分析表明,突变前后的蛋白构象变化都趋向于两个结构域张开,而与配体的结合可减缓张开程度.     

乙型肝炎表面抗原片段三维结构的同源模建及其配体的设计

利用同源模建和分子动力学优化得到了一种乙肝表面抗原片段的三维结构.通过对活性部位的分析,设计了与抗原片段相结合的配体.讨论了Trp163,Trp165和Pro70对于紧密结合配体所起的重要作用,抗原片段与配体之间的氢键也决定了它们结合的相对位置.从复合物得到的结构信息将有助于揭示配体与乙肝抗原的作用机理,促进乙型肝炎病人诊断与治疗试剂的研制     

血红素近轴侧基氢键的ABEEM/MM分子动力学模拟

应用ABEEM/MM浮动电荷力场对鲸鱼肌红蛋白及突变体进行了分子动力学模拟. 结果表明, 血红素近轴侧基不存在稳定的双氢键, 该氢键对轴配体咪唑的取向不起决定性作用, 而咪唑的取向与键联的组氨酸有密切联系. 同时表明, 血红素轴配体的柔性与其邻近的氨基酸和咪唑体积有关.     

毒蕈碱型M1受体的同源模建和分子对接

采用同源模建方法对M1受体的三维结构进行了模拟, 将得到的模型分别与M受体完全激动剂乙酰胆碱和M1受体选择性激动剂占诺美林进行分子对接, 形成非特异性激动和特异性激动的受体-配体复合物. 用分子动力学模拟方法分别将未与小分子对接的M1受体、M1受体-乙酰胆碱复合物、M1受体-占诺美林复合物置于磷脂双膜中模拟10 ns. 将模拟后的蛋白质结构与包含活性分子的测试库对接并将结果打分, 以top5%富集因子(EF)作为评价依据, 用占诺美林优化后的M1受体模型的EF为8.0, 用乙酰胆碱优化后M1受体模型的EF为6.5, 非复合物的EF为1.5. 说明M1受体选择性激动剂复合物进行分子动力学模拟后得到的三维结构模型比较合理, 可以作为化合物虚拟筛选的模型对新化合物进行虚拟筛选, 为找到新的选择性M1受体激动剂奠定了基础.     

毒蕈碱型M1受体的同源模建和分子对接

采用同源模建方法对M1受体的三维结构进行了模拟,将得到的模型分别与M受体完全激动剂乙酰胆碱和M1受体选择性激动剂占诺美林进行分子对接,形成非特异性激动和特异性激动的受体-配体复合物.用分子动力学模拟方法分别将未与小分子对接的M1受体、M1受体-乙酰且H碱复合物、M1受体-占诺美林复合物置于磷脂双膜中模拟10 ns.将模拟后的蛋白质结构与包含活性分子的测试库对接并将结果打分,以top5%富集因子(EF)作为评价依据,用占诺美林优化后的M1受体模型的EF为8.0,用乙酰胆碱优化后M1受体模型的EF为6.5,非复合物的EF为1.5.说明M1受体选择性激动剂复合物进行分子动力学模拟后得到的三维结构模型比较合理,可以作为化合物虚拟筛选的模型对新化合物进行虚拟筛选,为找到新的选择性M1受体激动剂奠定了基础.     

分子动力学研究2-乙酸苯并噻吩在HIV-1蛋白酶与抑制剂结合中的作用

为了研究别构小分子2-乙酸苯并噻吩(2FX)在HIV-1蛋白酶与抑制剂结合中的作用, 利用分子动力学方法分别对未结合和结合2FX的HIV-1蛋白酶抑制剂体系进行了100 ns的模拟, 模拟计算中对每种体系均采用两种新的分子力场ff99SBildn和ff12SB. 研究了2FX对体系构象的影响和两体系在不同力场下的动力学行为, 分析了两体系的均方根偏差和残基的B因子, 比较了计算结构和晶体结构, 最后采用MM-PB/GBSA两种方法计算了两体系的结合自由能. 研究表明, 两种力场计算的结果虽有差异, 但都说明2FX的结合导致蛋白酶构象的变化, 使得体系更加稳定, 尤其是flap的柔性减弱, 使得蛋白酶和抑制剂的结合更牢固; 另外, 还发现ff12SB力场动力学过程更稳定. 研究结果有助于为设计新的别构抑制剂提供理论依据.     

乙醇醛的分子动态结构

以量子化学计算作为起点, 为最简单的糖类分子——乙醇醛开发了两套分子力学力场参数: 基于肽类的力场和基于醛类的力场. 分子动力学模拟结果表明, 所开发的类醛力场参数能够较好地描述乙醇醛分子在水中的结构以及水分子在其周围的分布. 通过瞬时简正模式分析, 得到了3N-6个模式的瞬时振动频率和振动跃迁偶极矩等振动光谱参数的统计分布及其相关性. 结合量子化学计算和分子动力学模拟对生物分子体系的多元振动光谱参数进行预测和评估, 为从化学键水平出发模拟宽带飞秒二维红外相关光谱提供了一个新方法.     

栗钙土胡敏酸分子三维结构模型构建及其优化

本研究的目的在于确定胡敏酸的分子结构,探究其结构与性质的关系。综合应用了元素分析、红外光谱、13C核磁共振波谱等仪器分析方法对内蒙古草原样地栗钙土土壤的胡敏酸分子结构特征进行比较分析,并基于实验结构数据构建了土壤胡敏酸结构单元模型,通过模拟光谱与实际光谱比较验证了构建的二维结构有很大的可适性。借助Hyperchem软件,在MM+、AMBER、OPLS三种力场下应用分子模拟方法对三维单体结构进行分子力学、分子动力学结构优化。结果表明土壤胡敏酸的三维结构单体在AMBER力场下生成热最小,等于-1638.87 kJ/mol,所以其构象最为稳定。同时模拟其处于水环境下的分子结构,总势能及各种能量在优化前后有变化,但总体来说各种状态都较稳定。     

PETN基PBX结合能和力学性能的理论研究

PETN(季戊四醇四硝酸酯)是著名的硝酸酯类猛炸药,用量子力学(QM)、分子力学(MM)和分子动力学(MD)方法,计算模拟其与高聚物组成的PBX(高聚物粘结炸药)的结合能和力学性能.以AM1-MO法和MM方法取PETN与系列高聚物的尺寸匹配原子簇模型,经几何全优化计算,发现两种方法求得的结合能彼此线性相关.对PETN超晶胞及其与系列氟聚物组成的双组分PBX,实施COMPASS力场下的分子动力学(MD)周期性模拟,求得其弹性系数、拉伸模量、体模量、剪切模量和泊松比,发现添加少量高聚物确能有效改善炸药的力学性能.     

固有无序超嗜热菌FlgM蛋白在两种不同温度下的构象变化特征

基于分子动力学模拟方法比较了超嗜热菌FlgM 蛋白在常温(293 K)和生理温度(358 K)下的结构特征.基于GROMACS软件包, 采用OPLS-AA分子力场和TIP3P水模型, 对超嗜热菌FlgM 蛋白在293 和358 K进行了2组独立的长时间分子动力学模拟, 每组体系模拟时间为1500 ns. 主要分析了两种温度下超嗜热菌FlgM蛋白的二级结构特征、整体构象变化及半无序化区域和结构化区域的构象特征. 研究结果表明: 在常温下, N端具有一定程度的螺旋成分, 但在生理温度下, 超嗜热菌FlgM 蛋白的结构变得松散, 螺旋结构减少, 构象稳定性减弱, H1 螺旋散开, FlgM 蛋白构象灵活性增强, 不稳定程度增加. 这些不同温度的结构变化说明: 半无序化区域(N端)在非结合状态下有一定的螺旋结构, 但该段螺旋的稳定性随温度升高而降低. 超嗜热菌FlgM蛋白会通过增加结构的无序程度使结构更加灵活, 以适应高温, 从而使该类固有无序蛋白更好地行使其功能, 如提高同其他成分的结合速率等.     

TATB基PBX结合能和力学性能的理论研究

以SCF-MO-AM1方法和MM-COMPASS力场, 对TATB (1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯)与系列高聚物组成的PBX(高聚物粘结炸药)尺寸匹配原子簇, 分别进行全优化几何构型计算, 发现两种方法求得的结合能存在良好的线性关系. 对TATB (3×3×4)超晶胞及其与系列氟聚物组成的双组分PBX, 实施COMPASS力场下的分子动力学(MD)周期性模拟计算, 首次求得其弹性系数、模量和泊松比, 发现添加少量高聚物即能有效改善炸药的力学性能.     

腺苷酸琥珀酸合成酶与其抑制剂的分子机制研究

利用密度泛函B3LYP方法选择6-31G(d)基组对腺苷酸琥珀酸合成酶(AdSS)天然抑制剂及其衍生物的结构进行优化,并对其稳定性进行了分析,同时采用Mulliken键序、原子电荷分布、表观静电势等对AdSS抑制剂及其衍生物电子结构与其生物活性相关性进行了理论研究.基于腺苷酸琥珀酸合成酶(AdSS)与其底物肌苷单磷酸(IMP)复合物的晶体结构以及获得的天然抑制剂衍生物稳定构象,利用分子对接、分子力学优化及常温分子动力学模拟对AdSS酶与天然抑制剂及其衍生物的相互作用复合物结构进行理论预测.结果表明,AdSS酶的系列抑制剂中磷酸根基团和乙内酰脲(Hydantoin)官能团构成药效团模型,识别过程中范德华相互作用能的贡献大于静电相互作用能.     

CH_3SH和CH_3SLi分子间的锂键和氢键共存型相互作用

在CH3SLi+CH3SH势能面上求得锂键和氢键共存型复合物的两种稳定构型.频率分析表明,与单体相比复合物中S(5)—Li(6)键伸缩振动频率发生红移,而C(8)—H(10)键伸缩振动频率发生蓝移.经B3LYP/6-311++G**,MP2/6-311++G**及MP2/AUG-CC-PVDZ水平计算的含基组重叠误差(BSSE)校正的复合物Ⅰ中相互作用能分别为-58.99,-57.87和-62.89kJ·mol-1.采用自然键轨道(NBO)理论,分析了复合物中单体轨道间的电荷转移,电子密度重排及其与相关键键长变化的本质等.采用分子中的原子(AIM)理论分析了复合物中氢键和锂键的电子密度拓扑性质.在极化连续模型(PCM)下,考察了溶剂化效应.结果表明,所考察的水、二甲亚砜、乙醇和乙醚等四种溶剂均使单体间的相互作用能增大,且溶剂对复合物中的锂键结构及其振动频率具有显著的影响,而对复合物中的氢键的振动频率影响不大.