大分子体系的量子化学分块方法

碎片化方法为量子化学方法的发展以及在大分子体系的应用开辟了新的道路。在过去的十年里,我们见证了该领域的诸多成果,并且我们相信该方法的发展仍将持续下去。这篇文章简单回顾了近期碎片化方法在大分子电子结构计算领域的进展,重点突出中国学者在该领域的贡献。     

EK多肽折叠以及离子浓度和pH值依赖性的计算研究

我们分别运用了传统AMBER03力场以及极化力场研究了EK多肽在不同离子浓度和pH值条件下的折叠.其中极化力场源于我们近期发展的可调的氢键专一性电荷方案.这两种力场的差别仅仅在于原子电荷的不同.溶剂化效应用推广的波恩模型描述.结果表明,当使用AMBER03电荷时,尽管多肽倾向于形成螺旋结构,但是对离子浓度和pH值的依赖关系定性上是错误的.而当使用可调的氢键专一性电荷方案时,EK多肽在10ns内就达到了折叠态.在高离子浓度或者极端pH条件下,计算得到的螺旋结构的概率降低.对于原子电荷以及主链氢键相互作用的分析表明极化效应增加了螺旋结构的稳定性.该研究结果再一次证明了静电极化效应对提高传统力场的精度以及对蛋白质折叠的研究都是非常必要的.进一步的分析说明,间隔4个残基的盐桥作用虽然对稳定蛋白质结构起到了一定的效果,但并不是关键作用,这和实验是吻合的.     

基于参考势的从头算量子力学/分子力学混合方法研究Parvalbumin B蛋白结合钙、镁离子的选择性

蛋白的离子选择性与蛋白的功能密切相关,而离子选择性本质上来源于蛋白分子与离子结合自由能的差别. 尽管近几十年来分子力场在描述蛋白体系相互作用方面取得了长足的进步,由于缺乏对静电极化和电荷转移效应显式的描述,传统的分子力场依然难以精确地描述金属蛋白体系中蛋白质与金属离子的相互作用. 量子化学方法非常适合于蛋白质与金属离子之间相互作用的描述. 但是在分子模拟中采用量子化学方法则太昂贵了. 近年来发展起来的参考势方法在保证计算精度的前提下兼顾效率,可以有效地解决这个窘境. 在这个方法中,动力学模拟的轨迹是在分子力场的精度下获得的. 随后,通过从分子力场到量子化学方法的矫正,从而获得在量子化学势函数级别下的自由能信息. 本文采用参考势函数方法研究了Parvalbumin B蛋白的结合口袋对钙、镁离子的选择性. 计算结果表明电荷转移效应非常重要,而量子化学方法可以比较精确地预测离子的选择性. 并且,量子化学区域的选择对于结果的可靠性也是非常重要的.     

平衡和非平衡方法计算相对结合自由能的精度和效率比较

Estimation of protein-ligand binding affinity within chemical accuracy is one of the grand challenges in structure-based rational drug design. With the efforts over three decades, free energy methods based on equilibrium molecular dynamics (MD) simulations have become mature and are nowadays routinely applied in the community of computational chemistry. On the contrary, nonequilibrium MD simulation methods have attracted less attention, despite their underlying rigor in mathematics and potential advantage in efficiency. In this work, the equilibrium and nonequilibrium simulation methods are compared in terms of accuracy and convergence rate in the calculations of relative binding free energies. The proteins studied are T4-lysozyme mutant L99A and COX-2. For each protein, two ligands are studied. The results show that the nonequilibrium simulation method can be competitively as accurate as the equilibrium method, and the former is more efficient than the latter by considering the convergence rate with respect to the cost of wall clock time. In addition, Bennett acceptance ratio, which is a bidirectional post-processing method, converges faster than the unidirectional Jarzynski equality for the nonequilibrium simulations.