（应用化学专业论文）钾钠离子泵分子动力学模拟.pdf

中图分类号： u d c ：密级：公开 高媳犬淫 硕士学位论文 钾钠离子泵分子动力学模拟 t h em ol e c u l a rd y n a m i c s , i m u l a t i co ft h es o d i u mandol e c u ln a m l c ss l m u l a t l o no i es 0 d l u ma n a ln e p o t a s s i u mp u m p 答辩委员会主席评阅人 南开大学研究生院 二。一。年五月 南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位 获得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文 ( 包括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论 文，并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将 公开的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检 索、文摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向 教育部指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和 中国学术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文 数据库，通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答 辩；提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和囹书馆留存。 作者暨授权人签字： 2 0年月日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目 姓名学号答辩日期年月日 论文类别博士口学历硕士口硕士专!世学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所专业 联系电话 e m a i l 通信地址( 邮编) ： 备注：是否批准为非公开论文 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 2 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所 取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 非公开学位论文标注说明 年月日 根据南开大学有失规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申 请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本 说明为空白。 论文题目 申请密级 口限制( 2 年)口秘密( 1 0 年)口机密( 2 0 年) 保密期限 2 0 年月日至2 0年月日 审批表编号批准日期 2 0 年月日 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密1 0 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 中文摘要 中文摘要 钾钠泵是p 型膜蛋白的一种，在维持体内钾钠离子平衡方面有重要作用。 钾钠泵在完成一次离子输送的过程中，由于a t p 分子以及其它外力的诱导作用 其a 亚基构象会发生较大变化，其n 区与p 区产生明显的打开和闭合两种构象。 通过构象的变化改变与钾、钠粒子的结合能力，从而实现对离子的逆梯度运输， 并伴随完成蛋白质磷酸化和脱磷酸化过程。 本文针对整体钾钠泵a 亚基( a l l ) 和单独分离出的c c 亚基中第四和第五跨膜 区域的连接部分( m 4 5 ) 的两个系列体系，根据已有晶体结构，推测小分子与蛋 白质结合大体区域，再利用分子对接方法进一步确定小分子结合位置，然后利 用分子动力学模拟研究分析了体系在配体诱导下的构象变化情况。通过与钙离 子泵的多个构象对比，推测小分子在构象变化中起到的作用，以及在构象变化 对离子结合位点的影响。最后利用拉伸动力学的方法，研究了a t p 分子与n 区 域结合位点作用的特点。 结果表明，在整个0 亚基和分离出的m 4 5 体系中，小分子都在构象变化中 起到了诱导作用，a t p 分子使蛋白质产生闭合构象，a d p 分子则使得蛋白质产 生打开构象，在两个系列中，变化的程度不同。但是在没有配体的情况下，两 个系列蛋白质构象都基本保持不变。在拉伸小分子配体的过程中，与a t p 小分 子作用明显的两个残基分别是l y s 5 0 8 和p h e 4 8 2 ，揭示了小分子脱离蛋白质结 合位点的大体方式。 关键词：钾钠泵；分子动力学模拟；n a m d ；拉伸动力学 a b s t r a c t a b s t r a c t s o d i u mp o t a s s i u mp u m pi sak i n do fp t y p em e m b r a n ep r o t e i n ，w h i c hp l a yt h e m o s ti m p o r t a n tr o l ei nr e m a i n i n gt h eb a l a n c eo ft h ei o n si na n i m a l s b o d y i ne v e r y t r a n s p o r t a t i o nf o ri o n s ，t h ec o n f o r m a t i o no f as u b u n i tw o u l db ec h a n g e do b v i o u s l yb y t h ei n f l u e n c eo fa t pl i g a n do ro t h e rf a c t o r s ，t h e nt h ep r o t e i n spd o m a i na n dn d o m a i nw o u l db eo p e n e do rc l o s e d b yc h a n g i n gi t sc o n f o r m m i o n ，t h es o d i u m p o t a s s i u mp u m pc o u l dc o m b i n es o d i u mi o n s o rp o t a s s i u mi o n sa n df i n i s ht h e p h o s p h o r y l a t i o n i nt h i sp a p e r , t h em e t h o do fm o l e c u l a rd o c k i n gw a su s e dt of i n dt h e c o m b i n a t i o nd o m a i ni nt h ep r o t e i nf o rt h el i g a n d ，t h e na n o t h e rm e t h o do fm o l e c u l e d y n a m i c ss i m u l a t i o nw a su s e dt os t u d yt h ec h a n g e so fc o n f o r m a t i o no ft h et w os e r i e s o fs y s t e r m ，o n eo fw h i c hi st h ew h o l eas u b m i ta n dt h eo t h e ri st h ec o n n e c t i o no ft h e f o r t ha n df i f t ht r a n s - m e m b r a n ed o m a i n t h es i m i l a r i t i e sb e t w e e nc a l c i u mp u m pa n d s o d i u mp o t a s s i u mp u m pw e r ec o m p a r e dt oe x p l a i nt h ea f f e c t i o no ft h el i g a n d a tl a s t ， h o wt h ea t p l i g a n dc o n t a c tw i t ht h en d o m a i nw a sd i s c u s s e db yt h em e t h o do fs t e e r m o l e c u l a rd y n a m i c s ( s m d ) t h er e s u l ts h o w st h a tt h el i g a n di n d u c et h ec o n f o r m a t i o nc h a n g e so ft h ep r o t e i n i nb o t hs e r i e s t h ea t pl i g a n dm a k et h ep r o t e i nc l o s e da n dt h ea d p l i g a n dm a k et h e p r o t e i no p e n e di nd i f f e r e n td e g r e e w h e nt h e r ei sn os m a l lm o l e c u l e si nt h ep r o t e i n ， t h ep r o t e i nw o u l ds t i l ls t a b l e a tt h ep r o c e s s i o no ns t e e r e dm o l e c u l a rd y n a m i c sw e f i n dt h em o s ti m p o r t a n tr e s i d u e sa r el y s 4 8 2a n dl e u5 0 8 ，s or e v e a lh o wt h es m a l l m o l e c u l eg e to u to ft h ec a v i t yo ft h ep r o t e i n k e yw o r d s ：s o d i u mp o t a s s i u mp u m p ；m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n ；n a m d ； s t e e r e dm o l e c u l a rd y n a m i c s ( s m d ) 目录 目录 第一章绪论1 第一节钾钠离子泵一l 1 1 1 膜蛋白。1 1 1 2p 型a t p 酶2 1 1 3 钙a t p 酶研究概况2 1 1 4 钾钠a t p 酶作用机制4 第二节分子模拟及计算机辅助药物分子设计简介一5 1 2 1 分子模拟概况5 1 2 2 药物分子设计8 第三节常见的分子模拟技术及几种常见立场9 1 3 1 分子力学方法9 1 3 2 量子力学方法1 0 1 3 3 分子动力学模拟1 2 1 3 4 蒙特卡罗法模拟。1 3 第四节分子动力学模拟在生物体系中的运用1 4 1 4 1 分子动力学在生物体系中应用发展。1 4 1 4 2 生物大分子模拟的力场选用原则。1 5 第二章分子模拟软件简介及安装1 7 第一节并行计算系统介绍1 7 第二节分子动力模拟软件n a m d 简介及并行安装1 8 2 2 1n a m d 简介1 8 2 2 2n a m d 并行安装1 9 第三节模拟应用软件v m d 介绍一2 2 第四节分子对接及对接软件a u t o d o c k 4 2 3 目录 2 4 1 分子对接简介。2 3 2 4 2 分子对接软件a u t o d o c k 2 4 2 4 3a u t d d o c k 4 安装2 4 第三章分子对接2 6 第一节对接步骤2 6 3 1 1 分子原始文件获取2 6 3 1 2 小分子准备2 7 3 1 3 大分子准备2 8 3 1 4a u t o g r i d 4 设置2 8 3 1 5a u t o d o c k 4 设置2 8 第二节结果分析2 9 第四章分子动力学模拟3 3 第一节动力学模拟过程3 3 4 1 1 结构数据来源。3 3 r 4 1 2 建立p s f 文件3 3 4 1 3 添加水环境。3 3 4 1 4 加离子3 6 4 1 5 力场参数文件3 7 4 1 6 能量最小化3 8 4 1 7 动力学模拟配置文件3 8 第二节拉伸分子动力学4 0 4 2 1 拉伸分子动力学理论基础4 0 4 2 2s m d 模拟实现过程4 2 第三节结果与讨论4 3 4 3 1 合理性验证。4 3 4 3 2m 4 5 系列构象变化情况4 5 4 3 3a l l 系列构象变化一4 7 目录 4 3 4 对钾离子结合位点的影响及a t p 结合区域的变化4 9 4 3 5n 区与a 区中心距离。5 l 4 3 6s m d 结果分析5 2 第五章总结与展望。5 4 参考文献5 5 致谢5 9 个人简历6 0 i i i 第一章绪论 1 1 1 膜蛋白 第一章绪论 第一节钾钠离子泵 细胞是生命的基本结构与功能单位。细胞的外周膜( 质膜) 与细胞内的膜 系统( 如线粒体膜、叶绿体膜、内质网膜、高尔基体膜、核膜等) 统称为生物 膜。细胞的能量转换、信息识别与传递、物质运送等基本生命过程都与生物膜 密切相关。生物膜是由脂类、蛋白质以及糖等组成的超分子体系，但是各种生 物膜的组分有着一定的差异。膜蛋白是生物膜功能的主要体现者，膜脂除了具 有对膜结构的支撑作用外，近年来的研究表明，他们还与信号传递有着密切的 联系。 生物膜膜蛋白可以分为外周膜蛋白和内在膜蛋白，后者约占整个膜蛋白的 7 0 8 0 。他们部分或者全部嵌入膜内，有的则是跨膜分布，如受体、通道、 离子泵、膜孔、运载体以及各种膜酶等。要深入了解膜蛋白的功能，必须解析 它们的三维结构。在整个真核细胞所含的蛋白质中，据估计有1 4 1 3 为内在膜蛋 白。人类基因组计划的初步结果表明，在全长约3 0 亿碱基对中，只有3 0 0 0 0 - 4 0 0 0 0 个基因能编码并且表达蛋白质，其中内在膜蛋白也占有大概相同的比例。总之， 内在膜蛋白三维结构的解析，无论对整个细胞重要功能的深入探索，还是从后 基因组研究考虑都是十分重要的。此外，内在膜蛋白三维结构的解析也有明显 应用前景，与医药的关系尤其密切。有5 0 的受体和通道都有可能是药物的靶标。 内在膜蛋白的异常与一些遗传病、癌症甚至神经退行性疾病如老年痴呆症、帕 金森病等都有密切的关系。因此内在膜蛋白的三维结构的解析无疑对新药的发 现、研究、设计有很大的作用。 但是，与水溶性蛋白质相比较，内在膜蛋白的研究明显滞后，这主要是由 于内在膜蛋白含量很低，一般为微克级别，应用基因工程方法表达也存在很多 困难；内在膜蛋白的分离纯化也有很大的难度，只有用较剧烈的条件才能将它 们溶解下来；内在膜蛋白的晶体生长十分困难，无论是二维还是三维晶体都是 第一章绪论 很不容易长成的，尤其是三维。这是因为三维晶体的形成与生长主要靠亲水亲 水相互作用，而内在膜蛋白在天然膜中主要依靠疏水疏水相互作用来维持。 1 1 2p 型a t p 酶 钾钠a t p 酶又称钾钠泵是生物体质膜上的固有蛋白，广泛存在于各种生物 体内，目前钾钠a t p 酶的离子泵功能己得到研究者共识，包括维持动物细胞的膜 电位和细胞内外的渗透压平衡，为细胞转运无机离子和营养物质及排出代谢产物 提供驱动力等重要作用。 钾钠泵一种p 型a t p 酶，所谓p 型a t p 酶即在催化过程中有蛋白质的磷酸 化过程，磷酸化在天冬氨酸的b 羧基上，同时伴随有构象的变化。每催化一个 a t p 水解，从细胞内泵出3 个钠离子，同时泵入两个钾离子。钠离子在一定程 度上可由锂离子或者氢离子代替，而钾离子可被一些一价阳离子代替。钾钠a t p 是阳离子泵蛋白中最大的蛋白，主要有、1 3 两个亚基。0 t 亚基的n 端与阳离子的 专一性和亲和力关系不大，但在伴随钠离子泵出的构象变化中起到了重要作用。 0 i , 亚基上有酶的活性中心与离子通道。a t p 酶的0 【亚基含有1 0 1 6 个氨基酸残基， 组成1 0 个跨膜区域，有三种亚型。通常钾钠a t p 酶是由起催化作用的0 【亚单位 和起调节作用的d 亚单位组成 2 1 。伐亚单位有l o 个跨膜结构域( m 1 到m 1 0 ) ， 并且氨基端和羧基端都位于细胞内，在钾钠a t p 酶进行离子输送的时候，a 亚 单位的氨基和羧基端会发生较大的构象变化 3 1 。 大多数动物细胞内的钾离子浓度比周围环境高，而钠离子的浓度比周围环 境低，这种离子梯度是由专一的跨膜传送系统钾钠泵所产生的。钠钾泵的这种 主动传送有着极其重要的生理意义。细胞膜两侧的钠离子梯度既是神经、肌肉 可兴奋的基础，也是一些细胞氨基酸、葡萄糖传送的基础。静止动物每天要消 耗相当于体重一半的a t p ，其中l 3 以上消耗在钾钠泵上【4 j 。 本论文利用计算机分子动力学模拟的方法，试图解释0 t 亚单位的构象变化行 为，推进对钾钠a t p 酶的理解和研究，为今后相关药物开发和疾病治疗进行探索。 1 1 3 钙a t p 酶研究概况 目前研究较多的p 型a t p 酶是钙离子泵，位于肌浆网膜上的钙a t p 酶，对 维持细胞内的钙离子稳态平衡有重要作用5 1 。当钙离子从肌浆网内腔释放时肌肉 2 第一章绪论 p - c a 2 第一章绪论 c 图1 2 钙离子泵各个状态构象a ：e 1 构象，b ：e i p 构象，c ：e 2 p 构象，d ：e 2 构象 胞浆中的钙离子首先与具有高钙离子亲和性构象e 1 结合，通过水解a t p 分 子，a t p 酶在天冬氨酰基位置磷酸化形成磷酸化中间体，变成e 2 构象；在e 2 构象，a t p 酶的钙离子亲和能力降低，这样，钙离子就被释放到膜的另外一侧， 然后经过去磷酸化，a t p 酶回到原来的状态，完成一个催化循环( 图1 2 ) 。 1 1 4 钾钠a t p 酶作用机制 钾钠a t p 酶与钙离子a t p 酶的作用机制相似，钾钠a t p 酶的作用机制简化 表达为四步( 图1 3 ) ，第一步一步，酶与镁离子a t p 反应生成三个钠离子结合 的e 1 p ，e 1 p 是高能状态，它可以被a d p 脱磷酸化而重新生成a t p 。在第二步 中蛋白质发生了一系列变化，钠离子的亲和力下降，钠离子跨膜运输，与此同 4 第一章绪论 时共价结合的p 成为低能状态的e 2 p ，e 2 p 不能与a d p 反应。第三步磷被水解 下来，第四步酶回到最初状态吲。 但是目前而言，解析出的钾钠a t p 酶的晶体结构数量有限，远不如钙泵的 结构全面，因此不能直观的看到a t p 酶的多种构象，只能推测其作用机制与钙 泵类似。在进行进一步的晶体结构解析之前，动力学模拟可以做出对其构象变 化的合理预测，这也是本研究的目的所在。 划e ，矿圆臼矿圆臼懈 争一澄 l k 甜糊个材 u 1 册网 tp 射 卜黼印卜槲 固眨l 固眺一皿p 图1 3 钾钠泵主动运输离子过程示意图 第二节分子模拟及计算机辅助药物分子设计简介 1 2 1 分子模拟概况 计算化学( c o m p u t a t i o n a lc h e m i s t r y ) 1 1 , 1 2 】是计算机技术科学与化学的交叉 学科，是在2 0 世纪7 0 、8 0 年代发展起来以量子化学和计算机科学为基础的新 兴交叉学科。计算化学以现代理论化学( 包括量子化学、电子结构、化学动力 学、分子力学等) 和计算数学方法为基础，应用计算机程序通过大规模的数值 计算和统计分析对特定的化学问题进行研究。计算化学主要包括以下几个子学 科：1 、原子和分子的计算机表述；2 、化学信息存储及化学数据库；3 、化学结 构与性质之间的关系( 定量构效关系( q s a r ) 及定量构性关系( q s p r ) ) ；4 、分子 模拟、蒙特卡罗模拟；5 、计算机辅助合成路线设计；6 、计算机辅助特性分子 设计( 计算机辅助药物分子设计) 等。计算化学不仅能解释实验中的化学现象， 5 第一章绪论 帮助化学家以具体的概念来了解、分析化学现象，而且还能对未知或者不易观 测的化学现象进行预测。借助于计算化学，一方面，人们可以通过计算来验证 基础理论的可靠性，为基础理论的发展提供线索和依据；另一方面，通过计算 预测物质的性质，可以为有机合成路线、药物设计筛选、化学反应机理、生化 反应行为等领域提供有力的指导。这门学科的重要性日益显著，成为现代化学 的重要分支之一。简言之，计算化学是化学、计算机科学、物理学、生命科学、 材料科学以及药学等多学科交叉融合的产物，而化学则是其中的核心学科。 计算机模拟在很多领域里已经成为一个不可或缺的研究工具。其重要性已 得到了广泛的认识，在化学基础理论研究方面的应用起着越来越重要的作用。 计算机模拟又称计算机试验，已被认为是继实验和理论以后的第三种重要科学 研究方式，是根据实际物理系统在计算机上进行的模型实验，先根据系统的物 理特征构建一具有代表性的数学模型，然后用一定的算法对模型进行模拟计算。 通过模拟结果和实验数据的对比，可以知道物理模型及算法的合理性和准确程 度。 在化学、化工、材料等领域中，计算机模拟所模拟的尺度可以是宏观、微 观和介观n3 1 。在宏观尺度，通常应用实验数据库对工艺流程和操作条件及系统 性质进行预测，也可以应用经典力学对材料的力学和j - v 性能进行计算，主要 应用于化工过程模拟、机械制造和加工等领域。在微观尺度，原子、电子和分 子的结构和性质起到显著的作用，量子效应也非常明显，此时量子力学和分子 力学的方法为主要研究方法，计算机模拟多应用于反应机理研究、( 药物) 分子 设计、宏观性质模拟、凝聚态物理等。在介观尺度，分子团簇间的非键相互作 用起主导地位，计算机模拟一般采用唯象的连续体模型，主要应用于液晶、相 平衡、材料性能等方面的研究。 计算机模拟通常是研究“平衡态问题，即模拟系统达到了热平衡、力平 衡和化学平衡及相平衡，物理性质经过充分的弛豫过程后已经达到稳态。目前 的计算机模拟多数为平衡态模拟，可用于研究物质结构、热力学性质等。有些 过程为非平衡态过程，如气体通过膜的扩散过程，此时需要采用某些非平衡态 模拟方法。目前，微观层次上的计算机模拟己经发展到一个关键时期。先进的 理论计算方法与计算机结合，可以以前所未有的细节和精度在微观层面上理解 物质的化学和物理行为。 分子模拟是二十世纪下半叶发展起来的一种计算机模拟方法。分子模拟技 6 第一章绪论 术通过建立原子水平的分子模型来模拟分子的结构与动力学行为，进而模拟分 子体系的各种物理与化学性质。 分子模拟方法研究的核心是多粒子问题，需要用到原子分子物理、凝聚态 物理、量子力学和统计物理的原理和方法。这一研究领域的发展，是生物、数 学、物理、化学和计算机科学互相交叉、融合的结果，也是实验研究和理论研 究相互结合的结果。随着量子力学理论的逐步完善、经验力场的不断开发和更 新换代以及计算机的普及和计算速度不断提升，半个世纪以来，分子模拟的理 论和方法得到了快速的发展，在物理、化学化工、材料科学【1 4 1 、生命科学等诸 多领域发挥着越来越重要的作用，已逐渐形成一门专门的学科分子模拟。 每年在世界范围内发表的相关研究论文数以万计，并且呈逐年上升趋势。分子 模拟所担当的角色也由早期纯粹的解释型逐渐过渡到解释、指导及预测并重型。 从字面意义上看，分子模拟包含了构建分子或分子体系和模拟两部分。因 此可以给分子模拟一个定义：构建一个模型通常是数学模型( 对一种体系或过 程的简化或理想化表达) 以利于计算或预测，然后模仿出分子或分子体系的行 为。分子模拟实际上不仅仅局限于一种计算机模拟，但今天的分子模拟己和计 算机模拟密不可分，正是计算技术的发展才使分子模拟能像今天这样发挥如此 重要的作用。多数从事分子模拟研究人员根据需要把自己所研究的领域称为“理 论化学 或“计算化学或“分子模拟 ，实际上这三个概念是有所区别的。 理论化学为量子力学的同义词，计算化学则不仅包含了量子力学，还包含 旨在理解和预测分子体系行为的其它基于计算机的方法如分子力学、最小化、 模拟、构象分析等。分子模拟研究内容则比理论化学和计算化学要广泛的多， 它着重强调对一个具有代表性的三维立体结构的分子体系进行操作，给出那些 依赖于这些结构的性质。因此分子模拟是一个更为广泛的概念。 从模拟原理进行区分，分子模拟可以分为两大类：理论计算和经验计算。前 者主要指量子力学模拟量子力学，后者主要为分子力学模拟分子力学。量子力 学( q m ) 是一门学科，是一个很大的概念，这里的量子力学主要是指利用计算 机技术进行的量子力学模拟和计算，即计算的量子力学，它可以精确地表达电 子的运动，能够得到依赖于电子分布的性质特别适合研究包含键断裂和生成的 化学反应。分子力学( m m ) 则是建立在经验力场基础之上，对电子运动予以忽 略，将体系的能量看成仅是原子核坐标的函数，可以计算较大体系的热力学特 别是动力学性质。量子力学包括从头算( a bi n i t i o ) 、半经验分子轨道理论 7 第一章绪论 ( s e m i e m p i r i c a lm o l e c u l a ro r b i t a ot h e o r i e s s e m o ) 、密度泛函理论( d e n s i t y f u n c t i o n a lt h e o r y d f t ) 以及固态量子力学( s o l i d s t a t eq u a n t u mm e c h a n i c s ) ；分子 力学包括能量最小化( e n e r g ym i n i m i z a t i o n - e m ) 、分子动力学( m o l e c u l a l d y n a m i c s m d ) 、蒙特卡罗( m o n t ec a r l o m c ) 、布朗动力学( b r o w nd y n a m i c s b ) 、 介观动力学( m e s o d y n ) 、耗散动力学( d i s s i p a t i v ep a r t i c l ed y n a m i c s d p d ) 等。 随着研究的深入和分子模拟学科的发展，会不断有新的方法充实进来。 分子模拟作为一种计算机模拟手段，主要可以进行解释型工作和预测型工 作。前者为实验奠定理论基础，通过模拟解释实验现象、建立理论模型、探讨 反应过程及机理等，后者为实验提供可能性和可行性研究，进行方案辅助设计、 材料性能预测、过程优化筛选等。不同的分子模拟手段可以得到不同的信息。 量子力学可以计算得到分子的几乎一切性质，如结构、构象、偶极矩、电离能、 电子亲和力、电子密度、过渡态和反应途径等。 1 2 2 药物分子设计 每一种新型药物的开发大约需要十几年的研发周期和巨大的资金投入，随 着计算化学理论的深入研究，采用计算机辅助技术可以大大提高研发速度和成 功率，降低成本。计算机在辅助药物分子设计【1 5 】在医药、农药、高分子材料等 领域得到了广泛的应用。 药物分子设计是许多领域的综合研究。例如，分子力学、量子化学、分子 模拟、分子动力学、构效关系、化学数据库和专家系统等。药物的生物效应是 药物分子和体内的生物大分子蛋白相互作用的结果。因此，研究蛋白的构象变 化与蛋白的结构、生化功能、与配体的作用机制的关系对药物设计具有重要意 义【1 6 1 。 目前生物分子构象信息主要来自于实验数据，如x - r a y 晶体学和核磁共振 ( n m r ) ，但对于这些已知不同构象之间的变化路径的细节仍旧是不清楚的。此 时，计算机模拟就成为理解和研究生物大分子的结构及其与配体小分子之间的 作用方式及关系的有力工具了。 随着实验技术不断的发展使得对短时间的蛋白动力学研究成为了可能，这 对原子级的计算模拟方法改进有着重要的意义。而计算方法、理论的发展和计 算机速度的提高，使得分子动力学方法可以在更长的时间尺度上研究更大尺寸 8 第一章绪论 的体系和更明显的分子构象变化，特别是近几年来，分子动力学方法的进一步 发展使模拟时间可以达到几百纳秒以上的时间尺度，这使一些由实验方法进行 起来比较困难的但与特殊功能相联系的生物分子运动的研究变为可能。 在生物化学领域应用计算机模拟的原因是多方面的。其中一个比较主要的 因素是对于体系庞大的蛋白、核酸反应体系，现有的实验手段往往力不从心， 而应用计算机就可模拟比较复杂庞大的反应体系，给出复杂生化过程的直观图 像，便于分析和寻找规律，并且复杂体系很难得到解析解。通常而言，用解析 方法解决一个问题时( 如果这个问题能够获得解析解的话) ，总得有某种层次的 近似。因此，应用计算机模拟可以解决很多现在用解析方法难以解决的问题。 因此，计算机模拟方法允许我们研究复杂的系统，深入理解它们的行为，而这 些复杂系统是超越了解析方法所能达到的程度。由于计算机模拟方法可以通过 各种复杂的系统来模拟真实体系，因此就提供了可以用来比较各种近似理论的 标准；同时，计算机模拟也允许对模拟所采用的模型与实验进行比较，从而提 供了评估一个模型正确与否的手段。计算机模拟方法还有一个优点，它可以加 强理论和实验的结合。有些物理量可能是实验上无法或很难测量的，而应用计 算机模拟方法，这些物理量是可以计算出来的。 理论研究不仅可以为复杂的实验现象提供合理的解释，而且可以为科学家 描绘出生动的微观图像，更为重要的是，理论研究可以对分子设计、方案优选 等提供关键的前期指导，从而节省大量的人力和物力。以欧美的许多大型药厂 为例，在采用计算以前，合成新药的成功率约为1 7 , - - - , 2 0 ，但白1 9 8 0 年后，由 于在合成前先利用计算预测，其成功率已提高至5 0 - - 6 0 。随着量子力学、分 子力学等理论学科在上世纪的迅速发展，加上计算机的不断更新换代以及编程 技术的不断提升，计算机模拟技术在当前诸多领域的科学研究中己被广为采用， 越来越受到重视并正在发挥着越来越重要的作用。 第三节常见的分子模拟技术及几种常见立场 1 3 1 分子力学方法 分子力学方法( m o l e c u l a rm e c h a n i c s ，m m ) 是用经典力学处理分子，认为 分子是由一系列球体组成的。分子力学的基本思想最早可追溯到1 9 3 0 年a n d r e w s 9 第一章绪论 d h 提出的经典力学模型【1 7 】。分子力学是基于分子经典力学的计算方法，计算 的基本依据是分子中原子之间的作用可分解为化学键和非键范德华作用。计算 的核心是构筑力场( f o r c ef i e l d ) ，把分子处理成为一套由经典力学势能函数支配的 原子排列。力场的势能包括非键和价键的相互作用( 由不同的势能函数表示) ，所 有势能的总和即为分子的构象能。力场的势能函数一般包括键的伸缩、键角的 弯曲、柔性键旋转的内旋转、范德华作用力、静电力和偶极相互作用等。分子 力学关键是如何准确表达力场。现有许多套广为使用的力场方法：m m l m m p l ， m m 2 m m p 2 ，a m b e r ，c v f f ，m m 3 1 3 1 ，c h a r m m ，o p l s l l 9 1 等。分子力学与 量子化学计算方法相比，计算时间可大大缩短，而计算得到的分子几何构型与 实验值比较符合。 1 9 6 0 年h e n d r i c k s o n e 2 0 】用分子力学法计算了扭船式与椅式构象转化过程的能 垒为6 7 k j m o l ，由此表示扭船式是可以存在的；直至1 9 7 5 年科学家才在实验中 证实了环己烷扭船式的存在。 分子力学方法的缺点是，在能量优化时一般只能达到势能曲面上最近的能 量低谷点( 局部最低) ；同时现有的力场都存在这样或那样的缺陷，对于含有金属 的分子一般难以用分子力学方法进行处理，对于含有金属的分子力学力场的研 究仍在发展中。从已有分子力学广泛的应用与处理实际问题的具体看，分子力 学不失为一种实用的构象分析方法。 分子力学的方法还可以与量子力学结合起来，用量子力学处理体系中发生 化学变化或电子转移的区域，用分子力学处理体系中其它区域，这一方法称为 q m m m 方法。同样分子力学也可以用于分子动力学、m o n t ec a r l o 模拟中。但 是目前这种方法还存在两个问题：( 1 ) 势函数的精确度不够；( 2 ) 取样问题，即如 何找到决定分子体系相对自由能及能量最低的构象。 1 3 2 量子力学方法 1 9 9 8 年，瑞典皇家科学院将诺贝尔化学奖颁发给英国的约翰波普( j o h n p o p l e ) 教授和美国的奥地利裔科学家瓦尔特- 科恩( w a l t e rk o h n ) 教授，以奖励 他们在计算化学和量子化学领域所做的突出成绩。波普基于对薛定谔方程 ( s c h r o d i n g e re q u a t i o n ) 中的波函数作不同的描述，建立了被广泛用于分子、分 子的性质以及化学反应作用过程的理论研究。他创建了一个理论模型化学，其 1 0 第一章绪论 中用一系列越来越精确的近似值，系统地促进量子化学方程的正确解析，从而 可以控制计算的精度，并设计了著名的g a u s s i a n 计算程序，该程序的第一版 于1 9 7 0 发布，以后不断发展，全世界的大学和化学公司都在应用这个软件，解 决了很多化学问题。瓦尔特科恩的密度泛函理论对化学做出了巨大的贡献。瓦 尔特科恩的密度泛函理论构成了简化以数学处理原子间成键问题的理论基础， 是目前许多计算得以实现的先决条件。传统的分子性质计算基于每个单电子运 动的描写，使得计算本身在数学上非常复杂。瓦尔特科恩指出，知道分布在空 间任意一点上的平均电子数已经足够了，没有必要考虑每一个单电子的运动行 为。这一思想带来了一种十分简便的计算方法密度泛函理论。方法上的简 化使大分子系统的研究成为可能，酶反应机制的理论计算就是其中典型的实例， 而这种理论计算的成功凝聚着无数理论工作者3 0 余年的心血。如今，密度泛函 方法已经成为量子化学中应用最广泛的计算方法。 量子化学的发展大体分为三个阶段。第一阶段是创建阶段，主要着眼于建 立一套完整的理论，由于数学方法及实际计算上的困难，除极其简单的体系外， 几乎没有实际计算和应用的可能；第二阶段是验证阶段，由于数学模型的改进， 特别是计算机的发展，开始了一些近似计算，但目的仅仅是验证理论的正确性 以及方法的准确程度；第三阶段是应用阶段，即应用量子化学的理论预测实验 事实，或者用量子化学的计算结果纠正甚至否定己有的实验结论。量子化学发 展的第三个阶段，即实际应用阶段，可以说是从歇弗尔教授对亚甲基( c h 2 ) 几何构型的研究开始的。 1 9 2 6 年s c h r 6 d i n g e r 提出的波动方程揭示了微观粒子运动遵循的规律，成为 量子力学最基本的方程。单粒子的s c h r 6 d i n g e r 波动方程为： 膏甲( r ，f ) = 叫瓦h 瓦o 甲( r ，r ) ( 1 1 ) 这里疗是哈密顿算子，它是由每个粒子的动能项及各粒子之间相互作用的 位能项组成。甲是体系波函数，通常甲是核坐标r 、电子坐标，- 和时间f 的函数。 日是普朗克常数。解方程( 1 1 ) ，便可以得到该体系的能量和波函数。s c h r a d i n g e r 方程并不是从某种先行的理论或公式推倒出来的，它是以量子力学的基本假设 为出发点，在实验事实的基础上建立起来的。s c h r 6 d i n g e r 方程反映了微观粒子 的运动规律，它的正确性是由在某种具体情况下得出的结论和实验结果相比较 第一章绪论 来验证的。通过求解式( 1 1 ) 来模拟分子体系的动力学行为称为量子分子动力 学。式( 1 1 ) 由于数学上求解的困难，目前只能对氢等少数几个体系进行精确 求解；常用的h a r t r e e f o c k 模型是建立在三个近似基础上的，即非相对论近似， 核固定近似( b o r n o p p e l l l l e i l n e r 近似) 和单电子近似。在这些近似基础上，分 子体系的s c h r 6 d i n g e r 方程演变为r o o t h a n n 方程，求解该方程时，如果不再引入 新的简化或近似，严格进行数学积分求解，这种计算方法称为从头计算方法( a b i n i t i o ) 。从头算方法在理论和方法上都比较严格，是目前最精确的量子化学计算 方法的基础；如果在求解r o o t h n a n 方程过程中，引入了经验参数来简化复杂的 数学积分，这种方法成为半经验方法，如p o p l e ，s a n t r y 和s e g a l 发展的c n d o 法( c o m p l e t en e g l e c to fd i f f e r e n t i a lo v e r l a pm e t h o d ) ，i n d o 法( i n t e r m e d i a t e n e g l e c to fd i f f e r e n t i a lo v e r l a pm e t h o d ) ，以及a m l 方法( a u s t i n m o d e l1 ) 和p m 3 方法( p a r a m e t r i cm e t h o d3 ) 等。 1 3 3 分子动力学模拟 分子动力学( m d ) 2 1 , 2 2 】的基本原理就是，在一段时间内对一个相互作用的 粒子体系的经典运动方程进行数值积分，求出体系的运动轨迹和速度，并进行 相应的统计，得出所需要的信息。当然我们能够研究的时间范围常常要受到计 算能力的限制；对于水溶液中一个小蛋白质分子在1p s ( 1 0 d 2 s ) 内的演化要花费一 台c r a yx m p 计算机一个小时的处理时间。而蛋白质的折叠过程( 从失活状态向 有活性的状态的转变) 一般要花费几秒的时间，于是完全模拟这样的过程是不可 行的。现在大多数研究都局限在l n s ( 1 0 。9 s ) 以内的时间范围，粒子的初始速度