PDF《生物分子模拟中的静电计算》

第32 卷第2期2015 年3月计算物理CHINESE JOURNAL OF COMPUTATIONAL PHYSICS Vol.

32,No.

2 Mar. ,

2015 文章编号:1001?246X(2015)02?0127?33 生物分子模拟中的静电计算 彭波, 李翰林, 卢本卓 (科学与工程计算国家重点实验室中国科学院 数学与系统科学研究院, 北京 100190) 摘要: 在分子尺度上对生物系统的研究主要通过模拟生物分子间的相互作用来完成. 在众多的分子间相互作用 中,静电相互作用及其重要,对它的定量计算是了解生物分子的溶剂化效应、生物分子折叠和酶催化作用等的一个 中心课题. 本综述着重介绍用于计算溶剂化效应的泊松 - 玻尔兹曼模型,包括模型的理论基础、发展历程、数值求 解方法、及在分子生物学研究中的应用等. 同时,也介绍泊松 - 玻尔兹曼模型的一种近似模型,广义玻恩模型. 关键词: 泊松 - 玻尔兹曼方程;

广义玻恩模型;

溶剂化效应;

边界元;

有限元 中图分类号: O242;

O244;

O561.

4 文献标志码: R 收稿日期:

2014 -

11 - 07;

修回日期:

2014 -

11 -

14 基金项目: 国家自然科学基金(91230106)及863 国家高技术研究发展计划 (2012AA020403)资助项目 作者简介: 彭波(1987 - ),男,汉族,博士生,研究方向为计算生物,E?mail: pengbo@ lsec. cc. ac. cn

1 蛋白质静电相互作用的重要性及研究状况 1?

1 蛋白质静电相互作用的重要性 在我们周围,通过量子力学与统计力学原理,电磁力维持着生物体的结构和驱动生物分子的化学反应. 在化学、生物化学和生物分子学等领域中,静电作用力作为一种长程作用力,在研究生物分子中的相互作用 时起着重要的作用. 目前,在生物、计算机科学、计算数学、物理与化学和生物分子学等交叉学科中,生物分子 的静电性质得到了广泛的研究. 很久以来,科学家们一直采用理论方法分析大分子中的结构动力学,为生物 学实验提供重要的补充. 然而,当试图用物理化学原理来解释蛋白质分子折叠途径、生物酶分子如何发挥高 效的催化功能、生物分子间如何通过特异性相互作用进行识别等问题时,试图对生物分子的序列、结构或功 能进行定量预测或理性设计时,却发现我们面临着一个巨大的困难与技术鸿沟. 生物大分子由成千上万的原 子所组成,其结构和动力学性质通过大量的范德华、疏水、氢键、盐键等物理化学意义上的弱相互作用来维系 或支配. 这些弱相互作用在微观上缺乏对称性,使得很多经典的理论分析工具在生物大分子研究中失去了用 武之地. 最近计算机分子模拟技术的发展,为填平这道鸿沟提供了很大的机会. 在多维核磁共振实验和 X 射 线晶体衍射实验数据的结构修正中,分子动力学模拟已经成为一种常规手段. 近年来,人工蛋白序列的设计、 人造酶的设计等与定向进化等实验技术的结合,在生物分子工程领域取得了一系列影响深远的成果. 分子动 力学模拟在生物大分子中的成功应用,至少依赖于两个方面:①模拟中能量模型能够准确地刻画大生物分子 上的折叠、相互作用和动力学变化相关的分子间相互作用;

②分子动力学或蒙特卡洛等模拟技术能够对大生 物分子的相空间进行合理地采样. 后者与目前计算机模拟的时间尺度密切相关,现有计算机的能力仅限于模 拟大生物分子在几十到数百纳秒量级的时间演化,而相当多的生物学过程包括蛋白质折叠、酶催化功能的运 动等在毫秒或更长的时间尺度上发生. 为了研究这些生物学过程,急待发展新的模拟技术,以适用于生物分 子工程的计算机模拟、实验数据的理论解释、大生物分子的装配问题和蛋白质热力学的理论研究等[1 - 3] . 蛋白质是构成生物体的基础物质之一,是构成细胞的基本有机物,是生命活动的主要承担者. 蛋白质的 重要性很早就被认识到了. 早在