一种基于拉伸力最小化的拉伸分子动力学方法

摘要

目前，分子动力学模拟已经广泛的应用于研究蛋白质分子以及其它生物大分子，它提供了一种利用计算机在原子水平上动态研究生物分子相互作用的方法。拉伸分子动力学（Steered Molecular Dynamics，SMD）作为分子动力学的一个分支，可用来模拟大分子生物系统，主要用来研究分子复合物中配体结合/解离的动态过程。
　　受体-配体解离在研究受体-配体相互作用和分子识别上具有重要意义。对于解离过程的研究可以产生关于受体-配体复合物结构-功能关系和结合路径等方面的重要信息。拉伸分子动力学方法模仿原子力显微镜(Atomic force microscopy，AFM)实验原理来描述解离机制和计算最大解离力。在SMD模拟中，固定方向的外加作用力施加在配体上从而加速了配体从受体中的解离。拉伸分子动力学已被证明是一种可以从原子级别揭示受体-配体解离细节的有用工具。过去几十年，这种方法已经被广泛应用到配体与受体解离，蛋白质去折叠，蛋白质-蛋白质相互作用等多方面研究。
　　本文主要针对拉伸分子动力学模拟过程中拉伸方向固定不变的问题进行算法改进。新算法提出一种基于拉伸力最小化的复合物分子动力学解离方法，该方法以拉伸力为优化目标，拉伸力在模拟过程中通过基于信息熵的多种群遗传算法自动调整拉伸方向，从而致使最大解离力最小化，进而能够获得一条受体-配体解离的优化拉伸路径。所选取的算例是对几种典型的蛋白质-小分子和蛋白质-蛋白质复合物的解离。对比于传统拉伸分子动力学模拟和以能量和距离为目标的拉伸分子动力学模拟，改进的拉伸力最小化拉伸分子动力学方法能够优化出一条具有更小最大解离力和更低能量壁垒的解离路径。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 分子模拟概况

1．2 分子动力学原理及其现状

1．2．1 分子动力学原理

1．2．2 分子动力学现状

1．2．3 分子动力学研究的意义

1．3 蛋白质-小分子和蛋白质-蛋白质复合物解离

1．4 本文主要工作

2 分子动力学模拟

2．1 分子动力学简史

2．2 分子动力学理论基础

2．3 分子动力学的算法

2．4 分子动力学计算流程

2．5 分子动力学力场及其发展

2．6 分子动力计算的应用

2．7 分子动力学模拟技术

3 带有方向优化的拉伸分子动力学

3．1 引言

3．2 模拟体系与预处理

3．3 优化模型

3．4 基于信息熵的多种群遗传算法

3．5 程序流程

4 结果与讨论

4．1 蛋白质-小分子复合物

4．2 蛋白质-蛋白质复合物

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢