一类非平衡分子动力学模拟中优化方法的研究

摘要

蛋白质分子动态模拟最常用的方法是分子动力学模拟。在过去二十年中，分子动力学模拟的算法及其在生物大分子中的应用都有很大的发展。同时，随着模拟的发展和经验的积累，人们越来越认识到模拟技术在生物大分子动态模拟中的重要性。对于大系统的分子动力学模拟，常用的方法有拉伸分子动力学(steered molecular dynamics，SMD)，靶向分子动力学(targeted molecular dynamics，TMD)，主成分动力学(essential dynamics，ED)，构象涨跃动力学(conformational flooding，CF)，随机排斥分子动力学(randomexpulsion molecular dynamics，REMD)，探针分子动力学(force probe molecular dynamics，FPMD)，交互式动力学(Interactive molecular dynamics，IMD)等方法。通过在模拟中引入外力、简谐势和减少蛋白质构象空间自由度等技术使得模拟的时间范围比常规动力学宽，因而可以模拟配体和受体结合、蛋白质的异构效应等生物现象。例如，拉伸分子动力学作为分子动力学的一个分支，20世纪90年代以来在研究配体的结合/解离过程中起到了重要的作用；靶向分子动力学是研究蛋白质分子不同构象之间的转变过程的重要工具。本文旨在对分子动力学模拟中的一些改进技术的研究，论文由五个部分组成。
　　 第一章，概述了分子动力学理论和自由能计算方法的原理和概况，在此基础上，简要地介绍了本文的主要工作和发现。
　　 第二章，作为预备知识，介绍了分子动力学和自由能的理论和应用。回顾了分子动力学的基本原理和发展历史，分子动力学模拟中的一些常用技术和方法，重点阐述了拉伸分子动力学和靶向分子动力学两种模拟技术。最后，从原理和应用上详细介绍了自由能计算的五种方法。
　　 第三章提出了一种方向自适应调整的拉伸分子动力学方法。首先，建立了拉伸方向调整的多目标优化模型，然后，采用基于信息熵的多种群遗传算法优化拉伸方向。这种对拉伸分子动力学的技术改进不仅显著提高了拉伸分子动力学的模拟效率，而且使模拟的成功率大为增强。新方法已经应用在细胞色素P4503A4-甲吡酮的复合物的解离上，获得了更合理的解离通道，与传统的拉伸分子动力学方法比较，新方法具有模拟时间少，需要的解离力小，解离路径的能垒低等优点。对于传统方法不能解离的拉伸方向，新方法也可以通过对拉伸方向的优化和调整，找到一条成功的解离路径。
　　 第四章提出一种基于路径优化的非平衡自由能预测方法。首先，基于非平衡自由能预测原理建立一个分子解离的多目标优化模型，使用基于信息熵的多种群自适应遗传算法优化解离路径。然后，沿着优化的解离路径对拉伸分子动力学轨迹计算平均力势。采用基于Jarzynski方程的外推方法得到蛋白质复合物的自由能。结果表明，本方法不仅有较高的预测精度和效率，而且可以模拟解离全过程，这也为药物设计提供了重要的结构信息。
　　 第五章用靶向分子动力学研究了钙调蛋白的构象变化路径。钙调蛋白(CaM)是生物体内功能广泛的一种重要信号蛋白。根据已发现的钙调蛋白(CaM)打开和闭合两种不同的构象，研究了拮抗剂对构象变化的影响以及CaM全局构象变化路径。首先，进行了含拮抗剂和不含拮抗剂的两种常规分子动力学模拟，结果表明：CaM在独立存在时具有从闭合状态开启的趋势，它的构象动态变化推动了CaM变构功能的实现；拮抗剂具有将CaM的构象变化“锁住”在闭合状态的功能，有利于CaM控制一些激酶和磷酸酶的活性。在此基础上，进一步用靶向分子动力学模拟了CaM从闭合到打开的构象变化过程，得到一条稳定的变化路径和4个可能的过渡态构象。
　　 论文最后部分给出了本文的工作总结和对后续研究的展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 分子动力学原理及现状

1.3 自由能计算的基本原理和概况

1.4 本文的主要工作

1.4.1 带有方向调节的拉伸分子动力学方法

1.4.2 自由能预测的一种非平衡分子动力学方法

1.4.3 钙调蛋白的构象变化路径

1.5 本章小结

2 理论基础与计算方法

2.1 引言

2.2 分子动力学模拟

2.2.1 分子动力学发展的历史

2.2.2 分子动力学的基本原理

2.2.3 分子动力学的算法进展

2.2.4 分子动力学计算流程

2.2.5 分子动力学的力场发展

2.2.6 分子动力学中常用的模拟技术

2.3 自由能的计算方法

2.3.1 自由能微扰和热力学积分方法

2.3.2 基于主方程的方法

2.3.3 基于回归的计算方法

2.3.4 线性响应近似计算方法

2.3.5 基于Jarzynski方程的非平衡自由能方法

2.4 本章小结

3 带有方向调节的拉伸分子动力学方法

3.1 引言

3.2 细胞色素P4503A4的研究概况

3.2.1 细胞色素P450的分类和命名

3.2.2 细胞色素P4503A4的结构和功能

3.3 模型和方法

3.3.1 模拟体系

3.3.2 优化模型

3.3.3 基于信息熵的多目标多种群遗传算法

3.3.4 程序计算流程

3.4 结果与讨论

3.4.1 分子动力学平衡

3.4.2 初始拉伸方向Ⅰ

3.4.3 初始拉伸方向Ⅱ

3.4.4 单目标与多目标模型的模拟结果比较

3.5 本章小结

4 一种非平衡分子动力学的自由能预测方法

4.1 引言

4.2 自由能计算的研究意义

4.3 模型和方法

4.3.1 模拟体系及力场参数

4.3.2 非平衡分子动力学方法

4.3.3 优化模型

4.3.4 基于信息熵的多种群自适应遗传算法

4.3.5 拉伸分子动力学模拟

4.3.6 从拉伸分子动力学轨迹构造PMF

4.4 结果与讨论

4.4.1 算例1—PDB编号：1TNK

4.4.2 算例2—PDB编号：1MBI

4.4.3 算例3—PDB编号：5TIM

4.4.4 算例4—PDB编号：6ACN

4.5 本章小结

5 钙调蛋白的构象变化路径

5.1 引言

5.2 钙调蛋白的结构和功能

5.3 模型和方法

5.3.1 模拟体系

5.3.2 靶向分子动力学模拟方法

5.3.3 MM-PBSA-Nmode能量扫描

5.4 结果与讨论

5.4.1 拮抗挤对CaM构象变化的影响

5.4.2 靶向分子动力学模拟出的钙调蛋白构象变化路径

5.4.3 不同模拟轨迹间的比较

5.4.4 钙调蛋白从闭合状态到打开状态全局构象变化路径

5.4.5 钙调蛋白全局构象变化上的过渡态

5.5 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

攻读博士学位期间发表软件著作权情况

创新点摘要

致谢

作者简介