极化力场和加速分子动力学在生物体系中的应用

摘要

从分子动力学模拟方法(MD)诞生到现在已有40多年的时间，分子动力学模拟已经成为了研究生物物理，化学，材料等学科的基础工具，被大家的广泛使用。然而该方法还存在着两个亟待解决的问题：遍历相空间抽样的效率和分子力场的准确性。在分子动力学模拟中，最重要的部分是势能函数，它是以原子的坐标为变量的，即我们常说的分子力场。在模拟蛋白质折叠，蛋白与配体作用等研究中，判断体系是否达到热力学平衡状态是一个很重要的参考，而势能函数的最低点正是这一状态的标志。由于实验设备以及模拟时间的局限，我们不可能对整个蛋白质分子用量化方法计算势能面。分子力场中，大家比较认可的有AMBER和CHARMM等标准力场，这些力场基本都是用键的伸缩势，键角变化势，二面角扭转势，库伦势和范德华势来表示。对于蛋白质上的电荷，这些标准力场认为即使是不同的蛋白质分子，同一个氨基酸残基的电荷都是固定的。严格的讲，这些标准的分子力场不能准确给出所有蛋白质体系的电子环境，这样就无法保证模拟的准确性。前几年兴起的极化力场较好解决了这个问题，极化力场要比普通力场复杂的多，但是其模拟的准确性使得越来越多的人关注这一力场的研究。在我们研究中使用的是极化的蛋白专一性电荷（PPC），PPC较AMBER等标准力场，有了一套相对准确的蛋白质分子电荷。随着科技的发展，CPU性能得到提升，又以及GPU等其他应用于生物大分子模拟计算的设备的出现，计算机可以模拟蛋白质折叠的时间越来越长。要在缩短遍历相空间抽样的时间上进一步做文章，就得从方法上改进，McCammon等人发展的加速分子动力学模拟方法（aMD）就实现了模拟效率的提高。aMD相对于传统的MD，对原势能函数加入了一个新的势能函数，这样使得势能函数的势垒降低，能够加快找到势能的最低点，即热力学的平衡状态。
　　本文分为四个部分。第一部分介绍了分子动力学的模拟的背景。第二部分中讲述了分子动力学模拟中涉及到的分子力场，极化效应等基本的理论。第三部分分别陈述了关于电子极化效应对人类?-凝血酶（凝血酶）的影响，在隐式溶剂模型中使用加速分子动力学模拟全原子蛋白直接折叠的两篇文章的实验结果和药物设计中关于CDK2抑制剂的研究。第四部分主要总结了自己所做的研究工作，表达了一些对本方向未来发展的一些看法。本文的研究主要集中在第三部分，该部分分为三小节，简单概括为：
　　第一小节介绍了使用分子碎片共轭帽（MFCC）结合泊松玻尔兹曼(PB)模型产生了考虑极化的PPC电荷。我们分别用PPC和AMBER电荷研究了电子极化对凝血酶的影响。我们主要分析了凝血酶和L86结合过程中的主链氢键占有率和主链原子的均方根偏差的变化。研究显示，使用PPC时，体系主链氢键的占有率以及方均根偏差（RMSD）的稳定性都要比AMBER电荷强，证明了电子极化效应对凝血酶有着至关重要的影响。
　　第二小节介绍了分别使用aMD和MD两种方法在隐式溶剂模型中在100ns内模拟2I9M,C34，N36，2KES和2KHK等蛋白折叠，这些蛋白的最小RMSD分别为0.36?,0.63?,0.52?,1.1?和0.78?。使用aMD方法模拟得到的结构与晶体结构相比，要比使用MD方法的RMSD要小很多,聚类占有率高的都处于折叠态，天然接触和能量分析也更接近实验结构。这说明的aMD方法能有效加速蛋白折叠。
　　第三小节简单介绍了药物设计的一般过程以及对CDK2抑制剂的研究，重点研究了考虑结合口袋水分子时，CDK2和它的配体X64相互作用。我们分别使用PPC和AMBER电荷分析了蛋白主链原子相对于晶体结构的RMSD，采用PPC的体系要比采用AMBER电荷的体系的RMSD小。然后，我们比较了两种电荷模拟时水桥上的氢键的稳定性，结果显示了采用PPC体系的也更稳定。这说明在研究有桥梁水的体系中，采用PPC电荷会更接近于实验结果。