蛋白质吸附分子模拟中势能计算的优化算法

摘要

蛋白质界面吸附是一类复杂而有趣的基本现象，在生物工程、生物医药等诸多领域有着广泛而重要的应用。由于蛋白质结构与功能的相关性，若对蛋白质结构变化没有深入理解，就很难对生物学诸多领域进行深入研究。分子模拟技术为研究蛋白质界面吸附带来了希望，有助于人们从分子水平上来研究吸附的机理和吸附动力学。 势能计算几乎是所有分子模拟中最耗时的部分，如何优化势能计算算法一直是分子模拟中一个至关重要的课题。本文结合Verlet列表法和原胞列表法的思想，提出了一种高效的势能计算的新算法。算法具有如下特征：(1)基于Bekker方法，将系统原子按域分组，每个原子对应的Verlet列表个数从9个降到最多可能为4个，极大地加快了模拟速度；(2)引入方向向量搜索矩阵，能更快高效地搜索元胞列表，建立Verlet列表；(3)采用特殊而高效的数据结构，提高了程序数据操作的便捷性。模拟结果显示，新算法的势能计算所耗时间为传统算法的30～40％。 本文运用新算法对聚十赖氨酸在固液界面上的吸附进行了分子动力学模拟。模拟条件是：NVT系综、周期性边界条件、简化的刚体模型、球型截断模型。模拟结果表明，吸附过程中聚十赖氨酸分子的主链二面角具有偏离初始的螺旋结构二面角的趋势；相对于初始结构，聚十赖氨酸分子的内能增加，构象由能量较低的螺旋结构转变为能量较高的构象。研究结果为解释吸附过程中蛋白质的变性提供了理论依据。

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第一章文献综述

1.1蛋白质分子结构

1.1.1蛋白质结构简述

1.1.2维持蛋白质稳定构象的因素

1.2蛋白质在固体表面上的吸附

1.2.1蛋白质吸附的影响因素

1.2.2蛋白质界面吸附的研究现状

1.3分子模拟

1.3.1分子模拟方法

1.3.2分子模拟软件介绍

1.3.3分子动力学模拟在蛋白质吸附研究中的应用

1.3.4势能函数与分子模拟

1.4本论文的研究意义

第二章势函数的计算

2.1势能函数和力场

2.1.1势能函数分类

2.1.2势能函数基本形式

2.1.3力场的分类和选取原则

2.2周期性边界条件

2.3势能截断

2.4势能函数的计算

2.4.1 Verlet列表法

2.4.2元胞列表法

2.4.3 Verlet-元胞列表法

第三章蛋白质吸附的分子动力学模拟

3.1模拟蛋白质的选择

3.2模拟条件初始化

3.2.1聚十赖氨酸的初始构象

3.2.2中心模拟盒子的搭建

3.2.3初始速度的确定

3.3势能函数

3.3.1非界面作用势能函数

3.3.2氢键作用势能函数

3.3.3界面作用势能函数

3.4模型简化

3.5周期性边界条件

3.6温度控制方法

3.7势能计算的程序算法

3.7.1 Verlet列表法的算法实现

3.7.2程序数据结构

3.7.3程序流程图

第四章模拟结果与讨论

4.1势能函数计算方法的效率

4.2 Veflet半径rv对模拟速度的影响

4.3时间步长对模拟结果的影响

4.4吸附过程中系统的动量与能量

4.5主链构象的变化

4.6聚十赖氨酸分子所受作用能及其内能变化

第五章结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致 谢