高分子材料模拟中的分子力学法和力场

比较了分子模拟中两种基本方法 :量子力学法和分子力学法。详细介绍了在高分子模拟中应用较多的分子力学法和力场 。

基于参考势的从头算量子力学/分子力学混合方法研究Parvalbumin B蛋白结合钙、镁离子的选择性

蛋白的离子选择性与蛋白的功能密切相关,而离子选择性本质上来源于蛋白分子与离子结合自由能的差别.尽管近几十年来分子力场在描述蛋白体系相互作用方面取得了长足的进步,由于缺乏对静电极化和电荷转移效应显式的描述,传统的分子力场依然难以精确地描述金属蛋白体系中蛋白质与金属离子的相互作用.量子化学方法非常适合于蛋白质与金属离子之间相互作用的描述.但是在分子模拟中采用量子化学方法则太昂贵了.近年来发展起来的参考势方法在保证计算精度的前提下兼顾效率,可以有效地解决这个窘境.在这个方法中,动力学模拟的轨迹是在分子力场的精度下获得的.随后,通过从分子力场到量子化学方法的矫正,从而获得在量子化学势函数级别下的自由能信息.本文采用参考势函数方法研究了Parvalbumin B蛋白的结合口袋对钙、镁离子的选择性.计算结果表明电荷转移效应非常重要,而量子化学方法可以比较精确地预测离子的选择性.并且,量子化学区域的选择对于结果的可靠性也是非常重要的.

POSS纳米杂化材料压痕实验的分子力学模拟

本文通过分子力学模拟方法研究了聚苯乙烯和丙基POSS纳米杂化聚苯乙烯两种薄膜在压痕实验中的力学行为.计算得到了两种材料的载荷-位移曲线.曲线表明随着压头位移的增加,两种材料的载荷响应呈锯齿状增长.结合材料的载荷-位移曲线和模拟过程中材料的形变计算了两种材料的硬度.进而,采用一个简单的表达式描述材料硬度与压痕深度之间的关系.我们通过对多种聚合物硬度-压痕深度的拟合验证了公式的合理性.根据此公式计算出了聚苯乙烯及其POSS杂化材料极限硬度的比值,结果表明POSS单体可以有效地提高聚苯乙烯的硬度.

芳纶纤维增强聚苯硫醚复合材料的界面行为的分子力学计算研究

本文应用分子力学计算了芳纶纤维增强聚苯硫醚复合材料的界面体系的能量,由此揭示芳纶纤维表面经某种化学处理后界面增强的微观机理。

利用分子力学分析黄药捕收剂浮选未活化白铅矿的浮选行为

对白铅矿-黄药(乙基黄药、丁基黄药、辛基黄药和十二烷基黄药)体系分别进行了浮选试验、FTIR红外检测和分子力学模拟和计算。浮选试验结果表明,4种不同烃链黄药都可以浮选未活力的白铅矿。FTIR光谱证实,白铅矿表面存在有所试验的4种黄药特征吸收峰,矿物表面存在黄药的吸附。分子力学在原子尺度上模拟和计算了黄药-白铅矿表面相互作用及作用能,指出分子模拟捕收剂-矿物相互作用结果与红外检测结果和浮选试验结果的一致性。*

分子力场进展

分子力学（简称ＭＭ）是近年来化学家常用的一种计算方法。与量子力学从头计算和半经验方法相比，用分子力学处理大分子可以大大节省计算时间，而且，在大多数情况下，用分子力学方法计算得到的分子几何构型参数与实验值之间的差值可在实验误差范围之内。所以，分子力学是研究生物化学体系的有效和可行的手段。分子力学的核心是分子力场。本文介绍了分子力场的量子力学背景、分子力场和光谱力场之间的关系。分子力场的一般形式、分子力场参数的确定、几类常见的分子力场，并对量子力场的确定、分子力场发展的最新动态以及位能函数的重要性和作用进行了讨论。

CO分子在肌红蛋白结合口袋的QM／MM动力学模拟

肌红蛋白具有存储和运输人体内双原子小分子的重要生物学功能．实验证实CO在靠近肌红蛋白血红素基团边缘的结合口袋中具有两个不同的方向．在本文中，我们基于从头算QM／MM动力学模拟的方法详细研究了这两个状态（这两种状态分别命名为B1和B2态）．通过与实验测量的红外光谱数据的对比，证实B1和B2态分别对应于Fe…CO（碳原子更加靠近血红素的中心铁原子）和Fe…OC（氧原子更加靠近血红素的中心铁原子），由蛋白以及溶剂对一氧化碳分子造成的量子极化效应是一氧化碳能够稳定持有两个不同状态的主要源动力．我们计算得到的两个不同状态之间的振动频率偏移量为13．1cm-1，与实验测得的11．5cm-1的位移吻合的很好．模拟结果揭示出蛋白周围的溶剂水可以通过在蛋白活性区域施加电场的方式来辅助加强蛋白的生物功能．通过对肌红蛋白每个残基在一氧化碳分子中心位置产生的电场的定量计算，发现了对总电场有较大贡献的一些氨基酸残基，其中包括了一些带电残基以及三个非带电残基（即HIS64，ILE107，和PHE43）．

基于分子动力学模拟提高嗜热磷酸三酯酶样内酯酶非特异性底物活力的理论研究

采用分子动力学模拟和拉伸分子动力学模拟方法,结合分子力学-广义玻恩表面积(MM-GB/SA)方法进行自由能计算和结构交互指纹分析,研究了模拟过程中非特异性底物(对氧磷/内酯)分别与嗜热磷酸三酯酶样内酯酶(SsoPox)野生型和突变体(W263F/W263T)结合的构象变化,分析了Loop8中重要残基Trp263的突变提高SsoPox非特异性底物活力的原因,发现其能够影响门控残基Phe229的构象变化,导致活性口袋入口变宽(Phe229与Tyr99之间的距离变大),使对氧磷和内酯更容易结合到蛋白质的活性位点上; Asp256和Arg223形成盐桥的几率高于野生型(WT) SsoPox,在Arg223(位于Loop7)的协助下质子更加高效地从活性中心的Asp256(位于Loop8)传递到溶剂中去,因而能够提高SsoPox水解底物的效率.通过比较2个野生型复合物的结构稳定性和结合自由能差异,发现在模拟过程中SsoPox与内酯的复合物体系更加稳定并且具有更低的结合自由能,有利于SsoPox识别底物并使其埋在活性部位的疏水环境中,促进氢氧化物亲核进攻底物的亲电中心.因此,底物与酶稳定的相互作用可能是SsoPox具有天然内酯酶活性的原因之一.

计算机分子模拟——2013年诺贝尔化学奖简介

计算机分子模拟技术的发展至今已有半个世纪的历史,现被广泛应用于解决各种复杂化学和生物学问题,比如药物设计和材料设计。2013年诺贝尔化学奖授予给卡普拉斯、莱维特和瓦谢尔三位美国科学家,以表彰他们在"发展多尺度模型研究复杂化学体系"上的贡献。这次授奖表明,对于今天的化学家来说,计算机分子模拟已和试管实验同等重要,理论和实践要密切合作才能解决复杂问题。笔者主要介绍计算机分子模拟技术的基本概念、发展简史,以及主要应用领域,并对此技术的未来发展做了展望。

分子模拟方法及其在分子生物学中的应用

常用的分子模拟方法有 :量子力学法、分子力学方法、蒙特卡洛法和分子动力学法。四种方法各有优势 ,共同成为分子模拟的组成部分。综述了分子模拟法在分子生物学中的应用 ,最后介绍了分子模拟的发展方向 ,并预测了其未来的发展趋势。常用的分子模拟方法有 :量子力学法、分子力学方法、蒙特卡洛法和分子动力学法。四种方法各有优势 ,共同成为分子模拟的组成部分。综述了分子模拟法在分子生物学中的应用 ,最后介绍了分子模拟的发展方向 ,并预测了其未来的发展趋势。

一种具有规则结构的蛋白单体之间相互识别的分子力学模拟和量子化学计算

使用分子力学、分子动态学以及量子化学计算方法，对天然的昆虫抗冻蛋白质分子(TmAFP)以长轴平行的方式发生二体相互作用的可能模式进行了系统研究．分子模拟的结果表明，在可能的相互作用模式中，其相互作用区域必须至少包含一个β-面，并且当蛋白单体均取β-面靠近时，其侧链上的羟基在空间的分布满足结构上的二维匹配；利用分子力学与量子化学相结合的方法得到的结果表明两单体的β-面之间具有相对最强的相互作用，同时，高级别的DFT计算以及van der Waals键电荷密度分析进一步证实β-面的相互识别主要表现为β-面的一个苏氨酸侧链的羟基对另一个的苏氨酸羟基氧的识别，即它们之间能形成较强的氢键．因此，分子力学以及量子化学的计算结果都说明蛋白单体在相互识别的过程中，均以β-面相互作用的可能性最大．

煤表面分子片段模型与瓦斯吸附分子力学模拟

采用分子力学模拟的方法研究了煤表面分子片段模型与瓦斯气的吸附作用,主要研究了煤表面分子的苯环和侧链对CH4、CO2、N2和O2的吸附作用,得到了吸附能,计算出了在不同位置吸附的概率。研究结果表明,煤表面对CH4、N2和O2的吸附计算结果相似,主要是在苯环上吸附,还存在含N侧链位置的吸附作用;而煤表面对CO2的吸附计算明显的不同,主要在含N侧链位置和含N侧链在同一侧的苯环位置吸附,可能是由于NH与C=O形成了氢键,有待进一步研究。

手性配合物D,L-[Co(phen)_2hpip]^(3+)识别DNA序列及从构型上修复错配序列DNA的分子力学模拟

使用分子力学方法模拟了化合物[Co(phen)2hpip]3+(phen=1,10phenanthroline,hpip=2-[2-hydroxyphenyl]imidazole[4,5-f][1,10]phenanthroline)对正常、错配序列DNA的识别作用及对错配DNA在构型上的修复作用.模拟结果显示,该配合物的两个手性异构体都从小沟方向特异性的识别正常DNA,而从大沟方向特异性的识别剪式错配DNA与错配相邻的区域.两个手性异构体都能将错配DNA的错配区域由剪式构型转变为平行构型,其中右手异构体转变得更完美.详细的分析发现,在配合物插入碱基堆积过程中的空间位阻状况决定了识别作用的结果,体现在以下两点:(1)辅助配体菲啰啉与DNA骨架及碱基的空间冲突情况;(2)骨架及碱基对在DNA为适应配合物的进入而发生扩张时的空间拥挤程度.配合物对剪式错配构型的修复不但与空间相互作用有关,还与配体hpip-碱基及碱基之间堆积的紧密程度有关.

在微机上实现分子力学模拟B-DNA

DNA是典型的螺旋结构 ,关于它的模拟方法有很多种 ,本文将探讨一种能在微机上用分子力学模拟B型DNA的方法。该方法以CsChem3D软件包中MM2为支持力场 ,搭建和几何优化B DNA ,并对模拟B

第六届国际分子模拟与信息技术应用学术会议

“分子模拟与信息技术应用学术会议”是在20世纪八十年代中期开始的“全国分子力学与分子设计学术会议”和创腾科技用户大会的基础上形成的。自2000年举办以来吸引了国内外众多专家学者的参与，已经被公认为该领域内一个高水平的国际学术会议。

蒙脱石水化机理的分子模拟

为深入分析泥页岩水化膨胀的微观机理,采用Materials Studio(简称MS)软件,以Na-蒙脱石为研究对象,建立了蒙脱石的单晶胞和4a×2b×1c的多晶胞模型,并进行了晶格取代,添加Na+后建立了Na-蒙脱石晶体的分子模型。模拟结果显示,当蒙脱石开始吸附水分子时,水分子主要停留在Na+周围,形成水合钠离子;当分别吸附24、64和112个水分子时,分别形成第1层、第2层和第3层饱和水分子层。对Na-蒙脱石水化膨胀的微观过程进行了分子力学和分子动力学模拟,发现Na-蒙脱石的层间距和体积随吸附水分子数目的增加而增加,其密度随吸附水分子数目的增加而降低。通过晶粉衍射模拟,利用布拉格公式,计算出了Na-蒙脱石形成第1层、第2层和第3层饱和水分子层时的层间距分别为1.424 9、1.676 4和2.052 1 nm。

咪唑啉自组装膜抑制CO_2对碳钢腐蚀的分子模拟

采用分子动力学模拟和分子力学的方法,研究5种不同烷基链长的1-(2-氨乙基)-2-烷基-咪唑啉缓蚀剂在Fe-CO3表面的自组装成膜机制,并对其抑制CO2对碳钢腐蚀的缓蚀性能进行理论评价。单分子吸附能、膜的内聚能、吸附角和链间距的计算数据表明:缓蚀剂膜的稳定性以及膜与金属基体的结合强度随链长的增加而增大;当正构烷基碳链长度大于13时,缓蚀剂可在金属表面形成一层高覆盖度、致密的疏水膜,能有效阻碍溶液中的腐蚀介质向金属表面扩散,从而达到阻碍或延缓腐蚀的目的;5种缓蚀剂缓蚀效率的理论评价结果与实验结果完全吻合。

模板剂与MCM-22分子筛匹配作用的分子模拟计算

本文用Monte Carlo方法和分子力学方法研究了模板剂分子六次甲基亚胺(HMI)在MCM -２２分子筛孔道中的排布与取向。模拟结果表明模板剂分子能够稳定地嵌入在MCM-２２ 分子筛的超笼、窗口和正弦孔道中。对这三种位置上模板剂与分子筛骨架之间的主客体非键 相互作用能(包括范德华能和库仑能)进行了计算，结果表明模板剂分子与分子筛的骨架之 间作用力主要以范德华吸引力为主。本文还进一步讨论了模板剂分子的结构导向作用和对骨 架Al的靶向作用。

Athabasca油砂沥青中重组分的分子模拟

利用分子模拟技术对加拿大Athabasca油砂沥青超临界萃取分馏残渣组分的化学分子结构进行了研究 ,首先选用长度不同的桥链构建了其三维平均结构 ,然后采用分子力学 (MM)和分子动力学 (MD)方法得到能量最低也即最稳定的构象 .研究发现 ,即使分子的二维结构相同 ,其三维结构差别也很大 ,由此可见仅用二维模型来表征重质油大分子的结构和物理化学性质远远不够 .另外 ,分子模拟还可以预测沥青质残渣中最有可能存在的桥链长度 .Athabasca沥青残渣组分中长度为C5到C7的桥链存在的可能性最大 ,而C1和C2桥链则由于其总能量相对较高 。

巯基乙酸选择性抑制机理的分子模拟研究

从分子力学及分子动力学角度,研究了巯基乙酸(TGA)在辉钼矿和黄铁矿表面选择性吸附的机理。利用Materials Stud io 4.4软件包和UFF力场建立巯基乙酸在两种矿物表面的吸附模型,进行几何优化和动力学模拟,确定TGA离子在两种矿物表面的最佳吸附构型,计算并分析真空环境和水环境下巯基乙酸与两种矿物表面的相互作用能。指出吸附能的差异是导致TGA离子在黄铁矿表面选择性吸附的原因。