应用ABEEM极化力场研究核酸碱基和氨基酸侧链的相互作用

对ABEEM极化力场(ABEEM PFF)对核酸碱基、氨基酸侧链以及它们之间的相互作用进行研究.ABEEM PFF将体系的电荷密度分解到了原子区域、σ键区域、π键区域和孤对电子区域,各个区域的电荷可以随着体系结构的变化以及周围环境不同而浮动,很好体现了体系极化效应.在碱基和氨基酸之间的相互作用中氢键起到了很重要的关键作用.ABEEMPFF通过氢键拟合函数对氢键相互作用区域进行特殊的考虑和处理.研究结果表明,应用ABEEM电荷模型计算得到4个碱基模型、5个氨基酸侧链模型和20个相互作用模型的电荷分布以及偶极矩,计算结果与量子力学方法(QM)相媲美.应用ABEEMPFF对29个模型分子进行结构的优化得到稳定结构,与QM计算的结果以及实验的构象有很好的一致性.应用ABEEMPFF和QM方法计算20个碱基和氨基酸相互作用模型的相互作用能,计算结果表明带电的氨基酸侧链与碱基的相互作用能大于不带电氨基酸侧链.氨基酸侧链与碱基的相互作用能的顺序为:Lys>Asp/Glu>Arg>Asn/Gln>Ser/Thr.ABEEMPFF研究碱基和氨基酸侧链的相互作用,为研究和揭示蛋白质和核酸的相互识别机理奠定了良好的基础.

磷脂分子DPPC的浮动电荷分子力场

基于量子化学(QM)计算和原子-键电负性均衡浮动电荷分子力场(ABEEMσπ/MM),构建了1,2-二棕榈酰磷脂酰胆碱(1,2-dipalmitoyl-sn-phosphatidylcholine,DPPC)分子的可极化势能函数.首先将DPPC分子分成乙基三甲基铵(ETMA)、乙酸甲酯(MAS)、磷酸二甲酯(DMP)和烷烃等官能团模型小分子片段,依据这些模型分子的QM结果,优选并确定相关电荷参数及力场参数.应用ABEEMσπ/MM对模型小分子的计算结果与QM计算结果符合很好,其中,稳定结构的键长、键角、二面角的绝对平均偏差(AAD)分别为0.000 5nm、1.59°和1.33°,两者的电荷分布的线性相关系数为0.968 8.进一步将上述函数应用到研究DPPC分子的结构和电荷分布,并与QM结果相比,结果表明:键长、键角、二面角的AAD和均方根偏差(RMSD)分别仅为0.000 01和0.000 02nm、0.006°和0.009°、0.007°和0.011°;两者计算得到的电荷分布的线性相关系数为0.965 9.

磷脂分子POPE的浮动电荷分子力场

应用量子化学(QM)计算和原子-键电负性均衡浮动电荷分子力场(ABEEMσπ/MM)方法,建立1-棕榈酰-2-油酰基-磷脂酰乙醇胺(POPE)分子的浮动电荷力场.将POPE分子的极性头部分为乙基三甲基铵(ETMA)、乙酸甲酯(MAS)和磷酸二甲酯(DMP)等小分子片段,根据QM计算结果,调节优选ABEEMσπ/MM参数.利用建立的ABEEMσπ/MM势能函数对模型分子进行计算,与QM结果相比,键长、键角、二面角的最大绝对平均偏差(AAD)分别为0.0219 nm、2.39°和2.61°,电荷分布的线性相关系数均在0.97以上.进一步对磷脂分子POPE的结构和电荷分布进行计算,与QM结果对比,得到的键长、键角、二面角参数的AAD分别为0.0001 nm、0.31°和0.34°,RMSD分别为0.83%、0.46%、0.45%,电荷分布的线性相关系数为0.9813.

应用ABEEMσπ极化力场对Zn^(2+)水溶液配位微结构和水交换反应进行分子动力学模拟研究

应用ABEEMσπ极化力场,对Zn^(2+)水溶液体系进行分子动力学模拟,探讨Zn^(2+)的配位微结构和配体水交换反应。水分子模型采用ABEEM-7P精细水模型。模拟后对体系结构、电荷及动力学性质进行细致分析。结构分析表明,平衡体系中Zn^(2+)的第一层配位数为6,这与实验值是一致的。水交换反应过程中,溶剂水由O―Zn―O角分线斜上(下)方进攻Zn^(2+),配位水由O―Zn―O角分线斜下(上)方逐渐远离。极化力场模拟时Zn^(2+)与交换水间的距离变化波动较大,而固定电荷力场的波动较小。模拟发现,极化力场的径向分布函数能精细地展示第二、三层配体的配位微结构,第二配位层存在靠近Zn^(2+)的亚壳层,能与第一水合层发生水交换反应,充分体现了Zn^(2+)的极化效应。本文阐明了水交换反应中,Zn^(2+)位点电荷与交换水中氧原子孤对电子位点电荷的规律性变化,从电荷的角度解释了水交换反应的合理性。ABEEMσπ极化力场模拟Zn^(2+)水溶液获得第一水合层的平均配位驻留时间为2.0×10-9s,在实验值范围内,说明ABEEMσπ极化力场可以合理地模拟Zn^(2+)水溶液体系。

应用ABEEM／MM力场模型研究水分子团簇(H2O)n(n=7～35)的性质

应用ABEEM/MM模型研究和计算了水分子团簇(H2O)n(n=7～35)的各种性质,如:优化的几何构型,氢键个数,结合能,稳定性,ABEEM电荷分布,偶极矩,以及结构参数、平均氢键个数和强度、团簇的递增结合能等,并描述了六聚水区域中所反映的从二维结构(从二聚水到五聚水)到三维结构(n>6的水分子团簇)的过渡,又进一步地预测了从立方体结构到笼状结构的过渡出现在n=12的水分子团簇中,随着类似于笼状结构特点的不断增强,五元环的富集程度有所增加.以上研究不仅系统研究和分析了水团簇的各种性质,而且对比Abini-tio研究和实验结果,进一步验证了ABEEM/MM模型的合理性以及参数的正确性和可转移性.

受损腺嘌呤与氨基酸残基堆积复合物的ABEEM极化力场

修复酶能特异性识别受损DNA,碱基与氨基酸残基间的堆叠作用是特异性识别的重要因素,遗憾的是目前没有精准的模型进行模拟.本文工作的最大贡献是在ABEEM极化力场基础上添加堆叠作用函数,调节相关π键位点参数,精准模拟受损腺嘌呤与氨基酸残基间的堆积作用.选取4种受损腺嘌呤与4种芳香族氨基酸残基堆积二聚体作为模型分子.以从头算的几何结构、电荷及堆叠能为基准,调节ABEEM极化力场参数,建立模型.ABEEM极化力场的模拟结果与从头算结果具有高度的一致性,可应用于DNA与酶作用体系的动力学模拟.为修复酶特异性识别受损DNA提供理论基础.

Sr^(2+)和Ba^(2+)水分子体系结构和结合能的从头算和ABEEM/MM研究

应用从头算方法和ABEEM/MM浮动电荷分子力场,研究了水合碱土离子团簇Sr2+/Ba2+(H2O)n(n=1-6),构建了离子-水相互作用的ABEEM/MM势能函数,获得了水合离子团簇的稳定结构,计算了结合能.计算结果表明,ABEEM/MM方法的结果和从头算方法的结果有很好的一致性.进一步应用ABEEM/MM对Sr2+和Ba2+水溶液进行了分子动力学模拟.对Sr2+水溶液,得到的Sr2+-水中氧原子的径向分布函数的第一和第二最高峰分别位于0.257和0.464nm处,第一和第二水合层的配位水分子数分别为9.2和11.4;对Ba2+水溶液,得到的Ba2+与水中氧原子的径向分布函数的第一和第二最高峰分别位于0.269和0.467nm处,第一和第二水合层的配位水分子数分别为9.9和12.4.这与实验值或其它理论模拟结果有较好的一致性.对比外层的水分子,金属离子的极化作用使得溶液中第一水合层中水分子的O―H键长增长,HOH键角减小.

环多肽晶体的浮动电荷极化力场模拟

利用原子键电负性均衡结合分子力场方法(ABEEM/MM)对五种环多肽晶体进行了研究.与传统力场相比,该方法中的静电势包含了分子内和分子间的静电极化作用,以及分子内电荷转移影响,同时加入了化学键等非原子中心电荷位点,合理地体现了分子中的电荷分布.相对其他极化力场模型,具有计算量较小的特点.该模型下计算得到的环多肽分子单元相对实验测得的结构的原子位置、氢键长度和二面角的均方根偏差分别为0.009nm、0.013nm和5.16°,能够很好地重复实验结果.总体上,其结果优于或相当于其他力场模型,适用于对实际蛋白质体系的模拟和研究.

应用ABEEM/MM模型研究水分子团簇(H_2O)_n(n=11～16)的性质

应用ABEEM/MM模型计算了较大的水分子团簇(H2O)n(n=11￣16)的各种性质,如:优化的几何构型,氢键个数,结合能,稳定性,ABEEM电荷分布,偶极矩,以及结构参数、平均氢键个数和强度,增加的团簇结合能等.结果表明,从立方体结构到笼状结构的过渡出现在n=12的水分子团簇中,随着类似于笼状结构特点的不断增强,五元环的富集程度有所增加.

利用浮动电荷力场对N-甲基乙酰胺水溶液的分子动力学模拟

利用原子键电负性均衡结合分子力场方法(ABEEM/MM)对N-甲基乙酰胺(NMA)分子的水溶液体系进行了分子动力学模拟.与经典的力场模型相比,该方法中的静电势包含了分子内和分子间的静电极化作用,以及分子内电荷转移影响,同时加入了化学键等非原子中心电荷位点,合理体现了分子中的电荷分布.相对其它极化力场模型,该模型具有计算量较小的特点.在该模型下对NMA纯溶液和其水溶液体系进行了分子动力学模拟,得到的径向分布函数、汽化热和偶极矩等物理量与实验值和其它极化力场方法符合很好,合理描述了溶质与溶剂之间的静电极化和分子内的电荷转移.

ABEEMσπ／MM力场模型下的多肽构象

在ABEEM/MM蛋白质浮动电荷力场模型的基础上,加入孤对电子和π电荷位点,从而能够体现多肽和蛋白质分子中一些重要的各向异性极化性质,允许非化学键方向的电子转移和极化.利用从头计算数据拟合模型相关参数.计算得到的小分子团簇结合能、偶极矩、氢键键长等性质与从头计算结果符合很好.该经典极化模型力场能够重复量子场下丙氨酸二肽、丙氨酸四肽、甘氨酸三肽的各稳定构象,其稳定性顺序与精密从头计算结果相一致,其结构和能量性质较以往模型有一定提高,并优于其他力场模型.

利用ABEEM/MM模型对气态丝氨酸和苏氨酸残基二肽分子构象的研究

应用ABEEM/MM浮动电荷模型(原子-键电负性均衡方法融合进分子力场)对气态丝氨酸和苏氨酸残基二肽分子构象进行了初步的研究,与经典的力场模型相比,该方法中的静电势包含了分子内和分子间的静电极化作用,以及分子内电荷转移影响,同时加入了化学键等非原子中心电荷位点,合理的体现了分子中的电荷分布。相对其他极化力场模型,该模型具有计算量较小的特点。结果表明:我们模型计算的两种二肽分子的构象能和关键二面角结构与从头计算结果符合得很好,优于其他力场模型。

组氨酸二肽-水团簇的Ab Initio和ABEEMσπ力场的研究

使用密度泛函B3LYP／6‐311＋＋G（d ，p）方法对组氨酸二肽与水团簇的结构进行优化，在M P2／aug‐cc‐pVDZ水平下计算了这些体系的结合能，同时考虑了基组重叠误差（BSSE）和零点能（ZPE）校正。应用ABEEMσπ浮动电荷分子力场优化了组氨酸二肽与水分子所形成的团簇结构，计算了氢键键长和氢键键角，同时计算了组氨酸二肽与1～6个水分子所形成的团簇His（H2O）n（n＝1～6）的结合能，探讨了氢键的协同效应。将ABEEMσπ浮动电荷分子力场、OPLSAA和AMBER力场所得的结果与从头算方法的结果进行了比较，ABEEMσπ的结果好于OPLS‐AA 和AMBER力场的，可与从头算方法所得到的结果相媲美。

应用ABEEMσπ/MM模型对重组人纤溶酶原Kringle 1结构域与配体分子的对接计算

应用原子-键电负性均衡方法的浮动电荷分子力场(ABEEMσπ/MM),对重组人纤溶酶原Kringle1结构域(K1Pg)与配体ε-Aminocaproic acid(EACA),trans-4-(Aminomethyl)cyclohexane-1-carboxylic acid(AMCHA),L-Lysine(Lys),7-Aminoheptanoic acid(7-AHA)和Benzylamine进行了半柔性对接计算.用ABEEMσπ/MM模型优化得到的复合物K1Pg/EACA和K1Pg/AMCHA的结构很接近实验晶体结构.此外通过对5种配体与K1Pg结合能的计算,得出5种配体与K1Pg结合能的大小顺序为AMCHA>EACA>7-AHA>Lys>Benzy-lamine,与实验中测得5种配体与K1pg的平衡结合常数K值大小顺序相一致.

应用ABEEM/MM力场探究Na^+与氮-甲基乙酰胺及水的相互作用

应用量子化学方法 MP2/6-311++G(d,p)//B3LYP/6-31+G(d,p)和原子-键电负性均衡浮动电荷分子力场(ABEEM/MM),对[Na(H_2O)n]+(n=3～8),[Na(NMA)n]+(n=3～8)和[Na(NMA)n(H_2O)m]+(n+m=4,6)(NMA=氮-甲基乙酰胺)体系的结构、结合能和电荷分布进行研究.在计算结果的基础上,构建上述体系的ABEEM/MM可极化势能函数,优选并确定相关参数.结果表明,ABEEM/MM的计算结果与量子化学的计算结果相符:Na+与配体间距离的平均绝对偏差(AAD)小于0. 007 nm,相对均方根偏差(RRMSD)小于3. 5%,夹角的AAD小于2. 4°,RRMSD小于2. 0%,结合能的AAD小于8. 9 k J/mol,RRMSD小于12. 4%;ABEEM/MM电荷分布与量子力学(QM)电荷分布的线性相关系数在0. 97以上.

ABEEM浮动电荷分子力场在含离子体系中的发展和应用

离子水合及生物分子体系内离子选择性的微观作用机制是人们长期探索的重要课题,其难点在于如何合理精确地描述上述体系内的离子-水、离子-生物分子等各种相互作用.本文主要总结近年来原子-键电负性均衡浮动电荷分子力场(ABEEM/MM)在含离子体系中的发展和应用,包括离子水溶液、金属蛋白、离子-核酸碱基体系的研究.我们优选相关参数,构建上述体系的势能函数,并对气相水合离子团簇、离子水溶液、金属蛋白、离子-核酸碱基体系进行研究,模拟其结构、活性、热力学和动力学等性质.研究和比较结果表明,我们的ABEEM浮动电荷力场总体上优于其它力场方法,其精度可达到或接近高水平从头计算MP2方法.这为进一步探讨生物分子体系内的离子选择性、金属酶及其它含离子体系的结构和性质奠定了基础.

应用ABEEMσπ/GB-SA方法估算4个带电二肽的溶剂化自由能

采用B3LYP/6-311++G(d,p)理论水平优化获得体系的稳定几何结构.在相同的理论水平下,使用SMD溶剂模型,计算这些分子在水溶剂中的溶剂化自由能,并以其作为标准值.将各分子的稳定结构作为初始结构,在298 K、NVT系综下,应用ABEEMσπ可极化分子力场,对氨基酸侧链分子的水溶液进行分子动力学模拟,模拟的时间为1ns.平衡后的结构作为训练集,以调节和确定ABEEMσπ的相关参数,最终得到与从头计算相一致的溶剂化自由能.使用相同的参数,计算带电氨基酸二肽的溶剂化自由能,ABEEMσπ的计算结果与从头计算结果具有良好的一致性,表明该参数具有可转移性,这为研究多肽和蛋白质分子的溶剂化自由能奠定了基础.

应用ABEEM/MM方法研究尿素与缬氨酸二肽间的相互作用

对尿素与二肽的相互作用的研究可为探讨尿素致蛋白质变性的机理提供基础．应用ABEEM／MM方法，对尿素和缬氨酸二肽间的相互作用进行了理论研究．结果表明，尿素对缬氨酸二肽的几何结构影响很大，使其骨架二面角发生了明显的扭转．此外，用该方法计算的电荷分布和键长、键角、二面角等结构参数，都与从头算的结果有很好的一致性．

微过氧化物酶水溶液的ABEEM/MM动力学模拟

应用原子-键电负性均衡浮动电荷分子力场(ABEEM/MM),对微过氧化物酶水溶液进行了分子动力学模拟.研究了水溶液对微过氧化物酶的结构,血红素的皱裂构象以及轴配体咪唑基的取向的影响.结果表明,在水溶液中微过氧化物酶的骨架氨基酸是稳定的,而血红素的皱裂构象在水分子的作用下趋于平面.与血红素轴配体咪唑基键连的组氨酸决定着咪唑基的空间取向,而咪唑基与血红素侧链的丙酸基的静电作用对其取向仅起次要作用.

应用PCM和ABEEM/GBr4-SA模型计算二肽的溶剂化自由能

使用B3LYP/6-311++G(d,p)方法优化了极性的Gly、Ser、Cys、Asn、Gln和Thr二肽以及非极性的Ala、Pro、Val、Met、Leu、Ile、Phe和Trp二肽的结构,然后使用MP2/aug-cc-pvdz/PCM方法分别计算了这些二肽在水、四氢呋喃、氯仿和四氯化碳溶剂中的溶剂化自由能.应用ABEEMσπ浮动电荷极化分子力场,在298K、NVT系综下分别对这些二肽的水溶液进行分子动力学模拟.模拟了1ns后,计算骨架原子坐标与初始结构相比的均方根偏差.使用ABEEM/GBr4-SA模型计算这些二肽的溶剂可及表面积和溶剂化自由能.获得其溶剂可及表面积与自身原子数成正比.比较了ABEEM/GBr4-SA模型所计算的氨基酸二肽分子的溶剂化自由能与从头算所获得的结果,两者有很好的线性关系.说明该模型和力场参数是合理的,可应用到这些氨基酸多肽的溶剂化自由能的研究中.