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.

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.

甲酰胺二聚体性质的分子力学模拟研究

应用ABEEM/MM浮动电荷力场和从头算方法对甲酰氨二聚体的性质进行了研究,甲酰氨二聚体都具有一定的对称性,其中FAD1和FAD4具有C2h对称性而FAD2和FAD3具有Cs对称性。ABEEM/MM力场的模拟结果与较精密从头算法所得的结构都非常相近,因此ABEEM/MM力场能够很好地描述氨基化合物二聚体的结构性质。

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.

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.

应用ABEEM/MM蛋白质力场模型研究半胱氨酸二肽构象的性质

ABEEM/MM蛋白质力场模型是应用于蛋白质体系的原子-键电负性均衡方法(ABEEM)与力场(MM)相结合的浮动电荷模型.该模型能够准确地描述分子在环境变化时的静电极化,并能快速计算气态和溶液多肽的结构和能量.首次应用ABEEM/MM蛋白质力场模型研究半胱氨酸二肽构象的性质,如构象能、氢键等.此外,应用从头计算HF/6-31G**方法对其性质进行计算.ABEEM/MM蛋白质力场模型可以快速准确地得到半胱氨酸二肽分子不同稳定构象的性质,其结果可以和从头计算相媲美.以上研究有助于加深对半胱氨酸二肽构象性质的了解,从而也为进一步验证ABEEM/MM蛋白质力场模型的正确性以及参数的合理性提供可靠的依据.

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/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.

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．

ABEEMσπ/MM模型对蛋白质G_A88/G_B88水溶液动力学性质的研究

应用ABEEMσπ/MM(σπ水平的原子与键电负性均衡方法融合进分子力学)浮动电荷模型以及显性ABEEM-7P水模型,对GA88和GB88两个蛋白质分子进行了分子动力学模拟.分析了2个蛋白质的动力学性质,包括蛋白质的回旋半径、疏水表面积和亲水表面积、各类原子位置的均方根偏差以及氢键分布.通过对比水溶液和真空下2个蛋白质的回旋半径,表明该模型很好地体现了蛋白质的"电致紧缩"现象;对疏水表面积和亲水表面积的计算表明,GB88中残基与溶剂的相互作用更强一些;非氢原子位置的均方根偏差及氢键分布情况与实验结构相比较表明,ABEEMσπ/MM浮动电荷模型模拟的GA88和GB88的结构与实验结构有很好的一致性,进而说明该模型的合理性和参数的可转移性.

应用ABEEM/MM模型研究甘氨酸与水的氢键作用

应用原子-键电负性均衡方法中的浮动电荷分子力场(ABEEM/MM),我们构建了1个新的甘氨酸(Glycine)-水势能函数,并将其应用到甘氨酸与水组成的二聚体的研究中.首先研究了甘氨酸单体的几何构型,构型结果与可获得的实验数据显示了很好的一致性;根据对甘氨酸中氮原子和氧原子的孤对电子电荷分布的ABEEM/MM方法分析,可以解释水与作用点形成氢键的强弱;进而研究了甘氨酸与1个水作用的结合能,ABEEM/MM模型与从头计算方法得到的结果显示了很好的一致性.表明我们势能函数的合理性以及参数的正确性.

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。

从头算和ABEEMσπ/MM对(CH_3OH)_n(n=3～12)和[Na(CH_3OH)_n]^+(n=3～6)体系的研究

采用从头算方法(ab initio)和原子-键电负性均衡浮动电荷分子力场方法(ABEEMσπ/MM),对甲醇团簇(CH_3OH)n(n=3~12)和[Na(CH_3OH)_n]^+(n=3~6)体系的结构、电荷分布和结合能进行研究.依据从头算结果构建上述体系的ABEEMσπ/MM浮动电荷势能函数,并确定相关参数.结果表明,ABEEMσπ/MM所获得的结构和结合能等均优于OPLS/AA力场,并与从头算结果相符,其中键长的平均绝对偏差(AAD)小于0.004 nm,键长、键角和结合能的相对均方根偏差(RRMSD)分别小于3.8%,1.7%和6.8%;电荷分布与从头算结果的线性相关系数均大于0.99.

ABEEMσπ-GB/SA方法计算6种氨基酸四肽溶剂化自由能

使用ABEEMσπ浮动电荷极化分子力场,在298K,NVT系综下对5种构象的Ala四肽水溶液进行了动力学模拟.计算了动力学平衡态下Ala四肽中非氢原子的均方根偏差.结合广义玻恩模型(GB)计算了溶剂化自由能的极性部分,使用SA方法计算了溶剂化自由能的非极性部分.溶剂化自由能的结果表明,Ala四肽αR螺旋和β折叠构象容易在水溶液中存在.使用类似方法分别对Gly,Leu,Val,Asn和Asp四肽的αL螺旋构象水溶液进行了动力学研究,计算了这5种四肽的溶剂化自由能.结果表明,Asp和Asn四肽亲水性较强,Leu、Val和Ala四肽疏水性较强,Gly四肽居中,此结论与实际相符.该类研究为ABEEMσπ浮动电荷力场用于其他生物大分子体系奠定了很好的基础.

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.