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基于键偶极的可极化力场方法的建立

基于键偶极的可极化力场方法的建立

发展可极化力场预测包含侧链的脂肪族多肽构象能

第十三届全国量子化学会议

作者：王长生辽宁师范大学化学化工学院

发展高精度分子力场对准确模拟进而正确理解和认识蛋白质折叠机制、准确模拟进而深入理解生物分子体系中的分子识别过程有着重要的科学意义。基于本课题组对蛋白质、核酸等生物分子间非共价键相互作用快速预测方法方面的工作,我们进一... 详细信息

发展高精度分子力场对准确模拟进而正确理解和认识蛋白质折叠机制、准确模拟进而深入理解生物分子体系中的分子识别过程有着重要的科学意义。基于本课题组对蛋白质、核酸等生物分子间非共价键相互作用快速预测方法方面的工作,我们进一步提出并初步建立了基于键偶极的可极化力场方法。如图1所示,我们基于物理意义明确的键偶极,通过拟合静电作用项、范德华作用项、极化作用项以及轨道相互作用项参数1, 2,实现了对氢键作用、堆积作用、T型作用、X.H...π作用等分子间非键相互作用的快速准确预测。在此基础上,通过添加伸缩势能项、弯曲势能项以及扭转势能项,初步实现了对中性脂肪族多肽分子构象的预测。同时,我们也编写了相应的PBFF（Polar izable Bond-dipole-based Force Field Package）分子力学程序包3,供国内外同行测评、使用。

关键词：生物分子可极化力场键偶极轨道重叠

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发展可极化力场预测包含侧链的脂肪族多肽构象能

乙酸离子与血红蛋白相互作用的可极化力场及分子片方法研究

第十三届全国量子化学会议

作者：李艳敏王晓雯王长生辽宁师范大学化学化工学院

基于分子模型的计算在生物学、生物化学等方面越来越受到重视,分子力学模拟在速度上要优于量子力学模拟,但是分子力场的精确度还有待提高[1,2]。本课题组进一步发展了基于键偶极的可极化力场PBFF（Polar izable bond-dipole force field... 详细信息

基于分子模型的计算在生物学、生物化学等方面越来越受到重视,分子力学模拟在速度上要优于量子力学模拟,但是分子力场的精确度还有待提高[1,2]。本课题组进一步发展了基于键偶极的可极化力场PBFF（Polar izable bond-dipole force field）,相较于其他经典力场,PBFF在计算静电作用和极化作用时,采用有明确物理意义的键偶极间相互作用模型。该力场已经成功应用于甘氨酸、丙氨酸和脯氨酸多肽构象能的模拟。在保持主链二面角参数不变基础上,优化了脂肪族侧链氨基酸的二面角参数。并计算了192个缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸二肽构象分子相对能量,与高精度的从头算方法相比,PBFF计算脂肪族氨基酸构象能的RMSD为0.8kcal/mol,优于AMBER99SB的计算精度。

关键词：可极化力场键偶极脂肪族侧链构象能

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中国科学（B辑） 2009年第11期39卷 1566-1566页

作者：闫秀芬蒋南马晶介观化学教育部重点实验室、南京大学化学化工学院理论与计算化学研究所南京210093

本文应用传统的FF03力场、基于分子片的可极化力场模型以及基于能量的分子片量子化学方法,在B3LYP/6-31G(d)计算水平下,研究了乙酸负离子(CH3COO-)与血红蛋白α亚基在4个作用靶点位(Lys16、Lys90、Arg92和Lys127)的相互作用.可极化力场... 详细信息

本文应用传统的FF03力场、基于分子片的可极化力场模型以及基于能量的分子片量子化学方法,在B3LYP/6-31G(d)计算水平下,研究了乙酸负离子(CH3COO-)与血红蛋白α亚基在4个作用靶点位(Lys16、Lys90、Arg92和Lys127)的相互作用.可极化力场模型得到的相互作用能大小顺序为:Arg92>Lys127>Lys90>Lys16.通过分析每个分项对结合能的贡献发现,长程静电作用及立体效应共同控制CH3COO-与血红蛋白的结合.

关键词：可极化力场分子片量子化学计算方法血红蛋白相互作用

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Drude可极化蛋白质力场的发展与应用

Drude可极化蛋白质力场的发展与应用

应用ABEEM/MM力场探究Na^+与氮-甲基乙酰胺及水的相互作用

2019中国化学会第十五届全国计算（机）化学学术会议

作者：黄晶浙江省结构生物学研究重点实验室西湖大学生命科学学院浙江西湖高等研究院生物学研究所

分子力场作为许多分子动力学模拟和计算机辅助药物设计方法背后的计算模型,决定了这些理论方法的精度极限。这里,我们将介绍基于经典Drude谐振子模型的可极化分子力场的发展,尤其是蛋白质力场的发展与应用。我们将首先简要介绍Drude谐... 详细信息

分子力场作为许多分子动力学模拟和计算机辅助药物设计方法背后的计算模型,决定了这些理论方法的精度极限。这里,我们将介绍基于经典Drude谐振子模型的可极化分子力场的发展,尤其是蛋白质力场的发展与应用。我们将首先简要介绍Drude谐振子模型,之后讨论Drude-2013蛋白质力场、以及即将发表的Drude-2019蛋白质力场的发展思路和优化细节。接下来通过几个多肽和蛋白质模拟的例子,我们将展现分子模拟中使用可极化力场的优势。最后我们将介绍使用Drude力场进行自由能微扰计算,以及在QM/MM计算中将Drude可极化力场作为MM部分的一些结果。

关键词：分子力场可极化力场分子动力学模拟自由能微扰

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高等学校化学学报 2018年第11期39卷 2468-2476页

作者：潘一鸣张静田博姚菁菁宫利东刘翠杨忠志辽宁师范大学化学化工学院大连116029

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.

关键词：原子-键电负性均衡浮动电荷分子力场钠离子氮-甲基乙酰胺可极化力场

中性磷脂分子的ABEEM/MM力场的初步研究

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中性磷脂分子的ABEEM/MM力场的初步研究

作者：赵力傧辽宁师范大学

学位级别：硕士

磷脂分子是细胞膜的基本框架,在许多生命活动中扮演着重要的角色。由于细胞膜内外都为水溶液环境,因此研究磷脂分子与水的相互作用也具有重要意义。本文在课题组前期工作的基础上,继续建立磷脂分子的ABEEM/MM浮动电荷力场,研究更多的中... 详细信息

磷脂分子是细胞膜的基本框架,在许多生命活动中扮演着重要的角色。由于细胞膜内外都为水溶液环境,因此研究磷脂分子与水的相互作用也具有重要意义。本文在课题组前期工作的基础上,继续建立磷脂分子的ABEEM/MM浮动电荷力场,研究更多的中性磷脂分子,包括1,2-二棕榈酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱（DPPC）、1-棕榈酰-2-油酰基-sn-磷脂酰胆碱（POPC）、1,2-二肉豆蔻酰基-sn-磷脂酰胆碱（DMPC）、二月桂酰磷脂酰胆碱（DLPC）、1,2-二油酰基-磷脂酰胆碱（DOPC）、1,2-二油酰基-磷脂酰乙醇胺（DOPE）和1-棕榈酰-2-油酰基-磷脂酰乙醇胺（POPE）。依据QM计算结果,重新拟合优选相关参数,并推广到磷脂分子与水体系,考虑磷脂分子的疏水尾部与水分子的相互作用。应用构建的磷脂分子ABEEM/MM力场对PC类磷脂分子（DPPC、POPC、DMPC、DLPC、DOPC等）进行结构和性质的计算,其结果与QM结果相比具有良好的一致性,键长、键角、二面角的AAD分别在0.011?、1.09o、2.87o以下,电荷分布线性相关系数均在0.98以上。进一步应用ABEEM/MM方法对磷脂分子与水分子体系进行计算,与QM结果相比,其氢键长、氢键角的平均AAD分别为0.136?和3.07o;电荷分布的线性相关系数在0.98以上;结合能与QM结果接近,符合良好。对于PE类磷脂分子（DOPE和POPE）体系进行研究,计算结果与QM结果相比,键长、键角、二面角的AAD分别在0.009?、0.93o、1.67o以下;电荷分布的线性相关系数在0.98以上。对于PE类磷脂分子与水分子体系,氢键长、氢键角的平均AAD分别为0.133?和9.66o;电荷分布的相关系数在0.98以上;结合能与QM结果比较接近。总的来说,本文所构建的磷脂分子以及磷脂单分子与水体系的浮动电荷势能函数,能够比较准确地计算磷脂分子及其与水体系的结构、电荷分布和结合能,与QM结果相比一致性较好,准确性较高,为进一步构建运用于膜蛋白体系的ABEEM/MM浮动电荷力场提供了重要参考。

关键词： ABEEM/MM 磷脂分子结合能可极化力场浮动电荷模型

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磷脂分子DPPC的浮动电荷分子力场

辽宁师范大学学报（自然科学版） 2018年第4期41卷 482-489页

作者：宫利东田博李斌孙小雅于敏聪杨忠志辽宁师范大学化学化工学院辽宁大连116029

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)... 详细信息

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.

关键词： DPPC ABEEMσπ/MM 可极化力场浮动电荷模型电荷分布

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磷脂分子POPE的浮动电荷分子力场

辽宁师范大学学报（自然科学版） 2020年第4期43卷 482-488页

作者：宫利东赵力傧田博杨忠志辽宁师范大学化学化工学院辽宁大连116029

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... 详细信息

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.

关键词： POPE ABEEMσπ/MM 可极化力场浮动电荷模型电荷分布

[M(CH3OH)n](M=Li+,Na+,K+,Be2+,Mg2+,Ca2+,n=1～6)体系的理论研究

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[M(CH3OH)n](M=Li+,Na+,K+,Be2+,Mg2+,Ca2+,n=1～6)体系的理论研究

作者：于泳博辽宁师范大学

学位级别：硕士

本文的研究可分为三部分:首先采用三种量子化学方法(WB97XD、B3LYP和M062X)和6-31++G(d,p)基组,优化[M(CHOH)](M=Li,Na,K,Be,Mg,Ca,n=1)结构,并通过频率计算得到[M(CHOH)]稳定构型。然后使用6-311++G(2d,2p)计算上述复合物的结合能。通过计算发现,上述三种量子化学方法获得的结果一致。对B3LYP/6-31++G(d,p)获得的稳定结构,分别使用两种常用的溶剂化模型(包括PCM和CPCM模型)计算了上述体系在水中的溶剂化自由能,以考察其溶于水的能力。对于同一金属离子,随着复合物中甲醇配位数n增大,金属离子同氧原子间距离R增大,分子对称性增强,极性减小,分子在水中的溶解度减小,金属离子与甲醇分子配位键增多,故总结合能增加。当甲醇配位数n相同时,随离子半径增大,R增大,体系结合能数值减小,在水中溶剂化自由能绝对值稍变大;溶剂化自由能结果表明,碱金属甲醇体系较同周期碱土金属离子甲醇体系更难溶于水。第二部分应用从头计算(ab initio)和原子-键电负性均衡浮动电荷分子力场方法(ABEEMσπ/MM)对环状甲醇团簇(CHOH)(n=32)、[Na(CHOH)](n=3)和[K(CHOH)](n=5)体系进行研究,计算其最低能量构型、结合能及电荷分布等相关性质。以从头算所得数值为依据,确定ABEEM??/MM下能够准确应用于上述体系的势能函数,拟合相关参数。对于这三类体系的研究结果表明,由ABEEM??/MM获得的结构、结合能等性质能够较当前流行的OPLS/AA力场更符合从头算数值,其中键长的平均绝对偏差(AAD)小于0.0361?,键长、键角和结合能的相对均方根偏差(RRMSD)分别小于3.69%、1.62%和6.58%;ABEEM??/MM计算得到的电荷分布同从头算的线性相关系数R>0.99。最后,应用分子形貌理论(MFT)对[M(HO)](M=Li,Na,K,Mg,Ca)体系进行研究。首先使用MP2/6-31++G(d,p)对体系的结构进行局域优化,以获取当金属离子同水中氧原子之间距离R不同时对应体系的稳定结构,然后采用MELD从头计算程序与自编软件获得分子内单电子作用势,再通过Matlab软件计算并绘制出分子形貌图,通过分子形貌变化找到金属离子与氧原子分子形貌间的接触点。同时对比了体系的第一电离能、表面积及体积、D等相关性质。计算后得出稳定结构与接触点结构距离差的顺序为Mg>Ca>Na>K>Li,此距离差用来衡量离子在与水分子逐渐远离的过程中与水分子相互作用的减弱程度。对比研究表明,使用不同基组计算得到离子与水分子间分子形貌接触点的距离相差不大。

关键词：金属离子甲醇从头计算 ABEEMσπ/MM 可极化力场