基于量子化學的蛋白質分子場建模及其應用.pdf

1、蛋白質是生命活動的物質基礎，生命活動中各種生理功能的完成大多是通過蛋白質來實現(xiàn)的。蛋白質多種多樣的功能與其特定的空間構象密切相關，蛋白質分子的空間構象是其功能活性的基礎，構象發(fā)生變化，其功能活性也隨之改變。蛋白質相互作用過程中，其三維空間結構和能量場均發(fā)生動態(tài)變化。但已有工作對前者的變化研究比較多，而對后者的變化研究較少。如果能對后者定量計算，發(fā)掘蛋白質相互作用的本質規(guī)律，將有利于預測蛋白質功能。
　　 蛋白質分子體系中的各種相

2、互作用，包括化學鍵力、氫鍵力、靜電力、范德華力等，在空間中疊加會形成的一個綜合性作用的分子場。傳統(tǒng)的基于分子力學的方法依賴于分子力場信息，很多參數是根據實驗數據設定的，每一種參數化的力場對應著一種分子力學方法，所以針對某類分子優(yōu)化的力場只有在應用于同類分子時才可保證得到可信的結果。分子力學方法是在原子核相互作用的基礎上完成計算，無法處理分子體系中的電子運動，因而不能描述鍵形成或鍵斷裂的過程，無法很好地解釋蛋白質相互作用過程中的極化效應。

3、
　　 量子化學計算應用分子軌道理論，獲得分子體系的電子波函數，進而求算偶極矩、極化率等分子性質。第一原理計算方法只使用幾個物理常數：光速，電子和核的電荷，質量和普郎克常數，而不使用基本物理常數和原子量以外的實驗數據，所有計算都建立在量子力學原理上。相比較而言，量子化學方法直接求解薛定諤方程，能得到更為準確、可靠的結果。
　　 本文提出了一種基于量子化學的蛋白質分子場計算方法，結合線性標度理論，將Hartree-Fock

4、方法運用于計算蛋白質三維空間能量分布。該方法具有通用性，輸入僅為單個或多個蛋白質的構象信息，無需設置其他參數。計算得到的分子場數據可以直接體繪制顯示出來，便于交互操作。該方法可以有效地處理電荷運動細節(jié)和極化效應，也不受蛋白質體系大小的限制。
　　 利用量子化學方法處理蛋白質分子體系的最大困難在于需要大量的計算資源，其計算時間往往令人難以忍受。本文提出搭建異構集群系統(tǒng)，構造分布式計算環(huán)境，以獲得高性能計算能力和海量數據處理能力來加

5、速計算蛋白質分子場。利用GPU較強的浮點運算能力和較大的內存帶寬，通過改進算法讓GPU和多核CPU協(xié)同計算，使得計算效率提高了幾十倍以上。
　　 蛋白質相互作用過程中，關鍵區(qū)域能量分布會隨著構象發(fā)生顯著變化。定量計算蛋白質分子場的變化，對研究相互作用熱點區(qū)域有著重要意義。本文通過模擬胰島素樣生長因子連接蛋白IGFBP4(insulin-like growth factor binding protein-4)與胰島素樣生長因子I