探针分子的粗粒化力场建立与应用

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粗粒化分子动力学是研究生物大分子微观结构动力学特征的重要方法之一。粗粒化分子动力学将多个原子视作一个粗粒化颗粒进行计算。目前适用于生物大分子的Martini力场是基于重现体系自由能的方法确定粗粒化力场参数,是针对整个生物体系而设计和开发的力场,Martini力场只适用于定性地分析生物的分子结构的结构特点,无法具体到用数据精确表达分子结构的变化过程。本文采用迭代玻尔兹曼反演(IBI)法,探索建立适用于特定序列肽链的探针分子结构的粗粒化力场的计算方法。IBI方法是一种基于分子结构确定势函数参数的方法,基于Henderson唯一性原理,在已知分布函数与势函数是唯一对应的前提下,通过重现全原子分子动力学轨迹的分布函数来确定势场参数。通过迭代计算逐步减小粗粒化分子动力学计算结果与全原子结果的误差,最终得到粗粒化力场。IBI方法计算获得的粗粒化力场可以较为精确的计算该分子的结构特点,计算效率大大提高。本文研究的氨基酸构成的特定序列肽链探针分子结构,由于氨基酸本身种类较多,加上肽链的二级结构,整个分子结构更为复杂。因此,本文在对分布函数进行反演、拟合之前,首先根据肽链结构特点将分布函数进行进一步的细分,分别进行拟合。通过IBI方法,首次获得该特定序列肽链探针分子结构的粗粒化力场。最后,通过分布函数的比较,计算结果远比Martini力场要更接近全原子力场,结果表明此方案得到的分布函数与全原子结果吻合较好。特定序列肽链探针分子在实验中用于测量被测结构的受力。通过在探针中加入荧光基团,探针发生形变导致荧光基团的相对位置发生变化,导致荧光基团亮度发生变化,从而可以通过亮度反推探针变形,再利用探针本身的受力特性,由形变推受力,进一步可以测得被测结构的受力。本文利用得到的粗粒化力场,利用GROMACS对探针分子进行调控分子动力学模拟,得到探针分子的部分受力特性。由于特定序列肽链探针分子中存在特殊结构,完整的变形与位移的定量关系还有待后续继续研究。
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