基于量子化學(xué)的蛋白質(zhì)分子場建模及其應(yīng)用.pdf

1、蛋白質(zhì)是生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，生命活動中各種生理功能的完成大多是通過蛋白質(zhì)來實現(xiàn)的。蛋白質(zhì)多種多樣的功能與其特定的空間構(gòu)象密切相關(guān)，蛋白質(zhì)分子的空間構(gòu)象是其功能活性的基礎(chǔ)，構(gòu)象發(fā)生變化，其功能活性也隨之改變。蛋白質(zhì)相互作用過程中，其三維空間結(jié)構(gòu)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(zhì)相互作用的本質(zhì)規(guī)律，將有利于預(yù)測蛋白質(zhì)功能。
　　 蛋白質(zhì)分子體系中的各種相

2、互作用，包括化學(xué)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(xué)的方法依賴于分子力場信息，很多參數(shù)是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)設(shè)定的，每一種參數(shù)化的力場對應(yīng)著一種分子力學(xué)方法，所以針對某類分子優(yōu)化的力場只有在應(yīng)用于同類分子時才可保證得到可信的結(jié)果。分子力學(xué)方法是在原子核相互作用的基礎(chǔ)上完成計算，無法處理分子體系中的電子運(yùn)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(zhì)相互作用過程中的極化效應(yīng)。

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

4、方法運(yùn)用于計算蛋白質(zhì)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(zhì)的構(gòu)象信息，無需設(shè)置其他參數(shù)。計算得到的分子場數(shù)據(jù)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(yùn)動細(xì)節(jié)和極化效應(yīng)，也不受蛋白質(zhì)體系大小的限制。
　　 利用量子化學(xué)方法處理蛋白質(zhì)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(gòu)集群系統(tǒng)，構(gòu)造分布式計算環(huán)境，以獲得高性能計算能力和海量數(shù)據(jù)處理能力來加

5、速計算蛋白質(zhì)分子場。利用GPU較強(qiáng)的浮點運(yùn)算能力和較大的內(nèi)存帶寬，通過改進(jìn)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(zhì)相互作用過程中，關(guān)鍵區(qū)域能量分布會隨著構(gòu)象發(fā)生顯著變化。定量計算蛋白質(zhì)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