以分子动力学模拟探究苹果酸脱氢酶的嗜极机制

为了研究嗜热酶、嗜冷酶在极端温度下维持稳定性和活性的机制,本文通过分子动力学模拟的方法,从原子尺度上分析了嗜热苹果酸脱氢酶及其同源嗜冷酶的分子动力学特性。数据显示嗜热酶所形成的盐桥和氢键明显多于嗜冷酶。通过比较均方根偏差、回旋半径、氨基酸残基的柔性等值,发现嗜热酶的结构较非嗜热酶更具刚性。盐桥、氢键数目的不同和整体结构的刚柔性,很可能会是嗜热、嗜冷酶在极端温度下能维持结构稳定的主要原因。     

不同温度下水的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟的方法对不同温度下水的氢键结构及扩散性质进行了研究。模拟发现随温度的升高,水分子平均氢键配位数减小,氢键键角分布变宽,键角分布峰值减小,即水分子间氢键作用不断减弱。扩散系数随温度的增加而上升,液体水的扩散系数与温度之间的关系符合Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ行为。     

216粒子的熔融盐系统的分子动力学模拟

计算机模拟技术有两种主要方法:Monte Carlo方法(简称MC方法)和分子动力学方法(简称MD方法)。MC模拟的是粒子的虚位移,MD模拟的是系统的真实运动,它不仅能模拟平衡过程,而且能模拟各种非平衡过程和弛豫过程。我们在1200K,对碱金属锂、钠、钾的氟化物,氯化物的熔融盐系统分别进行了MD模拟。系统含有216个离子,每个系统从理想固态NaCI晶格出发运行至热力学平衡,然后继续运行以统计系统的平衡热力学性质、结构动力学性质和输运性质。计算所用程序是根据N.Anastasiou和D.Fincham编制的程序改编的,计算自相关函数和输运系数等配套程序由我们自编,计算工作在上海科学技术大学计算中心的IBM 4361机上完成。     

多核并行技术在分子动力学模拟中的应用

为了充分利用多核处理器资源,研究了一种用于分子动力学模拟中的多核并行技术。在多核处理器上利用OpenMP技术实现多线程创建与同步、动态设置子线程的调度运行方式以及负载均衡以减少子线程执行等待时间。通过对不同分子体系结构下的动力学模型测试,得出在不同子线程下并行计算的时间,并且得到了良好的性能加速比。实验结果表明,采用OpenMP并行技术可有效地提高电荷求解过程在分子动力学模拟运算中的时间效率,以及多核计算机资源的利用率。     

分子动力学模拟蛋白质溶液吸附过程构象的变化

计算机模拟作为一种工具在药物分子设计、蛋白质工程、药物筛选等方面逐渐广泛应用起来。为了从分子水平上理解蛋白质吸附的机理，本文采用了刚体模型对聚十赖氨酸在固体表面吸附进行了分子动力学模拟。采用立方周期性边界条件，模拟在NVT条件下进行，各刚体的起始速度按Maxwell取样。初步研究了模拟过程中蛋白质构象的变化，跟踪了吸附过程中二面角φ和ψ的变化。研究结果表明，吸附过程中蛋白质二级结构发生了变化，C末端二级结构的变化最为明显。     

分子动力学模拟的柔性对接

分子自动对接技术在过去二十年里取得很大发展和成功,但是仍然面对如何处理分子柔性这样一个难题。这篇综述概要介绍分子柔性对接技术的进展并重点介绍分子动力学模拟技术。     

分子动力学模拟HEWL晶体在不同环境中的动力学行为

简要阐述分子动力学模拟的原理及步骤,介绍研究溶菌酶的一般方法和优缺点。在Ubuntu操作系统环境下,利用Gromacs软件和其自带的Gromos96力场,通过分子动力学模拟(MD)鸡蛋清溶菌酶晶体(chicken egg-whitelysozyme,HEWL)溶液,考察真空、水溶液和加入NaCl 3种不同环境条件对溶菌酶晶体构象动力学行为的影响,发现无论从均方根位移(rmsd)、回旋半径、还是从B因子值的轨迹图分析,HEWL在水溶液特别是加入抗衡离子(Na~+,Cl~-)的水溶液的环境下的结构更稳定、合理,与(protein data bank)数据库的真实情况相符。原因是Cl~-与溶菌酶晶体在界面处发生了吸附现象,局部形成溶菌酶-Cl~-复合物,抑制了蛋白-水合物中水分子在相邻水合位置间的跳跃,从而使单晶体在离子液态中更加稳定。模拟结果表明,在pH值6.5,等电位点13.1,总电荷7.999 6的体系下,影响HEWL的吸附位点为123号残基(色氨酸),对从分子水平上解释HEWL晶体的动力学吸附行为具有重要指导意义。     

硅的平衡态分子动力学模拟

平衡态分子动力学模拟是研究既定系统向所期望的平衡态演化的一种方法,不仅可预测平衡态的各种性质,还为动力学加载过程提供合理的初始条件.本文主要研究Free、NVT、NVE平衡态分子动力学模拟中系统宏观量的演化过程;并讨论如何根据不同的初始条件,选择恰当的平衡态模拟方法.     

一种分布式网格计算框架以及在大规模分子动力学模拟中的应用

分子动力学（molecular dynamics）模拟蛋白质等大分子内原子间的相互作用,蛋白质折叠所需的时间通常在微秒（10^-6s）量级，而进行模拟的时间步长在飞秒（10^-15s）量级，并且每步需要计算大量的相互作用（O（n^2），n为原子数），以致于无法模拟足够长时间的折叠过程．现今在满足精确度的需求下没有更好的模拟算法．最近，生物学家研究了一种分布式的动力学方法，使得可以利用分布在Internet上的计算机进行并行模批成为可能,本文的目标是设计并实现在分布式P2P和网格计算环境等多种异构计算资源下进行动力学模拟的可靠框架，以便更大限度地利用计算资源，加快计算过程．我们基于Java和web service技术，已经实现了对应用透明的计算框架，并已将它扩展到我们的网格计算环境,实验表明分子动力学模拟程序在该框架下运行良好．     

分子动力学模拟的优化与并行研究

分析讨论了分子动力学模拟的算法特征和计算特点,对串行程序作了优化,并使之适合于作并行化。对模拟体系使用区域分解的方法,在计算节点间保留了部分重叠区域,采用基于消息传递的MPI设计平台,在可扩展机群上实现了并行化,获得了90%以上的并行效率。     

从常温到超临界条件下水的分子动力学模拟

采用MD模拟方法研究了从常温到超临界条件下不同状态水的微观结构、氢键结构及氢键松弛的动态性质。模拟结果表明,随着温度的升高,成键分子中O…O间的平均距离基本保持不变,O…H间距离增加,水分子的氢键作用逐渐减弱,形成氢键的两水分子O…O一H取向角的分布呈线型分布的概率降低;同一温度下密度的变化对O-O、O-H径向分布函数和氢键的键角分布的影响不大。由于温度升高使氢原子热运动增强,水的四面体结构缺陷增加,氢键的平均寿命显著缩短,温度是影响氢键平均寿命的主要因素。     

二氧化硅表面稠密的二氧化碳分子动力学模拟

采用分子动力学的方法研究二氧化硅表面二氧化碳的结构和扩散性质。二氧化碳在二氧化硅固体表面形成高密度层;而在远离固体表面处,流体的密度分布类似于宏观二氧化碳,取向分布比较随机。受固体表面的影响,二氧化碳的C-C径向分布函数第一峰的高度比宏观二氧化碳高。二氧化碳的密度分布和自由能分布有一明显的"镜面对称"的结构,高密度区域对应自由能的深阱。二氧化硅中的二氧化碳的自扩散行为是各向异性的,z方向的扩散由于固体面的作用明显受阻。由取向相关函数积分得到的二氧化硅表面流体的取向相关时间比宏观流体大的多,二氧化碳分子在固体表面再定位比较缓慢。     

环糊精-卟啉与二苯乙烯衍生物包结作用的分子动力学模拟研究

为了考察环糊精-卟啉与二苯乙烯所形成包结物的稳定性对环糊精-卟啉催化二苯乙烯环氧化选择性的影响,本文采用分子动力学方法研究了环糊精-卟啉与一系列二苯乙烯衍牛物所形成的包结物,并从主客体之间的相互作用能、相对距离的变化及包结结构3个方面考察了包结物的稳定性.计算结果表明,不同的二苯乙烯衍生物与环糊精-卟啉所形成包结物的稳定性不同,二苯乙烯两端的取代基与卟啉两端环糊精空腔的几何尺寸越匹配,环糊精-卟啉与二苯乙烯衍生物所形成包结物的结合稳定性越强,越有利于环糊精-卟啉对二苯乙烯进行选择性催化环氧化.     

醋酸在饱和气相中缔合的分子动力学模拟

本研究采用分子动力学的方法对醋酸在饱和气相中的缔合进行模拟,模拟的温度范围为303.15 K～443.15 K。通过对饱和醋酸气相的径向分布函数进行结构分析可以知道,低温下醋酸在气相中的缔合较为明显;随着温度的升高,氢键遭到破坏,醋酸的缔合逐渐减弱。在气相中醋酸多以二聚体的形式存在,通过对模拟结果的分析,得到不同状态点下醋酸在饱和气相中不同二聚体构型的比例及其分布。结果发现在模拟的温度区间范围内,醋酸二聚体主要以4种构型存在于气相,其中以羰基氧和羟基氢所形成的2个氢键的环状醋酸二聚体在气相中的比例最大,约40%～60%。     

Molecular dynamics simulation for phase behavior of amphiphilic solution

The phase behavior of amphiphilic solution is investigated by molecular dynamics simulation of amphiphilic rigid dimers with explicit solvent molecules. Our simulations show that three kinds of phases (isotropic micellar, hexagonal and lamellar phases) are formed at a lower temperature by quenching from a random configuration of amphiphilic molecules in solution at a higher temperature. It is ascertained that an isotropic micellar phase changes into a hexagonal phase, and then into a lamellar phase as the amphiphilic concentration increases. It is also found that the global orientational order parameter can be used to distinguish these three kinds of phases. From the detailed analyses of the phase behavior, it is concluded that the hydrophilic repulsion plays an important role in the formation of the hexagonal phase while the hydrophobic attraction plays a crucial role in the formation of the lamellar phase.     

Molecular dynamics simulation of ribosome jam

We propose a coarse-grained molecular dynamics model of ribosome molecules to study the dependence of translation process on environmental parameters. We found the model exhibits traffic jam property, which is consistent with an ASEP model. We estimated the influence of the temperature and concentration of molecules on the hopping probability used in the ASEP model. Our model can also treat environmental effects on the translation process that cannot be explained by such cellular automaton models.     

钾、钠、氯离子水化现象的分子动力学模拟

用Material Studio软件包中的COMP ASS力场提供的9/6 Lennard-Jones势能模型,分别模拟298 K,密度为1.0 g/cm~3的水溶液中K~+、Na~+、Cl~-水化现象的分子动力学和水分子配位的微观结构。发现阳离子周围的水分子以氧原子去靠近阳离子,而阴离子周围的水分子则以其中的一个氢原子去靠近阴离子,并获得了K~+、Na~+、Cl~-的径向分布函数和配位数曲线。计算得到的K~+、Na~+、Cl~-的水化数分别为2.53、3.64、3.66,它们的水化半径分别为0.272nm、0.299 nm、0.316 nm,自扩散系数分别为1.98×10~(-5)cm~2s~(-1)、1.04×10~(-5)cm~2s~(-1)、2.08×10~(-5)cm~2s~(-1)。结果表明,3种离子的水化能力顺序为:Cl~->Na~+>K~+,自扩散系数的计算值与实验值吻合较好。K~+、Na~+、Cl~-在海水中广泛存在,本文的研究结果可为海水资源的高效开发利用提供一定的理论基础。     

分子动力学模拟聚乙烯在碳纳米管表面的扩散

通过采用分子动力学方法模拟不同链长的聚乙烯分子在单壁碳纳米管表面的扩散,探究了聚乙烯的动力学性质。研究表明随着链长的增加聚乙烯在碳纳米管表面的扩散系数减小,且二者间存在明显的标度关系。聚乙烯在碳纳米管表面扩散的扩散系数和聚乙烯吸附在碳纳米管表面的构象有关,有序结构的聚乙烯比无序结构的聚乙烯在碳纳米管表面扩散的快。此外,由于受到碳纳米管吸附作用的影响,聚乙烯分子在平行于管轴和垂直于管轴2个方向上的扩散系数不同,扩散表现各向异性。