基于Partition-Iterative Quantum方法计算体系电荷的研究

来源 :辽宁师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liangwang112
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分子力场使用经验势函数来描述体系中原子核之间的相互作用。基于分子力场的分子动力学模拟在生物大分子动态行为的研究中扮演着重要角色。在分子力场中,一般认为非键相互作用是由范德华相互作用和静电相互作用组成,采用固定点电荷的库伦势来计算静电相互作用。这种方法的优点是计算效率高,但在某些情况下,不能准确描述极化效应、电子云分布各向异性等静电性质。对特定构象执行量子化学计算和Population analysis可以得到更为准确地结果,但其计算时间会随体系原子数目的增加迅速增加,难以应用到分子量大的生物体系中,因此得到一种可以体现体系结构并得到体系中原子电荷的计算方法就显得非常必要。  为了能够高效的获得可以响应环境变化的原子电荷,本文发展了一种基于体系划分和对子体系进行量化计算的迭代策略,用于计算大分子体系中不同构象的原子电荷。我们称之为Partition-Iterate Quantum(PIQ)方法。在此方法中,首先将体系划分成若干分子片段,选择其中一个分子片段为目标分子,以其他分子片段的原子电荷作为背景电荷,通过高精度的量子化学计算得到目标的原子电荷。之后,重新选择体系中的目标分子,以之前得到的其他分子片段的原子电荷作为背景电荷,计算目标分子的原子电荷,如此反复,当整个分子体系中所有分子片段的原子电荷不改变时,完成迭代计算。通过将所有分子片段的原子电荷统计,得到体系的原子电荷。  本文将上述计算策略应用到蛋白质、核酸、水分子和离子两两搭配组成的复合物体系中。通过与完整体系的直接量化计算结果比较,系统地探讨了这种方法在不同体系下的精度和计算效率。除了包含个别离子的体系外,PIQ方法可以得到与直接量化计算结果相近的原子电荷,而且在很大程度上提高了计算效率,节省了计算资源。本文还研究了原子电荷不同初始化方式对PIQ方法收敛性的影响。对不包含离子的体系,不同初始化方法的收敛效率的顺序是:在无背景电荷下对分子片段进行量化计算、CHARMM分子力场中的原子电荷、随机分配的电荷。而在包含离子的体系中,三种电荷初始化方式的带来的PIQ方法收敛性是大致相同的。  综上所述,PIQ方法可以比较高效且较精确的计算生物大分子体系的原子电荷,此方法可以应用到力场发展、构象静电性质计算和虚拟筛选等领域中。
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