基于化学键偶极的可极化分子力场方法的建立

The development of high precision molecular force field to accurately simulate and understand the mechanism of protein folding, and to grasp the molecular recognition process in biomolecule systems is of great scientific significance..In this project, we are going to further develop our polarizable dipole-dipole interaction model to evaluate biomacromolecules such as proteins, by including the bond, angle and dihedral energy terms. In order to construct this new high-precision polarizable molecular force field, selected organic and biological molecules are choosen as training set. The relevant parameters will be optimized by fitting the QM conformational potential surfaces, and the corresponding computational code will also be programmed. .Compared with the existing molecular force field, the molecular force field proposed in this project has the following innovations: 1, the use of chemical bond dipole rather than atomic charge or atomic multipole moment describes the electrostatic effect, 2, the explicit consideration of the covalent component that may be present in the non-bonded interactions. Therefore, the molecular force field parameters established in this project are less than the existing force field method, but the accuracy can be higher..The completion of this project will provide a more accurate molecular force field method and also computational program for the simulations on protein folding process and protein-ligand molecular recognition process.

发展高精度分子力场对准确模拟进而正确理解和认识蛋白质折叠机制、准确模拟进而深入理解生物分子体系中的分子识别过程有着重要的科学意义。.本项目拟以蛋白质复杂生物大分子体系为对象，进一步发展我们提出的可极化偶极-偶极作用模型，使之包括分子内作用项，即键长、键角、二面角作用项，从而构建新的高精度可极化分子力场，选取合适的有机和生物分子为训练集，通过拟合训练集模型分子构象的QM势能面，优化确定所需相关参数，完成分子力场计算程序的编写和调试。.与现有分子力场相比，本项目建立发展的分子力场有如下两点创新：1，使用化学键偶极矩而不是原子电荷或原子偶(多)极矩描述静电作用，2，明确地考虑了非键作用中可能存在的共价成分。因而本项目建立的分子力场参数较现有力场方法更少，但是精度却可以更高。.本项目的完成将为蛋白质折叠过程、蛋白质-配体分子识别过程的分子动力学模拟提供精度更高的分子力场方法和计算程序。

发展高精度可极化分子力场对准确模拟进而正确认识和理解蛋白质折叠机制和生物分子体系中的分子识别过程有着重要的科学意义。.在本课题组前期提出的可极化偶极-偶极作用模型基础上，本项目构建了基于化学键偶极的高精度可极化分子力场(Polarizable Bond-dipole-based Force Field for Proteins，以下简称为PBFF)。优化确定分子力场所需相关参数。完成分子力场计算程序的编写。.进而针对多肽构象相对稳定性、多肽氢键二聚体分子间相互作用强度、以及水分子团簇的三体极化作用强度进行了计算测试，并与高精度量子化学计算方法以及著名的AMEOBA可极化分子力场方法的计算结果进行了比较。测试结果表明：无论在计算精度还是在计算效率上，本项目建立的PBFF力场比AMOEBA力场都有较大优势：对较大的多肽分子构象的相对稳定性、氢键二聚体的分子间相互作用能、以及三体极化作用能的计算显示：本项目建立的PBFF力场的计算结果与MP2/aug-cc-pVTZ的计算结果符合较好，计算精度优于著名的AMOEBA分子力场的计算精度。对水分子团簇的三体极化作用能的计算结果显示：PBFF方法的计算精度明显优于AMOEBA方法。PBFF可极化分子力场的计算效率明显优于AMOEBA可极化分子力场。.PBFF力场具有如下鲜明特色：用极性化学键偶极代替原子点电荷，使用化学键偶极间的偶极-偶极作用来描述静电作用。由于分子中极性化学键的个数远少于原子个数，因而PBFF可极化分子力场需要计算的静电作用项远少于AMBER、AMOEBA等力场的静电作用项；又由于偶极-偶极作用与距离的3次幂成反比，而原子点电荷间的库伦作用与距离的1次幂成反比，因而PBFF力场的静电作用随距离很快衰减为零。所以PBFF力场效率更高。.本项目建立的PBFF可极化分子力场方法可望为蛋白质分子模拟以及药物分子设计领域提供新的研究工具。