哈密頓分子動力學模擬方法及其在蛋白質研究中的套用

《哈密頓分子動力學模擬方法及其在蛋白質研究中的套用》是依託浙江大學，由鄧茂林擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：哈密頓分子動力學模擬方法及其在蛋白質研究中的套用
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：鄧茂林
• 項目類別：面上項目

項目摘要

基於非線性隨機動力學與控制的哈密頓理論體系,提出與發展新的模擬方法-哈密頓分子動力學模擬方法，並將方法套用於蛋白質的若干隨機動力學問題的研究。針對當前布朗動力學模擬和朗之萬動力學模擬的不足，哈密頓分子動力學模擬方法結合了非線性隨機動力學理論與物理化學等學科，能更好地遵循物理化學的基本原理。通過改造非線性阻尼形式、環境激勵作用形式等方面來更清楚地描述大分子的隨機動力學系統。通過把新發展的哈密頓分子動力學模擬方法套用於酶蛋白分子上的能量分布、蛋白質穩定性和構象變換等課題研究，來開展能量回響、隨機穩定性和可靠性分析等方法和判據在蛋白質動力學領域的套用研究，既驗證所發展的新的模擬方法的有效性，又對蛋白質科學發展有所促進。在推廣研究成果方面，通過為分子動力學模擬軟體補充新的模擬方法，來為其他從事分子動力學模擬工作的科研工作者提供更有效的分析工具。

結題摘要

本項目選擇的課題是基於當前生命科學與數理科學的學科交叉趨勢而定的。分子動力學模擬一方面在蛋白質等生物大分子的研究當中起著越來越重要的作用，另一方面，其他諸如力學和化學等科學也將為改進模擬方法提供理論的和技術的手段。本項目利用非線性隨機動力學領域內的新成果，即哈密頓理論體系框架內的非線性隨機動力學的系列理論與方法，來改進基於標準布朗運動的傳統的分子動力學模擬方法，並將改進的模擬方法套用於蛋白質動力學行為的研究。本項目研究工作可分為兩部分，第一部分是關於哈密頓理論體系框架內的隨機動力學理論方法的研究，包括分數階布朗運動模擬方法的研究、分數階高斯噪聲激勵下擬哈密頓系統隨機平均法的研究、分數階高斯噪聲激勵下線性與非線性系統的精確回響研究等等。第二部分是套用分子動力學模擬對蛋白質動力學的研究，包括蛋白質-肽識別過程研究、蛋白質特殊結構域與多條肽鏈相互作用的研究。 在哈密頓理論體系內非線性隨機動力學的研究方面，本項目研究改進了分數階布朗運動的模擬算法，提高了計算效能。擬哈密頓系統隨機平均法被推廣到分數階高斯噪聲的激勵情形，平均後分數階隨機微分方程保留了原系統的動力學性質，方程維數大大降低，且模擬時間遠小於原系統的模擬時間。通過對分數階高斯噪聲激勵下線性系統回響的研究，以精確解的形式得到了均方回響，更重要的是可以解析地分析回響的長相關性，研究結果指出，線性系統對分數階高斯噪聲的位移回響保留了噪聲的長相關性，長相關指數仍然為2-2H，速度回響則不再具有長相關性。 在套用分子動力學模擬研究蛋白質動力學方面，本項目研究了20個蛋白質-肽複合物識別過程中的直接讀出能和間接讀出能。結果表明，在蛋白質-肽識別過程中，肽鏈的構型熵懲罰大於自身的變構能，而成為蛋白質-肽識別過程中間接讀出能的主要來源。研究說明了蛋白質-肽識別過程中肽鏈柔性的重要性，研究成果加深了對蛋白質-肽識別過程的認識，為肽鏈配體設計提供了指導。本項目還套用分子動力學模擬研究了EHD1蛋白上EH結構域與含不同模體的三條肽鏈之間的親和力，確定了范德華相互作用以及側面殘基形成的分子間氫鍵對結合的重要性，為EHD1蛋白上EH結構域的肽鏈配體設計提供了方向。