《蛋白質中靜電極化效應的理論與計算研究》是依託華東師範大學，由季長鴿擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：蛋白質中靜電極化效應的理論與計算研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：季長鴿
- 依託單位：華東師範大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
用量子力學的方法去描述蛋白內的靜電相互作用無疑是最為精確的。在過去的幾年裡，筆者著力將MFCC（帶共軛帽的分子碎片化方法）量子計算方法和基於Poisson-Boltzmann方程的隱式溶劑化模型結合起來，從而形成了能夠精確計算出蛋白質大分子在溶液中電子結構的MFCC-PB方法。本項目在繼承以前工作的基礎上，重點開展以下三方面的工作：（1）增加MFCC方案中的顯式水模組。對於比較重要的結構水以及第一溶劑化層中的水分子，進行額外處理。對於外圍水層，採取合適的平均化方案。（2）用全量子的方法計算蛋白-蛋白相互作用體系。挖掘在傳統分子力場方案下被忽視的靜電極化效應。（3）在MFCC-PB方法所計算的蛋白質電子結構的基礎上，擬合出蛋白可極化電荷。並以此電荷為基礎構建精確的勢能面，研究酶催化反應過程中的自由能變化。此工作有助於解決鹽橋等靜電效應對蛋白結合的貢獻正負與否等頗具爭議性問題。
結題摘要
通過廣泛細緻的理論與計算研究，我們獲得了極化在蛋白質動力學和熱力學方面影響的很多新理解。利用動態更新的蛋白質專一性電荷方法進行分子動力學模擬，我們研究了氫鍵在不同環境中的強度，發現氫鍵在疏水環境中強度會顯著增加，這揭示了氫鍵強度差異的本質原因。多數的極化效應來源於氫鍵的極化。在總結了極化效應在蛋白穩定性、蛋白-配體結合能力和蛋白-蛋白結合能力等多種生物過程中的影響，我們發現極化可導致兩種效應。一方面，偶極子之間相互極化會增加氫鍵在單個構型的強度，這是靜態極化效應。另一方面，蛋白質實際是在不斷運動的，其中的氫鍵時斷時續，極化效應會增加氫鍵的占有率，這是動態極化效應。以前的研究往往關注於靜態的極化效應，很少有人關注動態極化效應。基於“偶極子極化過程就是自能上升和與外場相互作用能下降之間的平衡”這一簡單的物理圖像，我們發展了一種新的可極化電荷模型。該新的模型繼承了傳統經典分子力場中使用的“有效電荷”的理念，並且引入了以前極化模型中的“浮動電荷”的概念。由於我們將“極化消耗能”這一項隱含地考慮在電荷相互作用中，我們的新模型方法很好地避免了以前極化模型中常出現的“極化災難”問題。目前在極化模型新方法的發展上取得了明顯的突破，我們打算在此電荷基礎上開發完整的新一代的極化力場方法，相關後續工作正積極展開。現已發表相關SCI論文14篇，其中1篇發表在JACS上，圓滿地完成了研究目標。
