登陆注册
8392100000008

第8章 可极化静电势分子力场(4)

通过对方程(2-40)进行能量最小化,就会得到每一个变量Aq,B的解。但是如果这样,就等于没有对变量进行边界条件的限制,此时通过最小化得到一系列的线性方程组:

如果对浮动电荷变量Aq进行限制,使每一个分子都保持电中性,可以通过Lagrange乘因子的方法来处理,或者对一约化系列的非限制性变量q"进行转换,并可以找到矩阵C,使得Cq"q,在此时方程的解为:

此方法在计算长程相互作用时,用简单的库仑相互作用表示,对短程采用屏蔽库仑相互作用。当BB"r小于BB"K时,这种屏蔽相互作用采用的是有效距离BB"K而不是真实距离BB"r。

实际上,截断半径大小等于两种原子类型的半径之和,每一种原子类型的截断半径都可以通过拟合得到。

通过在分子周围步设网格点,采用了最小二乘法拟合从头计算静电势的方法来拟合参数。对分子的每一个构象,都进行了一系列的静电微扰v(r):

网格点的位置,KΦ是由于外势的微扰,在网格点k处的静电势变化,如果上式用矩阵表示为ΦRq,AB,qq,那么。参数的拟合就归结为对误差函数2的最小化问题,对所有的微扰求和,假设变量q是非限制的;拟合的一个重要条件就是矩阵J必须是正的有限值,以至于以上方程能找到最小值,而不至于造成“极化塌陷”,由于通过网格点拟合静电势不够稳定,因此可以通过矩阵的奇异值分解法,或者通过误差函数、退火和共轭梯度法来拟合参数。

2002年,Kaminski等人提出了相对于以上模型相对简单的键增加电荷与诱导偶极相结合的静电势模型[105],同时偶极位点不仅包括原子,而且扩展到氧的孤对电子,拟合精密的从头计算结果,建立了第一代完全的蛋白质极化力场,应用于气态的多肽构象研究。首先,他们把关于位点i的诱导偶极矩i能量表达为:

方程的二次项是我们熟悉的诱导偶极矩的自身能量;i是位点i的偶极极化度;一次项系数i表示位点i的内禀电场的负值,也就是说,在没有其它位点电场的情况下,电场依然存在,实质上是对一个孤立分子引进了一个永久偶极矩。那么,在该模型下的极化静电势能的表达式就可以表达为:

键增加电荷,在键相邻的原子上分配一定的电荷,同时在外势变化时候电荷可以在键相连的原子间转移,电荷变化量相等,同时也可以保证分子呈电中性;ijklJ,是位点i,j和k,l键增加电荷之间相互作用的耦合标量元。

是位点i,j键增加电荷与在位点k处偶极相互作用的耦合矢量元。

表示位点i和j的偶极之间的相互作用的耦合二级张量。

通过对方程(2-54)总能量的最小化,从而求得偶极矩,那么就要求:

对以上方程可以通过自洽场方法,或者矩阵对角化方法来求解,文章中提到了如何解决在诱导偶极模型的极化塌陷问题,他们指出:虽然目前没有使用静电屏蔽作用,但是,Lennard-Jones势能项可以防止其发生。偶极矩可以赋以虚质量和动能,利用Lagrangian方法对空间坐标进行积分。

2.3.4极化力场小结

以上我们介绍了三种应用于蛋白质体系的极化力场,它们都毫无疑问地为我们提供了一些更加有效的模型来描述和计算生物蛋白质分子内和其在溶液中的静电极化,解释和计算了通常固定电荷力场所不能描述和计算的现象和物理量。该模型把诱导偶极表现为一个无质量虚电荷位点(Drude位点),通过一个假想弹簧与原子位点相连,连接两个位点的向量由极化位点的极化率决定,该方法在计算方法和计算效率上较诱导点偶极模型有显着提高,但该模型的物理本质不明朗,其模拟结果同诱导偶极模型相当。那么,各种不同的模型既有共同之处,也有各自不同的特点,下面我们就以氮甲基乙酰胺分子为例加以讨论:

1.诱导偶极模型利用分子偶极矩来拟合原子偶极极化度参数,参数拟合相对简单,而且能有效地利用实验极化度数据,该模型能更好地符合实验值,如果采用各向同性极化度,需要12个原子固定电荷参数和12个原子各向同性极化度参数,相对多极模型,它的参数较少,但是该模型无法描述不同方向极化差异;使用各向异性的偶极极化度,就会需要12个原子固定电荷参数和36个原子各向同性极化度参数,这时计算量与其偶极位点个数的9倍成正比,计算变得更加复杂。Ponder等人的诱导多极模型,虽然能够更好地描述分子的极化,尤其在存在氢键和共轭的体系,但是计算量会大大增加,对于像蛋白质这样的大分子体系来说,计算实在存在一定困难。

2.无论是诱导偶极或者是多极模型,他们都没有考虑到在外场的作用下,或者是分子自身构象变化时,分子内部和分子间的电荷转移,实际上这种影响在生物体系中非常重要。

3.Rick的浮动电荷模型,采用Mulliken孤立原子的电负性和硬度,屏蔽库仑势采用原子Slater轨道库仑重叠积分的方法,该方法对限制性体系(刚性,如键长固定)的计算是合理的,在模拟初始时计算一次,之后就采用不变屏蔽势,但是对于非限制性体系来说,计算量很大,很难适用;该方法只考虑了沿着化学键方向的电荷极化,对非共面或分叉氢键等都不能体现有效合理的极化。但总体来说,该模型的提出是第一次把浮动电荷模型应用到力场中,具有里程碑的意义。

4.CHARMM浮动电荷模型,它在模型上采用了Rick模型,不同之处在于,采用了半经验的屏蔽库仑势,比轨道重叠积分方法简单,大大地减少了计算时间;另外,他们还采用了线性响应方法来拟合电负性和硬度参数。该方法也只考虑了沿着化学键方向的电荷极化,对非共面或分叉氢键等都不能体现有效合理的极化。但是,他们提出了利用分子或体系极化度来拟合硬度参数的方案,如果设置非原子中心点电荷,如孤对电子和π电荷,利用各向异性分子极化度就可以解决以上弊端。

5.浮动电荷和诱导偶极相结合的静电势模型,从原理上讲,它既考虑到了外势变化体系内部的电荷转移,又体现了各向异性的静电极化,利用线性响应模型确定参数。为我们提供了一个很好的极化力场静电势模型。但是,该模型的参数确定和静电势的计算都很复杂,对于一个NMA分子而言,需要12个电负性和12个硬度参数,还需要36个各向异性极化度参数,计算量与浮动电荷点的个数的平方成正比,与偶极点的个数的9倍成正比,对于蛋白质体系来说运算量太大。所以说,我们应该平衡考虑计算的精确度和计算量,目前也没有足够的证据证明该模型的计算结果相对其它模型有明显的优势。

6.Kiminski等人的浮动电荷和诱导偶极模型,在Stern等人的模型的基础上,采用了键增加电荷,也就是说,只考虑相临成键原子间的电荷转移,从而简化了模型;另一方面,他们又增加了氧原子的孤对电子区域的诱导偶极位点,可以更好的描述氢键作用。但是目前他们仍旧只是采用了固定的键增加电荷,浮动电荷点也只是放置在原子位置上,没有放置孤对电子和电荷位点,尽管使用了氧原子的孤对电子区域的诱导偶极位点,但是不能忽略电荷的转移极化;另外,只考虑成键原子间的电荷转移也是不太合适的。

同类推荐
  • 环球水怪之谜

    环球水怪之谜

    本书详细记录了英国的尼斯湖水怪、美国的尚普兰湖水怪及中国的文部湖水怪、哈纳斯湖水怪、青海湖水怪、长白山天池水怪等。从全球的种传说及调查结果来阐述对水怪的理解。书中语言简练、通俗易懂,使青少年朋友看起来更加形象生动,足使搜奇探秘者和水...
  • 科学博物馆

    科学博物馆

    台湾国立自然科学博物馆位于馆前路,健行路、西屯路、三中路交会处,是国内第一座科学博物馆,属十二项建设“文化建设”之一,占地广大。全馆拥有最现代化的科学设备,规模可与其他先进国家比美。馆内可分科学中心、太空剧场、立体剧场、资讯大楼、生命科学厅、中国科学厅、地球环境厅等建筑,馆内的陈设结合科学资讯与声光效果,达到寓教于乐的效果。太空剧场是一个内部倾斜30度的半球体空间,全天候影片放映,身历其境的感受,是最受游客欢迎的项目之一。
  • 八大行星(新课程百科知识)

    八大行星(新课程百科知识)

    本书讲述了地球、水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星八大行星的知识。
  • 求知文库-太阳与照明秋色平分

    求知文库-太阳与照明秋色平分

    清晨,当你站在茫茫大海的岸边或登上五岳之首的泰山,眺望东方冉冉升起的一轮红日时,一种蓬勃向上的激情会从心底油然而生。人们热爱太阳,崇拜太阳,赞美太阳,把太阳看做是光明和生命的象征。
  • 谁会是下一个牛顿:最让人受启发的物理现象

    谁会是下一个牛顿:最让人受启发的物理现象

    本书主要内容包括:无处不在的力、怎样让溜冰鞋一直滑下去、苹果为什么不掉到天上去、人体重心揭秘、羽毛和铁块会同时落地吗、“不倒翁”不倒的秘密等。
热门推荐
  • 我被系统变小了

    我被系统变小了

    “欢迎来到系统。”“您可通过完成任务获取经验点”
  • 延缓衰老您也能做到

    延缓衰老您也能做到

    让衰老的过程缓慢一点,让生命质量提高一些。一方面,需要老年医学工作者的探索研究;另一方面,需要老年人自己学习掌握一些科学知识,指导生活。朱志明教授是我国第一代老年医学家,由他和他的同事们经20余年的科学研究,完成世界上首次追访长寿老人时间最长的科学调查,探索出一些值得老年人借鉴的长寿经验。老年人若能按照专家们研究总结的科学长寿方法,在日常生活中注意养生保健,不仅能给自己带来健康幸福的晚年,同时,也为子女解除后顾之忧,为社会做出贡献。
  • 执剑者挽歌

    执剑者挽歌

    在蒸汽腾升的世界里,一群可怜虫聆听着挽歌,一步步迈向疯狂与失去理智的道路。一点蒸汽朋克,一点克苏鲁,一点基金会还有很多不同的一点组成的故事。
  • 武限轮回

    武限轮回

    被人打死之后发现自带无限轮回,可以保存修为重回过去,这操蛋的生活还要继续?不过,这不等于送了我无数条命吗?既然如此,何不如嚣张一世!
  • 超级修真养成系统

    超级修真养成系统

    平凡男子肖依凡,无奈拥有主角光环,获得超级修真养成系统,“诶!主角光环,看样子我是要转运的人”,无奈怎么转入这么多离奇的事件,“不是说好转运的嘛!这应该叫倒霉系统吧!”
  • 不放手是我最后的挽留

    不放手是我最后的挽留

    向缘与奈何相识在大学,也许最好的爱情就是你的梦想是舞台,而我的梦想是绘画,你的光芒万丈恰巧是我灵感的源泉,男主并非高冷确实在霸道,女主温柔却内心敏感,在大学时光兜兜转转,跌跌撞撞,他们邂逅了很多,亦有过太多的误会,男主爱的轰轰烈烈,女主爱的深沉。愈是深沉愈是有太多言不由衷。最后,梦想开花,可他们,是否会坚守初心
  • 修真之任逍遥

    修真之任逍遥

    我是谁?我是这个世界上最牛的不服从管理的人!我不做管理者因为是懒,我不服从管理是因为我强大。我不飞升仙界是因为地球是我的家,我不成仙因为我是人。
  • 归属于他的温柔

    归属于他的温柔

    “你……”祁衿不敢相信地看着他,眼里泪花闪烁着惊讶,还有喜悦。“你好,我叫于燃。”心底的不安,仿徨与牵挂,都在接触到他温柔目光的一刹,转化为和煦的春风,轻穿过心堂。“我回来了。”——人的一生会遇到两个人,一个惊艳了时光,一个温柔了岁月。对于祁衿来说,于燃两者都占。
  • 墨肯大陆

    墨肯大陆

    一个叫菲灵小队在墨肯大陆的冒险故事,且看克莱因怎么成为冒险之王
  • 紫瞳境界之故地重游

    紫瞳境界之故地重游

    三万年前,他被誉为西隅帝国第一剑圣,手持一把长剑,拯救人类于水火之中。历经无数坎坷,数万年光景,整个西隅帝国都在以各种悬赏来招募奇人来宰杀魔兽,驱赶邪魔。