摘 要：分子動(dòng)力學(xué)是一門(mén)多學(xué)科且交叉學(xué)科，是物理、數(shù)學(xué)、化學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)的綜合技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展和完善，計(jì)算機(jī)在生物化學(xué)，物理，醫(yī)學(xué)各個(gè)領(lǐng)域都實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的革新，發(fā)展出計(jì)算生物學(xué)1、計(jì)算化學(xué)等多門(mén)新興學(xué)科，這些新技術(shù)和學(xué)科的發(fā)展革新使得科學(xué)家們可以成功的獲得在實(shí)驗(yàn)技術(shù)上尚無(wú)法獲得或很難獲得的很多重要的，分子動(dòng)力學(xué)模擬研究為科學(xué)研究提供了重要的參考、指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證某些理論和假設(shè)，從而降低試驗(yàn)工作的盲目性。

關(guān)鍵詞：分子動(dòng)力學(xué) 分子力場(chǎng) 分子動(dòng)力學(xué)模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：O41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）08（b）-0248-02

計(jì)算生物學(xué)的發(fā)展為科研工作者提供了全新的方法，不僅為實(shí)驗(yàn)技術(shù)提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)，也讓科研工作者獲得了實(shí)驗(yàn)上無(wú)法或者是很難得到的重要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，很大程度上提高了科學(xué)研究工作的效率，加快科技產(chǎn)業(yè)進(jìn)步的步伐。尤其是分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)，這一技術(shù)的發(fā)展十分的迅速，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域中。分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)實(shí)際上是計(jì)算機(jī)技術(shù)和理論物理學(xué)發(fā)展的結(jié)晶，它的理論和實(shí)踐依據(jù)已經(jīng)相當(dāng)?shù)貓?jiān)實(shí)，以下主要介紹該文采用的分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算的理論原理和計(jì)算方法。

1 分子動(dòng)力學(xué)模擬的理論基礎(chǔ)

1.1 分子力場(chǎng)

分子力場(chǎng)參數(shù)是分子動(dòng)力學(xué)模擬的基礎(chǔ)，在我們使用的分子力場(chǎng)中是采用波恩-奧本海默近似的方法，波恩-奧本海默近似是分子力場(chǎng)的基礎(chǔ)在1923年，由波恩和奧本海默提出來(lái)。他們提出，分子力場(chǎng)是速度和精度的折中，將分子的含有的能量近似的看成是分子中原子坐標(biāo)的函數(shù)，對(duì)于我們分析的生物大分子，因?yàn)樵谶m當(dāng)?shù)某叨确秶鷥?nèi)，計(jì)算的結(jié)果和量子化學(xué)幾乎是一樣的[1]。

分子力場(chǎng)是與兩部分參數(shù)有密切關(guān)系的：一是力場(chǎng)勢(shì)函數(shù)；二是勢(shì)函數(shù)的力場(chǎng)參數(shù)。我們根據(jù)不同的原子類(lèi)型，選擇不同的力場(chǎng)參數(shù)，并采用不同的勢(shì)能函數(shù)，正確的力場(chǎng)參數(shù)設(shè)置是保證計(jì)算準(zhǔn)確性的前提。力場(chǎng)參數(shù)一般包括原子的鍵長(zhǎng)、鍵角、二面角、原子的電荷、范德瓦爾斯半徑、原子量、勢(shì)函數(shù)的系數(shù)、等。這些參數(shù)可由量化計(jì)算或?qū)嶒?yàn)獲得。勢(shì)能函數(shù)是體系分子構(gòu)象與能量關(guān)系的函數(shù)，不同力場(chǎng)需要用不同的勢(shì)函數(shù)來(lái)表示。而常用的立場(chǎng)分類(lèi)見(jiàn)表1所示。

1.2 分子力學(xué)

在分子力場(chǎng)的作用下，通過(guò)一定的算法，找到體系能量最小的構(gòu)象，也就是說(shuō)分子力學(xué)是一種求能量最小的方法。在分子力場(chǎng)之下，分子內(nèi)部的化學(xué)鍵的鍵長(zhǎng)鍵角等都會(huì)自我調(diào)整，是其處于最自然的狀態(tài)，也同時(shí)使得非鍵相互作用處于能量最小的狀態(tài)，以此獲得原子的最佳分布[2]。

分子力學(xué)的一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域就是分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，在理論物理的研究中，將能量最低的結(jié)構(gòu)構(gòu)象視為最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)構(gòu)象，也就是在分子力場(chǎng)中，我們計(jì)算并找到這個(gè)能量最低點(diǎn)的過(guò)程稱(chēng)為能量的最小化，能量最小化的過(guò)程我們一般采用一級(jí)微商算法。

這個(gè)方法主要是通常以原子的某一位置開(kāi)始，通過(guò)漸漸的改變?cè)幼鴺?biāo)，使的分子逐漸走向最低能量構(gòu)象的分子力學(xué)方法，通過(guò)這一方法我們可以得到較為可靠的結(jié)果。一級(jí)微商算法主要包含了兩種算法，即最陡下降法與共扼梯度法。以下分別介紹這兩種方法。

第一種：最陡下降法。

最陡下降法（梯度下降法）是能量最小化的第一步，這一方法是運(yùn)用梯度下降的方法來(lái)尋找能量的局域能量的極小值。最陡下降法方法是一種一次求導(dǎo)法，如果取與能量正梯度成比例的位移，說(shuō)明達(dá)到能量的局域最大值。它在當(dāng)前點(diǎn)取與能量負(fù)梯度（或者近似梯度）方向成比例的位移。這一方法的優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)化幅度大，算法較簡(jiǎn)單，它的缺點(diǎn)是搜索階段的步長(zhǎng)大，收斂較慢，往往兩個(gè)相繼的移動(dòng)方向是正交的，但是由于這一方法的優(yōu)勢(shì)度大，即使一個(gè)較差的初始結(jié)構(gòu)，常常也能得到局域最小值作為最小化的第一優(yōu)化步驟[3]。

第二種：共扼梯度法。

共軛梯度法也是一種一次求導(dǎo)法。與最陡下降法不同，這種方法具有二次終止性。這種方法具有較快的收斂速度，不是僅選擇能量的負(fù)梯度方向，而是負(fù)梯度方向與上一次迭代方向的線性組合。缺點(diǎn)是分子的初始結(jié)構(gòu)有比較高的要求，因此，我們采用最陡下降法為第一步能快速的獲取較好的局域最小結(jié)構(gòu)，共軛梯度法為第二步能是優(yōu)化盡快收斂。

1.3 分子動(dòng)力學(xué)

Martin Karplus C是分子動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人，因其首創(chuàng)了分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件CHARMM軟件。由于他在分子動(dòng)力學(xué)模擬方法上的突出貢獻(xiàn)，獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。分子動(dòng)力學(xué)模擬是統(tǒng)計(jì)物理，同時(shí)又結(jié)合了數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、化學(xué)等多門(mén)學(xué)科的交叉和融合。這一方法已經(jīng)作為一種十分重要的研究手段，廣泛應(yīng)用到各個(gè)學(xué)科研究領(lǐng)域[4]。

分子動(dòng)力學(xué)模擬的步驟主要包括了以下四步。

第一步初始構(gòu)型確定，在我們模擬的生物大分子體系中，在模擬體系的要求是能量最低的構(gòu)象，也就是結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定的構(gòu)象，這一結(jié)構(gòu)最為接近我們模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。為了達(dá)到這個(gè)目的，我們使用的是分子力學(xué)和量子力學(xué)的方法來(lái)優(yōu)化模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。方法是在起始的構(gòu)象確定好之后，體系中的原子在溫度恒定的前提下，以玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)部分速度，這一體系要求在各方向上的動(dòng)量和為0，以此保證體系沒(méi)有發(fā)生位移，這樣確保在隨機(jī)的生成各個(gè)原子運(yùn)動(dòng)速度之后得到調(diào)整。

第二步平衡相，在第一步中己經(jīng)確定的模擬體系，我們將進(jìn)行平衡相的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，我們需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)的溫度形態(tài)等各項(xiàng)參數(shù)[5]，同時(shí)需要判斷模擬體系是否己經(jīng)達(dá)到平衡。

第三步生產(chǎn)相過(guò)程，經(jīng)過(guò)第一步的初始結(jié)構(gòu)確定和第二步的平衡相過(guò)程之后，我們將動(dòng)力學(xué)模擬體系進(jìn)入到生產(chǎn)相的過(guò)程中。在這個(gè)過(guò)程中，模擬體系中的分子和原子會(huì)以初始速度開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，體系中的原子的相互作用力可以讓我們計(jì)算出各個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，接下來(lái)我們從這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的粒子運(yùn)動(dòng)軌跡中抽取計(jì)算分析時(shí)所需要的數(shù)據(jù)和樣本的構(gòu)象。

第四步將用動(dòng)力學(xué)模擬軟件模塊來(lái)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析處理，得到相關(guān)重要數(shù)據(jù)。

2 結(jié)語(yǔ)

分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)是一種確定論的熱力學(xué)計(jì)算方法，與其他方法相較而言，具有更高的準(zhǔn)確性，有效性和實(shí)用性，在生物醫(yī)藥領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。尤其是藥物的設(shè)計(jì)，目前根據(jù)虛擬受體和三維定量構(gòu)象關(guān)系可以將已知的藥物參數(shù)和藥效擬合為一定的定量關(guān)系，以此為根據(jù)來(lái)尋找新的藥物[6]。在未來(lái)的20年將成為蛋白質(zhì)和藥物設(shè)計(jì)突飛猛進(jìn)的時(shí)期，一方面是研究方法的不斷更新，另一方面是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)庫(kù)的不斷更新和擴(kuò)大，各學(xué)科技術(shù)的進(jìn)步將為生物醫(yī)藥領(lǐng)域提供更加強(qiáng)大的技術(shù)支持，為人類(lèi)進(jìn)一步了解和戰(zhàn)勝各種疾病帶來(lái)了希望。

參考文獻(xiàn)

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