构建和发展先进的新一代可极化分子力场- - 探索和模拟复杂分子体系结构性能的新方法

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
21133005
项目类别：
重点项目
资助金额：
280.0万
负责人：
杨忠志
依托单位：
辽宁师范大学
学科分类：
B0301.化学理论与方法
结题年份：
2016
批准年份：
2011
项目状态：
已结题
起止时间：
2012-01-01 至2016-12-31

项目参与者：
赵东霞；宫利东；王长生；李慎敏；于春阳；徐珍珍；杜霞；汪建江；马丽；
关键词：
新力场方法与量子力学方法以及与介观粒子模拟方法的结合复杂分子体系分子动力学模拟新一代分子力场方法新程序及并行化与GPU程序化溶剂化自由能和结合自由能

项目摘要

构建一个最先进的新一代可极化分子力场方法，发展新一代原子与键浮动电荷分子力场（ABEEMσπ）的基本模型和方法，对其精度要求达到ab initio MP2水平，使其包含常见的大多数原子和大多数键的类型，覆盖第四、第五、第六周期的原子（特别是过渡金属原子）和相关键的类型。探讨溶剂化自由能和结合自由能计算的新方法，发展分子体系总能量计算的新方法。根据新力场模型的特点，设计和建立合适的方法，以处理和模拟涉及化学键形成和断裂的过程。建立使新浮动电荷力场方法与量子力学方法完美结合的方法，包括考虑适当引入量子效应。建立模型和方法，以实现ABEEMσπ分子力场与介观耗散粒子动力学模拟方法的有效连接。设计和发展分子体系分区的计算新方法，编制新可极化力场的程序，以及实现并行化与GPU程序化。在ABEEMσπ框架下，尝试探讨激发态问题。模拟复杂分子体系的性能：蛋白质折叠，分子识别和对接，酶反应，自组装过程等。

结项摘要

我们努力构建一个最先进的新一代ABEEM可极化分子力场，重要进展如下：.1. 发展理论模型和方法。在我们ABEEM模型中，围绕一个原子的电荷分布合理，是空间各向异性的，不需要迭代计算，使我们的模型和方法优于现有的其它极化力场（包括最好的AMOEBA极化力场）。提出参考电荷，能够很好处理生物分子体系（包含所有过渡金属蛋白质），在确定电荷分布和偶极矩、优化几何结构和描写相互作用能等方面，其精度达到从头算 MP2水平。.2. 应用ABEEM极化力场，对多肽(同源二肽和三肽)构象进行了精密研究，与精密从头计算结果达到一致，明显优于其它分子力场的结果(包括AMOEBA极化分子力场)，计算速度也快。以缬氨酸三肽为例，我们的ABEEM极化分子力场搜索到34个稳定构象，与ab initio方法符合一致，而OPLS和AMBER力场只能分别23个和15个稳定构象，AMOEBA极化力场搜索到17个稳定构象。.3. 研究分子间的相互作用，包括碱基、氧化碱基、多肽、水等大量分子体系，进行ABEEM极化力场研究，得到的结构、偶极矩和相互自由能等的结果，都达到ab initio MP2水平。.4. 建立模型和方法，从微观ABEEM浮动电荷极化力场出发，计算介观耗散粒子动力学（DPD）的重要参数，实现了从微观到介观方法的有效连接，成功进行了自组装过程模拟。考察ABEEM极化力场和QM结合，对一个含Ru的药物体系的作用机理进行了模拟，包括自由能计算，获得有价值的信息。.5. 首次提出PAEM-MO图(PAEM是分子中的单电子作用势)和键心的概念，提出定量的判据，明确给出化学成键和van der Waals作用的区别，为发展极化力场、为探讨凝聚态的分子体系中的非共价相互作用和成键作用、极化和电荷转移等提供了新的理论方法。.6. ABEEM极化力场和相关程序，是按照我们自己的公式方法自行编制、调试的，程序包将申请专利。