粗粒化模拟及其在生物膜研究领域的应用

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1、《生命的化学》2010年30卷3期·438·●MiniReviewCHEMISTRYOFLIFE2010，30(3)文章编号:1000-1336(2010)03-0438-06粗粒化模拟及其在生物膜研究领域的应用张志勇尹大川卢慧甍西北工业大学生命科学院、空间生物实验模拟技术国防重点学科实验室、西北工业大学特殊环境生物物理学研究所，西安710072摘要：粗粒化模拟方法是近年来迅速发展的一种计算模拟方法，可实现复杂生物体系长时间和大尺度的模拟。本文介绍了该方法的模拟思想，实现途径以及在生物膜研究领域的相关应用，并对粗粒化方法未来的发展进行了展望。关键词：粗粒化；计算模拟；生

2、物膜中图分类号：Q54；Q731.引言在分子动力学模拟中，以原子为基本单元的模在过去二十多年间，计算模拟方法迅猛发展，拟称为全原子模拟，对应的模型称为全原子模型。生物学领域的研究也从中得益。分子动力学模拟是全原子模拟能够模拟大约102~106个原子，模拟的时计算模拟方法的一种，它先界定模拟体系中各基本间尺度大约是纳秒级别。全原子模拟主要研究单个单元的理化属性及其相互作用关系，再给定模拟体生物大分子在不同生理条件下的结构和功能变化。系的初始状态，包括各基本单元的初始位置和初始然而，细胞内相互作用过程(例如，蛋白质-蛋白质速度，在相互作用关系下通过时间积分获得各基本对接，配

3、体结合位点构象的变化，大分子折叠等)往单元的运动状态和运动轨迹，经过足够长的时间，往涉及大量不同类型的生物分子以及生物分子的集使模拟体系达到平衡状态后，就可以采用统计物理体运动，持续时间常常超过微秒以至毫秒级别[2]。对学的方法提取感兴趣的统计量，例如模拟体系的温此，传统的全原子模拟难以实现。因此，通过简化度、压力和自由能等，用来表征和分析模拟体系在全原子模拟的细节来减少模拟体系的自由度，进行不同尺度上的运动行为和运动特征[1]。分子动力学长时间大尺度的模拟方法——粗粒化(coarsegrained,模拟可研究较为复杂的体系的变化，例如蛋白质在CG)模拟方法应运而生。水

4、溶液中的构象变化，这些变化用常规手段难以观粗粒化模拟方法在生物膜研究领域应用广泛。察和分析。分子动力学模拟还用于沟通理论和实践，一方面生物双分子膜可由脂质分子自组装形成，结检验实验结果。目前，该手段已经广泛应用于物理构比较简单，脂质分子双极性特征比较明显，而且学、化学、材料科学和生命科学领域，成为一种重数量众多，特别适合粗粒化模拟研究。另一方面生要的科研工具。物膜在生物代谢过程中作用巨大，生物膜的组成成分、结构和状态的改变都会影响生物膜的通透性、收稿日期：2010-01-26选择性，甚至影响膜蛋白的结构，进而影响生物膜国家博士点基金(200806990011)、国家自然

5、科学基金内外的物质交换以及信息传递。(10772150)、教育部“新世纪优秀人才支持计划”项目(NCET-06-0885)、西北工业大学基础科研重点项目的资助、2.粗粒化模拟简介国家863重点项目(2008AA12A220)、中国博士后科学基金粗粒化模拟的思想是：适当简化模拟体系的细(20070421131)、西北工业大学科技创新基金(2007KJ01016)节，换取模拟计算的效率。“细节”与“效率”这两资助作者简介：张志勇(1984-)，男，硕士生，E-mail：个方面互为矛盾，需要认真权衡。一方面不能过于zhangzy@mail.nwpu.edu.cn；尹大川(19

6、69-)，男，教授，博导，简化，因为更少的体系参数难以包含准确有效的相通讯作者，E-mail：yindc@nwpu.edu.cn；卢慧甍(1979-)，男，互作用关系，致使模拟结果无法反映模拟体系的主讲师，博士后，E-mail：luhuimeng@nwpu.edu.cn《生命的化学》2010年30卷3期●小综述·439·CHEMISTRYOFLIFE2010，30(3)要特征；另一方面也不能紧盯细节不放，致使模拟级别的不同，一组原子的数目也不相同，一般是4~6体系的主要特征淹没在无穷的细节之中，并且浪费个非氢原子，对于特殊的化学基团，数目有所调整[6]。有限的计算资源。

7、因此，粗粒化模拟是有级别的，需通过把一组真实的原子摯虬鼣成珠子，粗粒化模型要根据研究对象的特征来确定粗粒化模拟的级别，能够显著降低模拟体系基本单元的数量。例如，一不同级别的粗粒化水平代表准确性与效率性之间不个氨基酸分子通常被映射为2~6个珠子。随着珠子同程度的折衷。数目的降低，粗粒化方法能够模拟更大的体系。为受此思想影响，多种粗粒化方法得以发展应了使模型简单有效，灵活应用于不同的生物体系，用。例如专为蛋白质折叠提出的Gô模型[3]，把一个该模型定义了四种主要类型的珠子，每种主类下又氨基酸简化为一个“珠子”，根据氨基酸亲水疏水性分为若干亚类