金属离子力场参数开发及其在超分子化学中的应用

发布时间：2021-05-26 18:10

　　金属和金属离子在自然界中无处不在,并且拥有庞大的化学多样性。由于金属具有低电负性,易于电离并且具有高度反应活性,使得它们可以参与许多独特的反应或催化过程。金属及其离子在化学、地球化学、生物化学以及材料科学等领域发挥着极其重要的作用。蛋白质数据库（PDB）中大约三分之一的结构含有金属离子。在超分子化学中,各种各样由金属离子配位作用而形成的纳米超分子是重要的分子容器。然而,在目前的经典力学模拟手段中,金属离子的参数化模型仍然存在很多问题,这严重制约了人们对由蛋白-辅因子主导的生物过程以及金属配位诱导的超分子化学的理论研究。本论文结合数学、计算机科学以及生物信息学的理论和方法,研究了以下问题:（1）如何用经典力场较准确地描述金属辅因子与蛋白的相互作用;（2）如何正确描述金属配位纳米胶囊的自组装以及客体封装行为。本论文的工作为超分子化学的理论研究（建模与模拟）提供了新的方法和知识。论文的主要工作如下:1.Mg2+离子的虚拟原子（CaDA）模型参数的精炼。我们提出了一个简单可靠的用于精炼CaDA模型范德华作用参数的算法,并用该算法成功优化了前人提出的Mg2+CaDA模型的参数。在进行参数精炼的时... 

【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：173 页

【学位级别】：博士

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摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 超分子体系概述
        1.1.1 生物大分子体系中的超分子
        1.1.2 分子容器
    1.2 分子模拟方法概述
        1.2.1 基于量子力学的模拟方法
        1.2.2 基于经典力学的模拟方法
        1.2.3 溶剂模型
        1.2.4 周期性边界条件与长程静电作用
        1.2.5 自由能的模拟计算
    1.3 含金属离子体系的计算机建模
        1.3.1 金属离子的重要性
        1.3.2 计算机建模的重要性
        1.3.3 含金属离子体系建模的困难与挑战
        1.3.4 含金属体系的量子力学建模
        1.3.5 含金属体系的经典力学建模——非键模型
        1.3.6 含金属体系的经典力学建模——共价连接模型
        1.3.7 含金属体系的经典力学建模——虚拟原子模型
    1.4 论文思路和研究内容
第二章 Mg~(2+)虚拟原子模型力场参数的精炼
    2.1 引言
    2.2 方法
        2.2.1 本研究中使用的力场
        2.2.2 本研究中使用的实验值
        2.2.3 精炼力场参数的方法
        2.2.4 模拟参数及条件的设置
        2.2.5 水合自由能计算方法
    2.3 结果与讨论
        2.3.1 参数精炼过程与结果
        2.3.2 参数的测试与比较
    2.4 小结
第三章 六配位二价金属阳离子的虚拟原子模型力场参数开发
    3.1 引言
    3.2 方法
        3.2.1 本研究中使用的力场
        3.2.2 本研究中使用的实验值
        3.2.3 分子模拟参数及条件的设置
        3.2.4 水合自由能计算方法
        3.2.5 CaDA模型参数开发
        3.2.6 模型参数的测试
        3.2.7 模型参数精炼
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 针对TIP3P水模型的CaDA参数开发
        3.3.2 针对SPC/E水模型的CaDA参数开发
        3.3.3 针对TIP4P-EW水模型的CaDA参数开发
        3.3.4 CaDA模型的改进
        3.3.5 CaDA参数精炼
        3.3.6 最终的二价六配位金属离子的CaDA模型
    3.4 小结
第四章 虚拟原子模型力场参数的性能评价
    4.1 引言
    4.2 方法
        4.2.1 本研究中使用的力场
        4.2.2 水交换速率常数的计算
        4.2.3 激酶GSK3β的MD模拟
        4.2.4 谷胱甘肽合成酶GS的MD模拟
        4.2.5 GTP酶OsRac1的MD模拟
        4.2.6 E.coli乙二醛酶GlxI的MD模拟
        4.2.7 MD模拟参数设置
        4.2.8 模拟性能评价方法
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 水交换速率常数预测性能的评价
        4.3.2 激酶GSK3β体系的测试
        4.3.3 谷胱甘肽合成酶GS体系的测试
        4.3.4 GTP酶OsRac1体系的测试
        4.3.5 E.coli乙二醛酶GlxI金属替代体系的测试
        4.3.6 讨论
    4.4 小结
第五章 金属配位纳米胶囊M_2L_4自组装的分子动力学模拟研究
    5.1 引言
    5.2 方法
        5.2.1 配体分子的力场参数
        5.2.2 汞离子的力场参数开发
        5.2.3 单组装体体系的模拟方法
        5.2.4 多组装体体系的模拟方法
        5.2.5 一般模拟方法及参数设置
        5.2.6 组装体的识别及统计
    5.3 结果与讨论
        5.3.1 汞离子力场参数开发
        5.3.2 M_2L_4纳米胶囊超分子结构转化
        5.3.3 单组装体的自组装
        5.3.4 多组装体的自组装
    5.4 小结
第六章 金属配位纳米胶囊M_2L_4客体封装的分子动力学模拟研究
    6.1 引言
    6.2 方法
        6.2.1 富勒烯分子的力场参数
        6.2.2 单组装体体系的模拟方法
        6.2.3 多组装体体系的模拟方法
        6.2.4 一般模拟方法及参数设置
        6.2.5 客体结合自由能的计算
        6.2.6 组装体的识别及统计
        6.2.7 客体封装概率及选择性的计算
    6.3 结果与讨论
        6.3.1 单组装体对富勒烯的封装
        6.3.2 富勒烯客体分子竞争封装的机理
        6.3.3 多组装体对客体分子的封装
    6.4 小结
第七章 结论
    7.1 结论
    7.2 创新点
问题与建议
参考文献
致谢
研究成果及发表的学术论文
作者及导师简介
附件



本文编号：3206824