粗粒化模拟及其在生物膜研究领域的应用.pdf

《生命的化学》2010年30卷3期 · 438 · ● Mini Review CHEMISTRY OF LIFE 2010，30(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；生物膜 中图分类号：Q54；Q73 1.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。 2 6 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10~10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 [2] 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 。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 [1] 长时间大尺度的模拟方法——粗粒化 不同尺度上的运动行为和运动特征 。分子动力学 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)、国家自然科学基金 、教育部 “新世纪优秀人才支持计划”项目 内外的物质交换以及信息传递。 (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