本發(fā)明涉及生物大分子動(dòng)力檢測(cè)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)下，生物分子模擬中，對(duì)處理異構(gòu)系統(tǒng)的靜電相互作用通常采用球腔混合鏡像溶劑模型(Y.Lin,A.Baumketner,S.Deng,Z.Xu,D.Jacobs,W.Cai,An image-based reaction field method for electrostatic interactions in molecular dynamics simulations of aqueous solutions,J.Chem.Phys.131(2009)154103)。然而對(duì)非球狀的生物大分子(如肌動(dòng)蛋白和DNA)，采用球狀模腔效率不高。為解決上述問題，本申請(qǐng)人于2014年2月5日公開的公開號(hào)為CN 103559424 A的專利文獻(xiàn)中公開了一種橢球腔鏡像模型下的生物分子動(dòng)力檢測(cè)方法。相比于前述的球腔鏡像溶劑模型，該橢球腔鏡像溶劑模型結(jié)構(gòu)對(duì)于對(duì)某些細(xì)長(zhǎng)生物大分子，比如肌動(dòng)蛋白和DNA，在生物大分子動(dòng)力學(xué)模擬中更有效。

橢球腔鏡像溶劑模型結(jié)構(gòu)對(duì)于對(duì)某些細(xì)長(zhǎng)生物大分子盡管很有效，但對(duì)于球狀甚至近似球狀的生物大分子而言，通常仍采用球腔混合鏡像溶劑模型。利用快速多極子(FMM)算法的球腔混合鏡像溶劑模型的計(jì)算量是O(N)，而利用PME的全原子模型的計(jì)算量是O(N logN)。從理論上講，當(dāng)模擬非常大的系統(tǒng)時(shí)，前者肯定比后者快。而當(dāng)模擬較小的系統(tǒng)時(shí)，后者卻反而比前者快。其原因是因?yàn)樵谇蚯换旌乡R像溶劑模型中，為了減少“界面效應(yīng)”而引入緩沖層會(huì)帶來(lái)實(shí)際模擬中的計(jì)算開銷。因此，為提高球腔混合鏡像溶劑模型的效率，本發(fā)明將三層連續(xù)介質(zhì)模型集成到球腔混合鏡像溶劑模型中，并借此降低緩沖層的厚度、甚至可以完全取締緩沖層。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的問題：在現(xiàn)有的球腔混合鏡像溶劑模型(ICSM)中，為極小化所謂的“表面效應(yīng)”，在顯隱溶劑之間需引入厚度至少為0.6nm的一個(gè)緩沖層，該緩沖層的引入所帶來(lái)的開銷在一定程度上降低了現(xiàn)有模型的效率。

為解決上述問題，本發(fā)明采用的方案如下：

基于連續(xù)電介質(zhì)球腔鏡像的生物分子動(dòng)力檢測(cè)方法，包括如下步驟：

S1：構(gòu)建連續(xù)電介質(zhì)球腔混合鏡像溶劑模型；所述連續(xù)電介質(zhì)球腔混合鏡像溶劑模型包括連續(xù)電介質(zhì)球體和截角八面體；截角八面體位于連續(xù)電介質(zhì)球體內(nèi)，中心重合；連續(xù)電介質(zhì)球體具有外徑為R₁、內(nèi)徑為R₂的球?qū)?；所述球?qū)拥慕殡姵?shù)由ε₀至ε_i自外向內(nèi)連續(xù)變化；

S2：找出連續(xù)電介質(zhì)球體內(nèi)溶劑電荷在截角八面體與連續(xù)電介質(zhì)球體之間的周期鏡像；

S3：找出連續(xù)電介質(zhì)球體內(nèi)電荷在連續(xù)電介質(zhì)球體內(nèi)外的反應(yīng)場(chǎng)鏡像電荷；

S4：計(jì)算源電荷與目標(biāo)電荷之間的靜電相互作用；所述目標(biāo)電荷是指截角八面體內(nèi)所有實(shí)電荷，所述源電荷是指截角八面體內(nèi)所有實(shí)電荷加上截角八面體與連續(xù)電介質(zhì)球體之間的所有周期鏡像電荷再加上連續(xù)電介質(zhì)球體外的所有反應(yīng)場(chǎng)鏡像電荷。

進(jìn)一步，所述球?qū)拥慕殡姵?shù)由ε₀至ε_i自外向內(nèi)的連續(xù)變化為線性模型，也即所述球?qū)拥慕殡姵?shù)ε(r)滿足公式：

進(jìn)一步，所述球?qū)拥慕殡姵?shù)由ε₀至ε_i自外向內(nèi)的連續(xù)變化為余弦模型，也即所述球?qū)拥慕殡姵?shù)ε(r)滿足公式：

進(jìn)一步，所述球?qū)拥慕殡姵?shù)由ε₀至ε_i自外向內(nèi)的連續(xù)變化為擬調(diào)和模型，也即所述球?qū)拥慕殡姵?shù)ε(r)滿足公式：其中

本發(fā)明的技術(shù)效果如下：

相比于橢球腔混合鏡像溶劑模型，本發(fā)明提出的新模型更適用于外形接近球狀或者近似球狀的生物大分子，而且，在實(shí)際的生物分子動(dòng)力學(xué)模擬中其運(yùn)算量要小許多。

本發(fā)明所提出的集成了擬調(diào)和三層連續(xù)電介質(zhì)的球腔混合鏡像溶劑模型可大大降低緩沖層的厚度，甚至可以完全取消緩沖層，從而極大提高了生物分子動(dòng)力學(xué)模擬的效率。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明連續(xù)電介質(zhì)球腔混合鏡像溶劑模型在XOZ平面上的截面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明截角八面體立體結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

連續(xù)電介質(zhì)球腔混合鏡像溶劑模型，如圖1所示，包括連續(xù)電介質(zhì)球體1和截角八面體2。截角八面體2位于連續(xù)電介質(zhì)球體1之內(nèi)。連續(xù)電介質(zhì)球體1和截角八面體2具有相同的中心點(diǎn)O。截角八面體2的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，由6個(gè)四邊形和8個(gè)六邊形組成的具有14個(gè)面的多面體。該多面體體現(xiàn)在XOZ平面的截面上，如圖1所示，為半徑為R_c的圓的內(nèi)接八邊形。用數(shù)學(xué)方法表示，截角八面體2的8個(gè)六邊形的平面滿足方程：6個(gè)四邊形的平面滿足方程：其中,R_c取值滿足：2.0nm≤R_c≤5.0nm。連續(xù)電介質(zhì)球體1具有外徑為R₁、內(nèi)徑為R₂的球?qū)?。其中，R₁和R₂取值滿足：0.6nm≤R₂-R_c≤2.5nm，且1.0nm≤R₁-R₂≤2.5nm。連續(xù)電介質(zhì)球體1的球?qū)咏殡姵?shù)由ε₀至ε_i自外向內(nèi)連續(xù)變化。也就是，球?qū)幼钔鈱拥慕殡姵?shù)為ε₀，最內(nèi)層的介電常數(shù)為ε_i，中間部分的介電常數(shù)自ε₀至ε_i連續(xù)變化。球?qū)拥慕殡姵?shù)可以表示為一個(gè)值域?yàn)閇ε₀,ε_i]的關(guān)于半徑r的連續(xù)函數(shù)ε(r)。球?qū)拥慕殡姵?shù)ε(r)不同的設(shè)計(jì)造就球?qū)咏殡姵?shù)由ε₀至ε_i自外向內(nèi)連續(xù)變化的不同模型。本發(fā)明設(shè)計(jì)了三種不同的模型：線性模型、余弦模型和擬調(diào)和模型。對(duì)于線性模型，球?qū)拥慕殡姵?shù)ε(r)為線性函數(shù)，滿足數(shù)學(xué)公式：此函數(shù)當(dāng)r為R₁時(shí)，ε(r)＝ε_o；當(dāng)r為R₂時(shí)，ε(r)＝ε_i。

對(duì)于余弦模型，球?qū)拥慕殡姵?shù)ε(r)滿足數(shù)學(xué)公式：此函數(shù)當(dāng)r為R₁時(shí)，ε(r)＝ε_o；當(dāng)r為R₂時(shí)，ε(r)＝ε_i。對(duì)于擬調(diào)和模型，球?qū)拥慕殡姵?shù)ε(r)滿足數(shù)學(xué)公式：其中此函數(shù)當(dāng)r為R₁時(shí)，ε(r)＝ε_o；當(dāng)r為R₂時(shí)，ε(r)＝ε_i。

連續(xù)電介質(zhì)球腔混合鏡像溶劑模型結(jié)構(gòu)用于分子動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)，通過(guò)在連續(xù)電介質(zhì)球體1內(nèi)設(shè)置截角八面體2作為分子動(dòng)力學(xué)模擬的主盒子。截角八面體2的中心區(qū)域，即圖1中用虛線表示的Ⅰ區(qū)，用來(lái)放置所要模擬的生物大分子。截角八面體2中的其他區(qū)域，即圖1中的Ⅱ區(qū)以及Ⅰ區(qū)內(nèi)未放置生物大分子的部分，放置溶劑。截角八面體2中的生物大分子以及所有的溶劑分子都被看成離散的電荷在原子尺度下研究。圖1中所示的Ⅲ區(qū)，即連續(xù)電介質(zhì)球體1與截角八面體2之間區(qū)域，代表一緩沖區(qū)，主要用來(lái)避免或減少可能會(huì)產(chǎn)生的人為假象。Ⅲ區(qū)中的溶劑是Ⅱ區(qū)中的溶劑的周期鏡像。分布在連續(xù)電介質(zhì)球體1外的溶劑則被模擬成一個(gè)連續(xù)介質(zhì)區(qū)域，為Ⅳ區(qū)。

根據(jù)上述的連續(xù)電介質(zhì)球腔混合鏡像溶劑模型結(jié)構(gòu)對(duì)生物大分子進(jìn)行動(dòng)力檢測(cè)時(shí)，其過(guò)程具體如下：

S1：構(gòu)建連續(xù)電介質(zhì)球腔混合鏡像溶劑模型；

S2：找出連續(xù)電介質(zhì)球體內(nèi)溶劑電荷在截角八面體與連續(xù)電介質(zhì)球體之間的周期鏡像；

S3：找出連續(xù)電介質(zhì)球體內(nèi)電荷在連續(xù)電介質(zhì)球體內(nèi)外的反應(yīng)場(chǎng)鏡像電荷；

S4：計(jì)算源電荷與目標(biāo)電荷之間的靜電相互作用。目標(biāo)電荷是指截角八面體內(nèi)所有實(shí)電荷，源電荷是指截角八面體內(nèi)所有實(shí)電荷加上截角八面體與連續(xù)電介質(zhì)球體之間的所有周期鏡像電荷再加上連續(xù)電介質(zhì)球體外的所有反應(yīng)場(chǎng)鏡像電荷。

對(duì)于步驟S1，上述的連續(xù)電介質(zhì)球腔混合鏡像溶劑模型結(jié)構(gòu)為通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件程序的方法構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，通過(guò)上述公式構(gòu)建連續(xù)電介質(zhì)球體1和截角八面體2的結(jié)構(gòu)模型并不困難，本說(shuō)明書不再贅述。對(duì)于步驟S2和S4，步驟S2和S4的過(guò)程與CN 103559424 A的專利文獻(xiàn)中所公開的步驟S2和S4相同，本說(shuō)明書也不再贅述。步驟S3的目的與CN 103559424 A的專利文獻(xiàn)中所公開的步驟S3的目的相同，但由于本發(fā)明中，連續(xù)電介質(zhì)球體的球?qū)咏殡姵?shù)由ε₀至ε_i自外向內(nèi)連續(xù)變化。其具體實(shí)現(xiàn)的方法有所不同。

對(duì)集成了擬調(diào)和三層連續(xù)電介質(zhì)球腔混合鏡像溶劑模型而言，本發(fā)明通過(guò)對(duì)級(jí)數(shù)解的截?cái)鄟?lái)構(gòu)造鏡像電荷。此時(shí)，內(nèi)層點(diǎn)r處的反應(yīng)場(chǎng)存在以球面調(diào)和函數(shù)表示的級(jí)數(shù)解。首先，將此級(jí)數(shù)解按轉(zhuǎn)換層厚度參數(shù)展開，并保留至一次項(xiàng)，得到

這里，Pn()是勒讓德多項(xiàng)式，常系數(shù)C1,…,C4僅依賴于a,δ和γ。然后，將近似后的反應(yīng)場(chǎng)通過(guò)一點(diǎn)鏡像和二條線鏡像表示。最后，用數(shù)值積分將線鏡像離散得到內(nèi)層反應(yīng)場(chǎng)的多重鏡像法。