分享 | CADD之分子动力学的简介（上篇）

引言

分子生物学家一直在试图了解蛋白质或其他生物分子是怎样运作的。原子级别的结构非常有用，通常可以让我们深入了解生物分子的功能。然而，生物分子中的原子是不断运动的，分子功能和分子间的相互作用都取决于所涉及分子的动力学。实验上, 尽管X射线衍射、核磁共振等高分辨结构生物学方法能够给出蛋白质/核酸天然态结构的高分辨原子位置信息, 但通常不能直接提供分子功能运动的动态信息。相反地, 以光谱学技术为代表的各种生物物理方法以及单分子实验技术能够给出分子功能运动的动态信息, 却很难同时提供功能运动过程中高分辨的原子位置等结构信息。为了解决这一难题，研究人员便研发了一种新的方法，用原子级别的计算机模拟相关的生物分子，即分子动力学(MD)模拟。

MD模拟是基于控制原子间相互作用的一般物理模型，预测蛋白质或其他分子系统中的每个原子是如何随时间变动。这些模拟可以捕捉各种重要的生物分子过程，包括构象变化、配体结合和蛋白质折叠，揭示所有原子在飞秒时间分辨率的位置。重要的是，这样的模拟还可以预测生物分子在原子水平上对突变、磷酸化、质子化或配体的添加/去除等任意干扰的反应。特别是近年来, 由于计算机技术的高速发展, 以分子模拟为主的理论方法已成为研究蛋白质等生物大分子功能运动的主要手段之一。

一、MD是什么？

MD的基础

MD模拟基本思想很简单，即通过给定生物分子系统中所有原子的位置(例如图1左侧的蛋白质)，就可以计算出每个原子受其他所有原子（除自身）的力。以图1左侧标注的红色氧原子为例，我们可以利用牛顿运动第二定律来预测氧原子的空间位置随时间的变化。在设定的时间中一步接着一步，反复计算氧原子受其他原子的力，然后利用这些力和位置坐标来计算氧原子新的位置和速度。可想而知，该过程的所需的计算量