29、生物分子动力学：振动与构象转变的奥秘

生物分子动力学：振动与构象转变的奥秘

1. 生物分子动力学基础

原子核的质量至少是电子的两千倍，这使得核动力学与电子动力学能够很好地分离。我们可以借助玻恩 - 奥本海默绝热势来描述分子中各个量子力学电子态的核动力学。通常假设生物分子的基态电子态在能量上与激发态有明显区别，基态绝热势能是所有核自由度或其线性组合的函数。

生物大分子的典型结构亚基除了具有三个平动和三个转动自由度外，大约还有$10^4$个内部自由度。这一数量对应的可以是一个由约200个氨基酸组成的小蛋白质或蛋白质结构域（每个氨基酸约有十几个原子）、由150个单糖组成的多糖微晶，或者由少于100个核苷酸组成的转运RNA。内部自由度由共价键的长度和角度以及单键旋转的二面角决定。单键旋转能力（受空间位阻一定限制），加上氢键的断裂和重新形成的可能性，使得内部自由度的势能面变得极其复杂，存在大量由不同高度非共价能垒分隔的局部极小值。

在低分子量有机化合物的立体化学中，构象空间中围绕局部极小值的区域可被称为生物分子的构象状态（在特定情况下为亚状态），或更简单地称为构象。然而，由于能垒高度分布几乎从零开始，生物分子构象状态的立体化学概念不像小分子那样定义明确。为了更精确地定义生物分子的构象状态，并使其与将该概念与特定自由能水平相关联的热力学定义相一致，我们认为只有当势能阱周围的能垒足够高，以确保在每次向另一个构象状态转变之前微状态达到内部平衡时，这个势能阱才能被视为一个构象状态。构象间能垒高度的下限可以假设为几个$k_BT$单位，例如10 - 20 kJ/mol，这既是无空间位阻时单共价键局部旋转的典型能垒高度，也是氢键的典型能量。

每个生物分子的全局构象状态可以用组成单体的局部构象状态序列$(s_1, s_2,