30、泊松 - 玻尔兹曼方法在生物分子中的应用

泊松 - 玻尔兹曼方法在生物分子中的应用

生物分子静电学简介

在 20 世纪 90 年代，生物分子模拟在生物学中变得越来越普遍，并作为一种理解分子结构、动力学和功能的重要生物物理方法被广泛接受。生物分子的能量特性由短程和长程力共同决定。短程力包含范德华力、键力、角力和扭转相互作用等；长程力则通常由静电相互作用主导。由于静电相互作用随距离衰减缓慢，在生物分子建模中不能被忽略或截断，它们在所有长度尺度上都对分子相互作用有显著贡献。因此，能准确高效模拟这些相互作用的方法在分子模拟中至关重要。

模拟中静电相互作用的确切行为通常由四个因素决定：分子电荷分布、溶质原子半径、移动离子种类和溶剂。分子电荷分布常通过将量子力学计算得到的电子分布拟合到位于原子中心的静态点电荷来确定。然而，一些研究表明，静态点电荷分布不足以准确模拟静电学，具有高阶电荷分布矩的可极化模型通常是重现分子能量所必需的。无论电荷模型细节如何，分子电荷分布与为溶质原子选择的空间参数密切相关。电荷和半径共同决定了分子的许多溶剂化性质。

在模拟中，处理分子周围水环境的方法通常分为显式和隐式两类。显式模型将溶剂和移动离子视为显式粒子，能提供最大的细节和潜在的准确性，但显式溶剂和离子通常占模拟中原子的 90 - 95%，会大幅增加确定动力学和热力学性质所需的计算时间。隐式溶剂方法牺牲了溶剂的分子细节，以换取模拟中更少的自由度采样，从而显著减少了获得收敛模拟可观测量所需的计算资源。不过，这种模拟长度和规模的增加是以对水和离子的简单处理为代价的，在某些情况下效果不佳。

简化系统：隐式溶剂方法

隐式溶剂方法旨在简化分子周围水环境的描述，从而减少模拟中的自由度。在讨论各种隐式溶剂方法之前，有必要简要