蛋白质折叠过程模型

蛋白质折叠过程模型研究一直是蛋白质折叠研究领域的热点课题．就这个问题,提出描述蛋白质折叠过程的拟蛇模型．并且提出一个新的概念,那就是所有蛋白质空间结构都可以通过2种类型函数构造出来,此外,还从理论方面来证明该模型是可行和正确的：通过与其他蛋白质折叠过程模型的对比实验,结果表明,拟蛇模型所构造的空间结构能量值最小、相似度最好．进而说明拟蛇模型在描述蛋白质折叠过程方面具有明显优势,开辟了研究蛋白质的一种新的途径．     

蛋白质折叠的计算机模拟

介绍了计算机模拟蛋白质折叠问题的背景、模型和意义。在对模型问题采用Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ方法和单纯遗传算法得到能量最小构象的基础上,提出了适用的混合遗传算法,并通过计算机模拟试验对三种方法作了比较。     

蛋白质折叠的三维计算机模拟

介绍了计算机模拟蛋白质的三维模型,利用混合遗传算法对模型问题进行了模拟计算,获得了由２７个氨基酸残基组成的肽链的能量最小的折叠构象,计算结果表明,对于蛋白质折叠的三维晶格模型而言混合遗传算法是很有效的。     

蛋白质折叠的计算机模拟

使用非格点朗之万模型和"Go型"氨基酸相互作用模拟了4个小分子量快速折叠蛋白质的折叠行为.从动力学和热力学两方面的探讨中,得到蛋白质CI2的折叠属于两态过程和蛋白质CheY的折叠过程存在中间态和蛋白质1BBL的折叠属于无势垒的"下山"式过程,而蛋白质片断1BDD(第10至第55残基)的折叠则是介于两态过程和"下山"式过程的中间类型.由于使用了相同的模型,物理机制上这些不同折叠类型显然来自蛋白质不同的天然态拓扑结构.     

HIV-1 蛋白酶异位抑制剂体系的长时间分子动力学模拟

采用新开发的ff12SB力场在NVIDIA CUDA GPU上对HIV-1蛋白酶的活性位抑制剂体系和异位抑制剂体系分别进行了100 ns的长时间分子动力学模拟,并用MM-PB/GBSA方法计算了活性位点抑制剂TL-3与HIV-1蛋白酶的结合自由能。异位抑制剂体系中分子片段2-甲基环己醇结合在Exo位,有利于抑制剂被束缚在活性位点附近。异位抑制剂体系中抑制剂TL-3与蛋白酶的结合自由能为-85.78 kcal/mol,活性位抑制剂体系中为-79.45 kcal/mol。这些结果有助于深入了解HIV-1 PR的动力学过程,为设计新型强效抑制剂提供了新见解。     

蛋白质在溶液中构象转换的分子动力学模拟

将蛋白质的稳定和失活、折叠和去折叠等现象概括为蛋白质分子在溶液中的构象变化问题。采用非品格模型和Langevin分子动力学方法研究了无限稀释溶液及不同尺度和不同表面亲／疏水性球形限制性空间内β模型蛋白的构象分布及其转换特性。模拟结果显示：尺寸适度的疏水性空间有利于蛋白质结构发生缩塌,而亲水性空间有利于缩塌态蛋白质结构的稳定,且表面亲／疏水性的影响作用随着空间半径的增大而减弱。计算结果与实验报道一致,为研究蛋白质分子在溶液中的折叠和稳定化提供了理论工具。     

蛋白质结构与动力学的计算机模拟：从方法到应用

计算机模拟已发展为根据生物分子结构和动力学阐释生物功能的重要工具.同现有实验比较,计算机模拟不仅能提供结构的时空平均,而且可获得任意微观量的时空分布和演化轨迹.除结构之外,生物功能往往依赖于对动力学的控制.计算机模拟可用于重构构象跃迁路径,发现中间体和过渡态等.本文总结了作者实验室在这一领域的近期工作,特别是关于能量模型、酶催化模拟、构象空间采样等.     

蛋白质构象与折叠行为的研究

蛋白质结构预测与蛋白质折叠是生命科学研究的核心问题之一,也是后基因时代推动生物学朝着定量化发展的重要方向之一,它是分子生物学中心法则还没有解决的一个重大生物学问题.简单介绍了蛋白质分子的结构特点,讨论了蛋白质分子构象研究的重点,即蛋白质结构预测与蛋白质折叠.重点介绍了拥挤环境对蛋白质构象的影响和蛋白质分子的力学性质,这是蛋白质分子构象研究的深入.这些介绍可以帮助我们更清楚地认识蛋白质分子.     

蛋白质折叠理论与包涵体的处理

多肽链折叠成天然构象的蛋白质决定于蛋白质的一级结构,另外还需要分子伴侣等蛋白质的协助以及ATP提供能量。大肠杆菌等表达体系表达外源基因时,其表达产物量形成包涵体,利用蛋白质折叠理论,可以分析其产生的原因以及建立恰当的蛋白质复性体系。     

论蛋白质折叠与分子伴侣的关系

蛋白质折叠问题被列为“21世纪的生物物理学”的重要课题,它是分子生物学中心法则尚未解决的一个重大生物学问题。本文对蛋白质折叠这一古老的领域的最新发展,尤其是分子伴侣的机理作了一番探讨。     

Fast Parallel Cutoff Pair Interactions for Molecular Dynamics on Heterogeneous Systems

Heterogeneous systems with both Central Processing Units (CPUs) and Graphics Processing Units (GPUs) are frequently used to accelerate short-ranged Molecular Dynamics (MD) simulations. The most time-consuming task in short-ranged MD simulations is the computation of particle-to-particle interactions. Beyond a certain distance, these interactions decrease to zero. To minimize the operations to investigate distance, previous works have tiled interactions by employing the spatial attribute, which increases the memory access and GPU computations, hence decreasing performance. Other studies ignore the spatial attribute and construct an all-versus-all interaction matrix, which has poor scalability. This paper presents an improved algorithm. The algorithm first bins particles into voxels according to the spatial attributes, and then tiles the all-versus-all matrix into voxel-versus-voxel sub-matrixes. Only the sub-matrixes between neighboring voxels are computed on the GPU. Therefore, the algorithm reduces the distance examine operations and limits additional memory access and GPU computations. This paper also adopts a multi-level programming model to implement the algorithm on multi-nodes of Tianhe-lA. By employing (1) a patch design to exploit parallelism across the simulation domain, (2) a communication overlapping method to overlap the communications between CPUs and GPUs, and (3) a dynamic workload balancing method to adjust the workloads among compute nodes, the implementation achieves a speedup of 4.16x on one NVIDIA Tesla M2050 GPU compared to a 2.93 GHz six-core Intel Xeon X5670 CPU. In addition, it runs 2.41x faster on 256 compute nodes of Tianhe-lA (with two CPUs and one GPU inside a node) than on 256 GPU-excluded nodes.     

小蛋白天然结构与折叠速度关系的分子动力学模拟研究

用分子动力学模拟方法研究了小蛋白天然结构集合与其折叠速度的关系．根据蛋白质内存在接触的不同定义方式．利用分子动力学模拟方法得到了10个小蛋白的一系列构象集合,分析了其拓扑参数与折叠速度的关系,并与PDB单构象的情况进行了比较．用含主链重原子的方式定义接触,所计算的结果较好,天然结构集合所计算的拓扑参数与蛋白质折叠速度的关系可以更真实地反映实际情况．     

蛋白质折迭时标和分子伴侣的一个简单模型

利用大分子构象动力学导出蛋白质折迭的时标，讨论了折迭时间和分子参量的依赖，着重研究了对构象变化中原子团转动惯量的依赖，在此基础上提出了分子伴侣的一个简单模型。     

分子模拟研究小分子在聚硅氧烷中扩散行为

采用分子动力学(MD)法,在298 K的温度下,对H2,He,O2,N2,CO2,CH4,H2O以及ethanol在聚二甲基硅氧烷(PDMS),聚丙基甲基硅氧烷(PPMS),聚辛基甲基硅氧烷(POMS)以及聚苯基甲基硅氧烷(PPhMS)4种聚硅氧烷体系中的扩散进行模拟.选用对凝聚态的结构和性质描述更为准确的COMPASS分子力场模型.体系进行能量优化后得到的密度和玻璃化温度的计算值和实验值的对比表明模拟体系接近于真实体系.随后进行分子动力学模拟得到小分子的运动轨迹,对小分子扩散的两种方式进行了讨论,探讨了侧链对扩散过程的影响.     

耗散粒子动力学平衡并行算法的实现

提出了一种耗散粒子动力学（DPD）的平衡并行（BPDPD）算法,解决了传统DPD程序计算时间过长的问题。通过动态的划分模拟空间实现了节点间的负载均衡,并且运用子节点数据本地重建机制有效减少了节点通信的数据量。对锚定蛋白质的聚集做了模拟,实验结果显示,该算法有效的减少DPD模拟的时间,并在10节点的集群上得到了6.3的加速比。     

Application of the Mole-8.5 supercomputer: Probing the whole influenza virion at the atomic level

Discrete computer simulations are quite helpful in understanding dynamic structures in complex systems. Recently, using the Mole-8.5 supercomputer and molecular dynamics simulations as a “computational microscope”, we simulated the dynamic structure of a whole H1N1 influenza virion in solution for the first time at the atomic level. In total, 300 million atoms in a periodic cube with an edge length of 148.5 nm were simulated. Using 288 low level hybrids with 1728 C2050 GPUs and a software package developed specifically for the hardware, the simulation executed 770 ps/d with an integration time step of 1 fs, and analyzed the dynamic structure. With the tremendous computational power of GPUs, efficient software packages for various hardware designs, and consistent physical models, more challenging applications will be carried out in the near future.