检索结果-内蒙古大学图书馆

高等学校化学学报 2009年第10期30卷 2055-2058页

作者：李吉来耿彩云步宇翔陈效华王军黄旭日孙家锺山东大学化学与化工学院胶体与界面化学教育部重点实验室济南250100 吉林大学理论化学研究所理论化学计算国家重点实验室长春130021

采用旋转平移块方法对Ca2+/豆蔻酰基开关进行了正则模式分析(NMA).研究结果表明,恢复蛋白(Recoverin)的T态的N-末端与C-末端易于发生刚体逆向旋转,一旦结合Ca2+,很容易发生构象变化,形成具有双向构象转变特征的I态.I态是一个中间结构,... 详细信息

采用旋转平移块方法对Ca2+/豆蔻酰基开关进行了正则模式分析(NMA).研究结果表明,恢复蛋白(Recoverin)的T态的N-末端与C-末端易于发生刚体逆向旋转,一旦结合Ca2+,很容易发生构象变化,形成具有双向构象转变特征的I态.I态是一个中间结构,既可以发生构象回转到T态,又可以继续相对旋转到R态,使豆蔻酰基完全暴露,从而行使其信号传导生物功能.从低频振动模式分析可以看出,恢复蛋白具有构象转变这一本质属性.

关键词：变构过程信号传导正则模式分析低频振动

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GPU并行技术在矩阵运算及正则模式分析中的应用

GPU并行技术在矩阵运算及正则模式分析中的应用

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作者：刘丽华东理工大学

学位级别：硕士

图形处理器(GPU)是一种针对图形处理的专用处理器。近几年来,GPU的单精度峰值性能已经从每秒十亿次浮点运算(Gflops)增长到每秒万亿次浮点运算(Tflops)。随着其可编程性的不断发展,GPU开始越来越多地被应用到科学计算的加速研究中。GPU... 详细信息

图形处理器(GPU)是一种针对图形处理的专用处理器。近几年来,GPU的单精度峰值性能已经从每秒十亿次浮点运算(Gflops)增长到每秒万亿次浮点运算(Tflops)。随着其可编程性的不断发展,GPU开始越来越多地被应用到科学计算的加速研究中。GPU不但具有强大的并行计算能力,还具有低功耗、低成本的特点,是当今主流高性能计算系统的重要组成部分。如何将GPU的并行计算技术应用到更多的科学计算程序中成为了当今高性能计算领域研究的热点之一。本文利用GPU的可编程性和强大的多线程并行计算能力,作了以下研究工作：一、矩阵求逆是一种非常重要的矩阵运算,但是在CPU串行模式中计算大规模矩阵求逆过程是非常耗时的。本文根据GPU的硬件结构特点,在NVIDIA公司提供的CUDA(计算统一设备架构)平台上将矩阵求逆计算过程完全移植到GPU中,获得了300多倍的加速比,且单精度峰值性能达到了230 Gflops,从而满足了矩阵求逆在一些科学计算应用中对计算速度的要求。根据程序的执行结果,我们分析了GPU的单精度和双精度的浮点运算性能,同时分析了数据传输时间对GPU并行计算性能的影响,总结出适合GPU并行处理的算法特征,为GPU应用到更为复杂的分子模拟领域打下基础。二、正则模式分析(NMA)是预测蛋白质构象变化的有效方法,也是分子模拟中求解自由能采样最为耗时的部分。针对此方法中矩阵对角化部分计算量过大而导致计算时间过长的问题,本文利用GPU的并行处理技术对全原子NMA计算过程中的最耗时部分进行加速。结果表明GPU加速全原子NMA能够有效地降低矩阵对角化的运行时间,取得了20余倍的加速比,且单精度浮点运算峰值达到了180 Gflops,同时我们研究了单／双精度的改变对GPU计算性能和计算精确度的影响。

关键词：图形处理器科学计算并行处理矩阵求逆正则模式分析

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蛋白质分子大幅度构象变化的计算模拟研究

蛋白质分子大幅度构象变化的计算模拟研究

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作者：翁经纬复旦大学

学位级别：博士

蛋白质是生物体各种生理过程的主要执行者。在生理条件下,不同蛋白质特定序列的氨基酸长链能够折叠成特定的三维结构,行使其生理功能。因此漫长的进化过程必然使蛋白质的结构具有功能意义。随着蛋白质结构测定技术的日益成熟,越来越多... 详细信息

蛋白质是生物体各种生理过程的主要执行者。在生理条件下,不同蛋白质特定序列的氨基酸长链能够折叠成特定的三维结构,行使其生理功能。因此漫长的进化过程必然使蛋白质的结构具有功能意义。随着蛋白质结构测定技术的日益成熟,越来越多的蛋白质三维结构被解析出来,这些结构信息揭示了很多重要生理过程的分子机制,也为药物的研制提供了关键的理论基础。然而,随着当前结构生物学和生物物理化学的逐步深入发展,人们发现仅有蛋白质三维结构的信息往往不足以理解其生物学功能。这是因为结构解析给出的是单一的一个静态结构(如晶体结构),而蛋白质在行使其生理功能时往往会发生构象变化,产生一系列瞬态构象。换言之,溶液中的蛋白质作为一种软物质可以在其平衡构象附近振荡,甚至可以远离平衡构象,而晶体结构得到的只是蛋白质势能面上的一个点。要全面理解蛋白质的功能和揭示生理过程的分子机制我们不但需要了解蛋白质的静态结构,更需要了解蛋白质的结构柔性和各个瞬态构象之间的转换,即动力学性质。因此需要在传统的结构生物学研究中加入时间的维度,将结构-功能关系扩展到结构-动力学-功能关系的研究。蛋白质动力学行为的时间尺度很宽,其涵盖范围从快速而局部性的原子波动到慢速而整体性的诸如蛋白质折叠的构象变化。许多蛋白质分子实现其生物功能时都需要发生大幅度的构象变化,比如通过线团(loop)结构的摆动和二级结构单元的运动实现对活性位点构象的调整或者对底物分子进行识别,这类运动的时间尺度大致在纳秒到微秒(10-9到10石秒)级别,运动幅度一般在1到5A。更复杂的运动则往往需要通过结构域的整体运动来完成,这种结构域间的相对转动和平动的时间尺度大致在微秒到毫秒(10-6到10-3秒)级别,运动幅度一般会达到5到10 A左右。各时间尺度上的运动从原子振动到大幅度的蛋白整体运动会发生相互耦合,使得对蛋白质动力学和功能关系的研究变得越发复杂。和实验手段相比,计算机模拟方法在研究蛋白质动力学方面具有独特的优势。只要有一个高精度的蛋白质实验结构作为起点,计算方法就能够“全面”地描述蛋白质的动力学(以分子动力学模拟为代表),我们可以跟踪单个蛋白质分子在每个时刻每个原子的精确位置和相应的能量。尽管蛋白质不同的构象状态和它们之间的转换速率可以通过实验方法检测,但是对构象之间转换路径上各个状态的高精度描述却是实验无法达到的,因为这些状态都是寿命很短,出现几率很低的高能构象。计算方法则可以克服这些局限。另一方面,计算机模拟中包含了体系粒子之间的所有相互作用力和相应的能量,因此尽管实验方法可以告诉我们蛋白质怎样运动,计算方法却可以告诉我们蛋白质为什么这样运动。目前计算方法的主要缺陷是传统的分子动力学方法能够模拟的动力学时间尺度是皮秒到纳秒范围,对蛋白质的一些慢速(微秒到毫秒)构象变化过程的模拟则非常困难。为了克服这一困难,计算生物学家发展了多种方法和策略来简化力场或施加外力以加速构象变化过程。我们选取了三个大小构造不一但都能够发生大尺度构象变化的蛋白质体系来研究结构单元和构象变化之间的关系。这些体系包括含有四个结构域的ABC转运体蛋白输入体BtuCD和输出体MsbA、PSD-95蛋白中含有两个结构域的串列体PDZ12以及脂质化修饰的膜融合SNARE蛋白Ykt6。在实际应用过程中,除了常规分子动力学模拟之外我们也使用了靶向分子动力学模拟和正则模式分析的方法,分别通过外加力场加速构象变化以及分析局域势能面形态的方式来获得蛋白质体系大幅度构象变化的信息。 ABC转运体蛋白超家族在生物体中能够利用ATP分子结合和水解的能量实现底物分子跨细胞膜的转运。转运的过程需要发生大幅度的构象变化,在面向内(inward-facing)构象(孔道向内打开向外关闭)和面向外(outward-facing)构象(孔道向内关闭向外打开)之间切换。ABC转运体蛋白由两个跨膜结构域与两个核苷结合结构域组成,其运作的核心机制在于其跨膜结构域与核苷结合结构域的运动耦合。前者内部底物转运孔道的开闭和后者在ATP分子的结合和水解时表现出的二聚和解离贯穿着整个底物转运的过程。就此,我们以BtuCD输入体和MsbA输出体为研究对象采用了正则模式分析和靶向分子动力学模拟的方法进行了研究。维生素B12输入体BtuCD蛋白具有20个跨膜螺旋,孔道的大部分由一对TM5螺旋组成,而跨膜结构域则通过L线团结构与核苷结合结构域相连。我们发现不论是从面向外到面向内还是从面向内到面向外的构象变化过程,核苷结合结构域的运动总会通过L线团与转运孔道细胞内侧端的运动同步进行。在从面向外构象到面向内构象的变化中,核苷结合结构域的打开会导致L-线团的打开,继而引起孔道主体TM5螺旋细胞内侧端的打开。其逆过程也基本相似。同时,我们也发现正逆向的变化过程并没有经

关键词：计算模拟构象变化蛋白质分子动力学模拟正则模式分析靶向分子动力学模拟 ABC转运体蛋白多类药物抗药性 PDZ结构域串列体 SNARE蛋白

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F+CH3OH反应的动力学研究

F+CH3OH反应的动力学研究

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作者：张梦重庆大学

学位级别：硕士

多原子物种间的态-态动力学行为是分子反应动力学研究的重点内容,同时产物的内部状态分布在动力学领域中也具有十分重要的意义。然而,如何精确计算多原子体系中的振动态分布一直是动力学研究的热点和难点问题。双原子分子的作用量变量... 详细信息

多原子物种间的态-态动力学行为是分子反应动力学研究的重点内容,同时产物的内部状态分布在动力学领域中也具有十分重要的意义。然而,如何精确计算多原子体系中的振动态分布一直是动力学研究的热点和难点问题。双原子分子的作用量变量可以通过爱因斯坦-布里渊-克尔半经典方法精确计算,快速傅里叶方法和绝热转换方法则适用于三原子体系,而正则模式分析方法被广泛用于多原子产物态分布的计算。甲醇与氟原子之间的抽氢反应可以生成HF和CH3O?、?CH2OH自由基等产物。由于该反应在环境化学、燃烧化学、辐射化学和星际化学领域中的重要性,因此受到了理论和实验上的广泛关注。基于之前使用置换不变多项式-神经网络方法构建的全维高精度势能面,本文采用准经典动力学方法研究了F?+CH3OH→HF+CH3O?（Ra）和HF+?CH2OH（Rb）反应的动力学性质。特别地,使用正则模式分析方法确定了多原子产物CH3O?和?CH2OH的振动态分布,深入探索了该反应的内在机理,获得了完整的态-态动力学信息。通过对产物内部状态分布的研究发现,当反应物CH3OH处于振、转基态时,CH3O?和?CH2OH主要分布在振动基态。当CH3OH的OH伸缩振动模式激发为第一激发态时,产物?CH2OH的OH伸缩模式、扭转模式、H2CO面外弯曲模式及其组合会被有效激发。通过对产物能量的计算发现,在两条反应通道中,可用能量大部分都流入产物HF的振动能、产物之间的相对平动能,而自由基产物CH3O?或?CH2OH只得到非常少的能量。这些计算与实验结果一致,都说明了自由基产物的旁观者性质。

关键词：正则模式分析势能面 CH3OH 产物能量分配抽氢反应

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ABC转运体蛋白的构象动力学和转运机理研究

ABC转运体蛋白的构象动力学和转运机理研究

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第十一届全国量子化学会议

作者：翁经纬王文宁复旦大学化学系复旦大学生物医学研究院上海市邯郸路220号200433

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