Vol.43 No.4Dec. 2020
第43卷第4期2020年12月
辽宁师范大学学报(自然科学版)
Journal of Liaoning Normal University (Natural Science Edition)
文章编号:1000-1735 (2020)04-0482-07
D01：10.11679/lsxblk2020040482
宫利东，赵力僅，田博，杨忠志
(辽宁师范大学化学化工学院，辽宁大连116029)
摘要：应用量子化学(QM)计算和原子-键电负性均衡浮动电荷分子力场(ABEEW tt / MM)方法，建立1-棕桐酰-2-油酰基-磷脂酰乙醇胺(POPE)分子的浮动电荷力场.将 POPE 分子的极性头部分为乙基三甲基铁(ETMA)、乙酸甲酯(MAS)和确酸二甲酯
(DMP)等小分子片段，根据QM 计算结果，调节优选ABEEMcr/MM 参数.利用建立的 ABEEMcr/MM 势能函数对模型分子进行计算，与QM 结果相比，键长、键角、二面角的
最大绝对平均偏差(AAD)分别为0.0219 nm 、2.39°和2.61°，电荷分布的线性相关系数均 在0.97以上.进一步对确脂分子POPE 的结构和电荷分布进行计算，与QM 结果对比， 得到的键长、键角、二面角参数的AAD 分别为0.0001 nm 、0.31°和0.34°,RMSD 分别为
0.83%、0.46%、0.45%，电荷分布的线性相关系数为0.9813.
关键词:POPE ； ABEEM<7tt /MM ；可极化力场；浮动电荷模型；电荷分布 中图分类号= 0641.121
文献标识码：A
生物膜是细胞的重要组成成分，它作为细胞内和细胞外环境之间的屏障，提供专门的物理环境实
现物质转运和信号传导，这些功能需要动态的流体环境，允许膜蛋白的旋转和平移扩散细胞膜主 要由磷脂构成，在原子和分子水平上理解磷脂双层的结构和动态特性是至关重要的⑺。对于脂质双层 的研究已有近百年的历史⑷，主要实验技术有量热法(用于研究膜相行为)、荧光共振能量转移
(FRET)、原子力显微镜(AFM)、核磁共振(NMR)、小角中子散射(SANS)、小角X 射线散射(SAXS)、
准弹性中子散射(QENS)和质谱等.随着计算机技术的迅速发展，分子动力学模拟已被广泛应用于探
讨各种复杂体系的结构和性质，与实验技术相比，分子动力学模拟能够得到体系的原子级别的详细结 构信息以及实验中难以捕获的微观细节.但其计算的成败很大程度上取决于力场的适用性、计算速度
的快慢和计算方法的正确性.大多数的脂质力场采用固定电荷模型处理静电相互作用，比如
AMBER 旳XHARMM [6]以及OPL&AA 刀和GROMOS ⑷等力场.虽然固定电荷力场的计算成本相对
较低，可以对较大体系进行长时间尺度模拟，但忽略了极化效应曲.由于磷脂分子的特殊结构，其嵌入
式通过膜的外部和内部的环境是不同的，需要明确考虑极化作用〔词.与传统力场相比，可极化力场模 型可以表现体系的电荷分布或偶极矩等随环境和结构的改变而发生的相应变化，因此，建立磷脂分子
的可极化力场近年来受到关注.目前，主要有3种可极化模型：诱导偶极模型®m 、Drude 谐振子模
型口」。“⑷和浮动电荷模型皿诃.李国辉等人报道了基于诱导偶极模型的AMOEBA 力场、磷脂双层的
1,2-二油酰基-磷酸胆碱(DOPC)d-棕桐酰-2-油酰基-磷脂酰乙醇胺(POPE)、1-棕植|酰-2-油酰基-sn-磷
收稿日期:2020-09-20
基金项目：国家自然科学基金资助项目(20703022)；辽宁省自然科学基金资助项目(20180550163)
作者简介：宫利东(1975-)，男，吉林舒兰人，辽宁师范大学教授，博士，博士生导师.E-mail :***************
第4期宫利东等：磷脂分子POPE 的浮动电荷分子力场483
脂酰胆碱(POPC)和1,2-二肉豆蔻酰基-sn-磷脂酰胆碱(DMPC)的可极化力场：9>18］；Roux 课题组口⑶ 开发了 1,2-二棕桐酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱(DPPC)、二月桂酰磷脂酰胆碱(DLPC)、二棕桐酰磷脂酰
乙醇胺(DPPE)和1,2-二油酰基-sn-甘油基-3-磷酸乙醇胺(DOPE)、DMPC 、POPE 、POPC 、DOPC 等多 种饱和及不饱和的两性磷脂分子体系的Drude 可极化力场.
在密度泛函理论下的电负性均衡方法的基础上，杨忠志等创建和发展了原子-键电负性均衡浮动
电荷分子力场方法(ABEEM<77r/MM)，在对纯水、有机分子与聚合物、电解质溶液、核酸以及多肽蛋白
质等体系的研究中，均获得了优于传统力场的结果⑴〕.在本课题组之前建立的DPPC 分子的
ABEEM^/MM 力场的基础上，继续开展对POPE 的研究，为建立广泛适用于磷脂体系
ABEEMtw/MM 力场打下基础.
1理论和计算方法
1.1计算方法
量子化学计算采用Gaussian 09呦程序.将POPE 分子的极性头部拆分为乙基三甲基钱(ETMA)、
乙酸甲酯(MAS)、磷酸二甲酯(DMP)等小分子片段，选用MP2/6-31G *水平对中性和带正电的片段进 行结构优化，而对于带负电的片段使用MP2/6-31 + G(d)方法.对于POPE 分子，为节省计算量，选用
M062X 泛函.其中，极性头部和尾部桂链分布选用6-31 + + G(d,p)和6-31G(d)基组进行结构优化和
频率计算.对于电荷分布的计算，基于本课题组之前的研究〔旧，应用较大基组会高估两原子间极化作
用，采用HF/STO-3G 的方法.
1.2 POPE 的ABEEMww/MM 浮动电荷势能函数
根据ABEEMczr/MM 模型，构建了 POPE 分子的浮动电荷势能函数：
torsions
E = ^kAr~r eq y +
+
bonds
angles
Vi V 2 V 3 1 U
-^-(1 + cos 甲)+ 牙(1 — cos 2卩)+ -^-(1 + cos 3单) + 2Ji kCl — cos 2卩)+
12
ia,jb
imptors
g ”g ”
mn
•• mn
G ia ,jb
前2项分别为磷脂分子的键长伸缩和键角的弯曲振动势能，采用谐振子势能函数形式；第3项为
(1)
i }^i ( a b
,6 _
二面角的扭转振动势能，采用Fourier 级数形式；第4项为非共面二面角势能；第5项为范德华相互作
用势9采用Lennard-Jonesl 2-6形式；最后1项为静电相互作用.其中"、j 表示不同分子,a 』表示不同 原子，爲和九为力常数，厂、0和卩为体系的真实键长、键角和二面角值,r eq ^eq 为平衡时的键长、键角 值.V1 >v 2 表示二面角的Fourier 展开系数 ia tjb 、E ia 分别表示第i 个分子中原子a 和第j 个分子中
原子b 之间的碰撞直径和势阱深度，九为常数.g ”和q n 分别表示第比和第”个位点所带电荷伙””为静 电相互作用校正系数，①当位点况和”处于1-2或1-3关系时也””=0；②当两位点处于氢键作用区域
(HBIR)时，k mn =k KB ,k KB 为氢键拟合函数，引入它可以防止2个原子之间的电荷过度极化，其具体公
式如下所示：
甲胺磷怡 HB =A
________B ________l + exp(
M ；—5
其中,A 、B 、C 、D 为相关参数,R 如h 为孤对电子和氢原子间的距离.③当两位点在其他区域时,k mn =
0.57.ABEEM 环/MM 浮动电荷力场将分子划分为原子、键以及孤对电子位点，并且各位点电荷会随环
境的改变而发生变化.
1.3 ABEEM<rw/MM 参数
ABEEMffjr/MM 参数包括力场参数和电荷参数.力场参数中的键长伸缩振动、键角弯曲振动等参
484辽宁师范大学学报（自然科学版）第43卷
数来自CHARMM36力场.电荷参数包含价态硬度和价态电负性.根据QM计算得到的模型分子ET-MA、MAS、DMP的稳定结构和电荷分布，调节优选相关参数，使由ABEEM^/MM势能函数公式计算得到的模型分子结构、电荷分布等与QM结果吻合，优选后的参数列在表1中.进一步应用ABEEM/MM势能函数计算磷脂分子POPE的结构和电荷分布，检验参数的合理性.优选得到的POPE力场参数分别列在表2〜表4中.
表1小分子MAS、DMP、TMA的蒔电参数
Table1Electrostatic parameters of small molecules MAS、DMP、TMA
位点X*1〉2^*D位点z*n2盯i〉H(H—C—C) 2.213.038C—H 6.0142.35 H(H—C—N)29.038c—c 6.7147.34
C(C—N) 2.5 5.65c—N 6.431.49 C(C—C=O) 3.19.05c—0 6.9249.78
C(C—C) 2.55 6.35c=o 6.3435.63
C(C—O) 2.55 6.35p—0 3.4926.247
裂隙制造者
C(C=O) 2.44 4.67P=0 3.68229.031 N 3.39.85lp u0— 4.03 5.73 0(0—P) 1.645 6.772Ip0=P 4.27.019 0(0—C=0) 3.31&67Ip0=c 4.16 6.809
0(0=0 3.5519.72tt C= 3.7994.15
0(0=P) 4.16 1.75兀0= 3.8836.019 p 2.1 5.3
注：1）X*表示价态电负性，单位是Pauling,*表示价态硬度，单位是Pauling•electron-1,lp表示孤对电
子
表2POPE分子的键长伸缩振动参数
Table2The bond stretching parameters o£POPE
原子kr r eq
1-2340 1.09
1-30367 1.47
1-68268 1.53
俄语论文网2-68340 1.09
2-124309 1.11
21-22570 1.23
21-26450 1.36
21-124200 1.52
30-31434 1.01
五王醉归图卷68-69268 1.53
68-89320 1.44
69-26320 1.44
88-89230 1.60
88-90525 1.48
第4期宫利东等：磷脂分子POPE 的浮动电荷分子力场485
表3 POPE 分子的键角弯曲振动参数
Table 3 The angle bending parameters of POPE
键角
k e
阳键角
2-1-6837.5110.0731-30-135.0109.50
2-68-2
33.0107.80
1-68-8975.7110.102-68-6937.5110.7068-68-124
5&4113.6021-124-2
33.0109.5090-88-90140.0
119.9022-21-12470.0
125.0088-89-68
20.0120.0026-21-22
80.0110.1069-26-2140.0109.6030-1-6880.0
111.2089-68-2
60.0
109.5026-68-69
75.7120.00
90-88-89100.0
108.23
表4 POPE 分子的二面角扭转势能参数
Table 4 The dihedral torsional potential parameters of POPE
注:a 为形成二面角的原子的Class 标号
二面角*
Vi
v 2
v 3
二面角*Vi
v 2
Vs 2-68-68-68 1.25800.316
89-68-69-68000.20031-30-1-68
000.3472-68-69-2000.318
2-1-68-2000.318
68-69-26-210.700
00
张申府
2-68-89-880
0068-69-68-2600
0.20068-89-88-90
00
0.1
69-26-21-220.965 3.8500
68-89-88-89 1.200.1000.1002-69-26-21
0.70000
90-88-89-680
0.10022-21-124-680
00.05088-89-68-690.6000.6500.05022-21-124-2000
89-68-69-2000.1952-124-68-2
00
0.22089-68-69-26
0.200
wave是什么格式124-68-68-680
0.065
2结果与讨论
2.1小分子的几何构型和电荷分布
应用公式(1)计算模型小分子MAS.DMP 和ETMA 的结构和电荷分布，获得的稳定结构与QM 结果进行比较.表5给出了 3种分子在两种方法下的键长、键角以及二面角的平均偏差(AAD)、均方根
偏差(RMSD )和相对均方根偏差(RRMSD).其中，偏差最大的DMP 的键长、键角、二面角的AAD 、
RMSD 、RRMSD 分别为 0.0219,0.0035 nm 和 2.59% ,2.39°、3.48°和 3.16% ,2.61°、3.26°和 2.87%.总体
来说.ABEEM^/MM 力场方法计算结果与QM 方法结果有较好的一致性.
表5 ABEEMox/MM 与QM 方法优化的模型小分子的结构对比
Table 5 The comparisons of optimized structures of model molecules between ABEEMcnr/MM and QM
化合物
R/nm
0/(°)r/(°)
AAD RMSD RRMSD/%
AAD RMSD RRMSD/%
AAD RMSD RRMSD/%
MAS 0.00100.0013
1.05 1.2675 1.8710 1.67
0.397 30.06020.53DMP
0.0219
0.003 5
2.59
2.3885
3.477 0 3.16 2.6100
3.2550
2.87ETMA 0.000 60.00110.85 1.947 8 2.2340
2.04
0.8260 1.4120
1.11
486辽宁师范大学学报（自然科学版）第43卷
图1为ABEEM ott/MM方法和QM方法计算得到的3种分子电荷分布的线性相关图，可以看出电荷分布的线性相关系数为0.9728，斜率接近于1，截距接近于0，两者获得的电荷分布具有良好的一致性.
(
3.s
n
e.f
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u
乏
图1ABEEM«r/MM与QM计算的DMP、MAS和ETMA的电荷分布的线性相关图Fig.l The linear correlation of charge distributions of DMP>MAS and ETMA between ABEEMznr/MM and QM 2.2POPE分子的结构和电荷分布
表6为ABEEM ott/MM与QM方法得到的POPE分子的键长R(nm)、键角0(°)、二面角r(°)的比较.结果表明,ABEEM负/MM与QM结果符合很好.其中，二面角的AAD最大为0.3440°,RMSD 为0.5072°,RRMSD为0.4520%.
表6ABEEM负/MM与QM方法得到的POPE分子稳定结构的对比
Table6The stable structures of POPE from ABEEMewr/MM and QM
AAD RMSD RRMSD/%
R/nm0.00010.00110.8257
5/(°)0.30920.50740,4600
r/(°)0.34400.50720.4520图2为ABEEM^/MM与QM方法计算得到的POPE分子的电荷分布的线性相关图.从图中可以看出二者线性相关很好，斜率为1.0240，线性相关系数为0.9813，截距趋近于0.
图2ABEEMenr/MM与QM计算POPE电荷分布的线性相关图
Fig.2The linear correlation of charge distributions of POPE between ABEEMff7t/MM and QM
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