生物分子动力学中静电相互作用计算的镜像方法研究

电荷间的静电相互作用对生物大分子的结构、动态特性及功能起着决定性的作用，因而设计生物分子中静电相互作用的精确而快速的计算方法必将对生物系统的计算机模拟有着现时和深远的意义。本课题着眼于生物分子模拟中的混合显隐溶剂模型，基于纯水溶剂反应场计算方面开创性的研究成果，设计生物分子动力学模拟中静电相互作用计算的高精高效的镜像方法。对低浓度离子溶剂，设计更高阶精度(6阶、8阶)的离子溶剂感应下的反应场的多重镜像法。对高浓度离子溶剂，利用扰动法的思想设计其感应下的反应场的多重镜像法。将所提出的高精度的多重镜像法与高效率的快速多极法结合在一起，设计并在计算机上实现混合显隐溶剂模型中静电相互作用的高精高效的计算方法。通过液态水的分子动力学模拟，来评估所获得的静电相互作用的计算方法在生物大分子动力学模拟应用中的有效性。同时探讨将镜像法推广到非球状，特别是椭球状，绝缘腔反应场计算的可行性。

电荷间的静电相互作用对生物大分子的结构、动态特性及功能起着决定性的作用，因而设计生物分子中静电相互作用的快速而精确的计算方法必将对生物系统的计算机模拟有着现时和深远的意义。本课题基于纯水溶剂反应场计算方面开创性的研究成果，设计了生物分子动力学模拟中静电相互作用计算的高精高效的镜像方法。首先，针对常用的阶跃二层电介质混合显隐溶剂模型，提出了计算球状绝缘腔中低浓度离子溶剂感应下反应场的6阶精度镜像法。其次，着眼于形状不规则的生物大分子的动力学模拟，一方面，提出了旋转椭球状和一般椭球状绝缘腔下的拟调和三层连续电介质混合溶剂模型，给出了该模型下广义库仑势和自极化势的精确解析表达式。另一方面，对一般的三层连续电介质混合溶剂模型，设计了计算广义库仑势和自极化势的稳定数值方法，并将其应用到有限势阱类球状半导体量子点的电子态的数值模拟中。同时，还将上述结果进一步推广到平面扩散界面情形，并应用到生物膜的计算机模拟中。最后，提出了计算旋转椭球状和一般椭球状绝缘腔中反应场的镜像法。并以此为基础，将镜像溶剂模型（ICSM）加以推广，建立了不规则生物大分子动力学模拟中的广义镜像溶剂模型（GICSM）。将镜像方法与快速多极法（FMM）结合在一起，设计并实现了混合显隐溶剂模型（椭球腔）中的O(N)静电相互作用的计算方法。通过液态水的分子动力学模拟，验证了广义镜像溶剂模型的有效性。