發(fā)布時(shí)間：2021-10-17 04:04

　　近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)從頭算量子化學(xué)方法取得了較大的發(fā)展,使得人們?cè)噲D將理論計(jì)算方法應(yīng)用到越來(lái)越大的體系中去,相關(guān)應(yīng)用在生物大分子、材料等領(lǐng)域越來(lái)越普遍,應(yīng)用的范圍也從最初的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證分析到現(xiàn)在的預(yù)測(cè)、甚至指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行。同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)性能的提高,應(yīng)用時(shí)計(jì)算的理論水平和計(jì)算體系的復(fù)雜度也越來(lái)越高。由于量子化學(xué)方法的計(jì)算標(biāo)度與體系大小呈高階冪指數(shù)關(guān)系,在計(jì)算生物大分子性質(zhì)時(shí)人們往往只能使用較低的理論水平或縮小計(jì)算體系的尺寸,從而犧牲了理論計(jì)算精度。線性標(biāo)度的量子力學(xué)分塊方法為復(fù)雜生物大分子體系的應(yīng)用打開(kāi)了新的大門(mén),近年來(lái)受到人們的廣泛關(guān)注。該方法可以重現(xiàn)生物大分子全體系高階理論水平計(jì)算的結(jié)果,從而可以精確計(jì)算大分子能量,化學(xué)位移,動(dòng)力學(xué)等方面的性質(zhì)。本文首先將闡述近期發(fā)展的用于RNA總能量量子力學(xué)計(jì)算的EE-GMFCC方法。在EE-GMFCC方法中,RNA的總能量通過(guò)計(jì)算具有大帽子或小帽子（分別稱為EE-GMFCC-LC和EE-GMFCC-SC）的每個(gè)核苷酸中心片段的QM能量再經(jīng)過(guò)對(duì)其適當(dāng)組合獲得。在能量計(jì)算中考慮了非相鄰但空間上距離較近的核苷酸的兩體QM相互作用能量。針對(duì)EE-GMFCC-LC... 

【文章來(lái)源】：華東師范大學(xué)上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：109 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

量子化學(xué)分塊方法中各分塊可獨(dú)立并行計(jì)算，從而大大提升計(jì)算效率

圖 1.2 各量子化學(xué)計(jì)算方法的計(jì)算標(biāo)度。為了解決標(biāo)度問(wèn)題，將量子力學(xué)方法應(yīng)用于復(fù)雜大分子體系，近年來(lái)人們開(kāi)發(fā)了許多線性標(biāo)度的量子力學(xué)分塊方法。這些分塊方法主要分為兩類（見(jiàn)圖 1.3），一類是基于包含-排除（Inclusion ExclusionPrinciple，IEP）的分塊間有重疊的方法，例如分子碎片共軛帽（theMolecularFractionationwithConjugateCaps,MFCC）方法5，廣義的基于能量分塊（the Generalized Many-Body Fragmentation, GEBF）方法6，系統(tǒng)分子碎片（Systematic Molecular Fragmentation, SMF）方法7，組合分塊方法（theCombinedFragmentationMethod,CFM）8,分子裁剪法（theMolecularTailoring Approach, MTA）9，eXtended ONIOM (XO)10等。此類分塊方法的能量計(jì)算公式可以廣義的表達(dá)為：1 N(A A )= (A ) (A A )N Ni i jE E E …

圖 1.3 量子化學(xué)分塊方法的分類14。在分塊方法中，長(zhǎng)程相互作用的處理對(duì)分塊精度也有著較為重要的影響。為了更為精確的描述全體系計(jì)算的能量，人們?cè)诜謮K方法中加入了多層次理論，將量子力學(xué)計(jì)算的分塊以外的區(qū)域采用較低層次的理論來(lái)近似原子與 QM 區(qū)域間影響較小的的長(zhǎng)程相互作用，同時(shí)不帶來(lái)較大的計(jì)算量。典型的多層次理論包括QM/MM18和 ONIOM 模型19， QM/MM 方法是將量子力學(xué)方法和傳統(tǒng)分子力學(xué)方法結(jié)合起來(lái)，該方法基于“化學(xué)局域性”假設(shè)，對(duì)體系中較重要的位點(diǎn)如酶蛋白的反應(yīng)區(qū)域用高精度的量子力學(xué)計(jì)算，而較次要的距離反應(yīng)中心較遠(yuǎn)的蛋白環(huán)境用分子力學(xué)進(jìn)行近似，從而開(kāi)創(chuàng)了將多尺度模型應(yīng)用于復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)的先河。早期提出該方法的工作者 Karplus，Levitt 和 Warshel 也因此獲得了 2013 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。ONIOM 模型的思想是將分子像洋蔥一樣分成若干層，不同層使用不


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