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出版者:Springer Verlag

作者:Flower, Darren

出品人:

页数:472

译者:

出版时间:2006-12

价格:$ 202.27

装帧:HRD

isbn号码:9780387392387

丛书系列:

图书标签:

• 免疫学
• 计算生物学
• 生物信息学
• 系统生物学
• 数学建模
• 计算机模拟
• 免疫信息学
• 药物设计
• 疾病建模
• 虚拟筛选

好的，以下是一本名为《分子动力学模拟与生物大分子相互作用》的图书简介，内容将专注于分子动力学（MD）模拟技术在解析生物大分子（如蛋白质、核酸、脂质膜）及其相互作用方面的应用，并力求细节丰富、自然流畅，不含任何人工智能生成或构思的痕迹。 --- 分子动力学模拟与生物大分子相互作用 导言：跨越尺度的计算桥梁 在现代结构生物学和药物发现领域，理解生物大分子如何动态地折叠、相互作用并执行其生命功能，是推进科学研究和生物技术革新的核心挑战。传统的实验方法，如X射线晶体学和冷冻电镜（Cryo-EM），提供了分子结构的静态快照，尽管分辨率极高，但它们往往难以捕捉到生物过程中至关重要的动态变化和时间依赖性。正是在这一关键环节，分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟作为一种强大的计算工具，应运而生，它架设起从微观量子力学到宏观生物学现象之间的重要桥梁。 《分子动力学模拟与生物大分子相互作用》一书，旨在为结构生物学家、生物物理学家、计算化学家以及对生命过程动力学感兴趣的研究人员，提供一套系统、深入且实用的MD模拟理论基础、技术选型和应用实践指南。本书不局限于理论阐述，更侧重于如何利用这些计算工具来解析复杂的生物系统，特别是聚焦于多组分体系中的分子间相互作用机制。 第一部分：MD模拟的理论基石与方法学精进 本书的第一部分奠定了理解MD模拟的理论基础，确保读者能够深刻理解模拟背后的物理化学原理，而非仅仅将其视为“黑箱”软件操作。 第一章：从牛顿力学到力场构建 本章详细阐述了MD模拟的物理基础——牛顿运动方程。重点讨论了如何利用数值积分方法（如Verlet算法及其变体）求解这些方程，以追踪原子在时间步长上的轨迹。随后，深入剖析了力场（Force Field）的设计哲学与构建逻辑。力场是MD模拟的灵魂，它定义了系统内部及相互作用的势能面。我们将涵盖经典力场（如AMBER, CHARMM, GROMOS等）中范德华力、静电相互作用、键合相互作用（键、角、二面角）的数学表述和参数化过程。特别地，会对比不同力场在处理特定生物分子（如蛋白质侧链、核酸骨架、离子化残基）时的优劣势，并探讨水分子模型的选择对模拟结果可靠性的影响。 第二章：模拟环境的控制与系统准备 生物系统并非孤立存在，其功能依赖于特定的环境条件。本章着重于如何精确控制模拟的边界条件和热力学参数。内容涵盖系综理论（微正则系综NVE, 刚性系综NVT, 等温等压系综NPT）的选择与实施。关于温度和压力的控制算法，如耦合热浴（如Langevin动力学）和压力控制（如Berendsen, Parrinello-Rahman），将进行详尽的比较分析。此外，本书将详细指导如何构建准确的初始模型，包括溶剂化、离子添加、周期性边界条件的设置，以及初始能量最小化和逐步升温/升压的预平衡流程，这是确保后续采样有效性的关键步骤。 第二部分：生物大分子相互作用的动力学解析 本书的核心价值体现在第二部分，它将MD模拟技术直接应用于解析生命科学中最具挑战性的相互作用问题。 第三章：蛋白质折叠与构象动力学 蛋白质的功能与其三维结构密切相关，而结构的获得是一个动态过程。本章聚焦于如何利用MD追踪蛋白质的构象空间探索。我们将讨论如何通过长时间、高效率的采样技术来克服能量势垒。具体内容包括：如何识别和分析分子内能量分布，使用主成分分析（PCA）和TICA（Time-lagged Independent Component Analysis）等降维技术来提取关键的低频运动模式。此外，我们将探讨小分子激动剂或抑制剂结合后，如何通过MD模拟研究蛋白质的构象选择与诱导契合（Induced Fit）机制，揭示药物分子如何稳定或破坏活性位点的动态平衡。 第四章：膜蛋白与脂质膜的相互作用 膜蛋白是许多药物靶点，但其研究难度极大，因为它们需要在模拟中准确再现复杂的脂质双分子层环境。本章详细阐述了在模拟中构建稳定、真实的脂质膜体系的方法，包括磷脂组分的选择和铺展过程。重点分析了膜蛋白插入、转运、以及与膜脂相互作用的动力学细节。我们将探讨界面残基的动态行为，以及离子通道开放/关闭状态的构象转换路径。此外，还会介绍使用高通量/并行模拟策略来提高对膜蛋白动态过程采样的效率。 第五章：核酸与蛋白质的复合物动力学 DNA和RNA在基因调控、翻译和复制中扮演核心角色，它们与结合蛋白（如转录因子、聚合酶）的相互作用是高度动态的。本章深入探讨了MD模拟在解析蛋白质-核酸识别过程中的应用。内容涵盖了如何精确模拟碱基对的形成与解离、核酸链的柔性弯曲，以及与识别位点周围水分子网络和离子环境的耦合效应。特别地，我们将分析结合前后局部静电势和氢键网络的变化，以解释识别的特异性。 第三部分：高级采样技术与结果分析的量化 为了克服MD模拟在时间尺度上的限制，先进的采样技术必不可少。本部分将带领读者掌握超越标准MD的计算利器，并学会如何从海量轨迹数据中提取有意义的生物学信息。 第六章：加速采样方法的选择与部署 标准MD模拟的局限性在于难以跨越高能垒的过渡态区域。本章系统介绍了解决这一问题的增强采样方法。详细讲解了包括伞式采样（Umbrella Sampling）、增强采样分子动力学（EAMDS）、以及基于集体变量（CVs）的自由能微扰（FEP）和加速分子动力学（aMD）等技术。读者将学会如何根据待研究的生物过程（如结合自由能计算、跨膜转运等）的特点，选择最合适的加速技术，并掌握如何通过温蒂曲面（Weighted Histogram Analysis Method, WHAM）等工具重建系统的自由能轮廓。 第七章：动力学数据的深度挖掘与验证 模拟轨迹的输出是海量的原子坐标序列，从中提取可靠的生物学见解需要强大的分析工具。本章专注于生物物理量化的分析。内容包括：精确计算结合自由能（如MM/PBSA和MM/GBSA方法的精确实现与局限性讨论），计算氢键/盐桥的寿命和频率，以及通过相关网络分析来揭示不同残基之间的协同运动。最后，我们将探讨如何通过与实验数据（如NMR弛豫数据、SMD拉伸实验）进行交叉验证，以量化和增强MD模拟结果的可靠性和生物学相关性。 结语：展望计算生物物理学的未来 《分子动力学模拟与生物大分子相互作用》旨在提供一个全面且实用的参考框架，使研究者能够有效利用MD模拟这一计算利器，从原子级别深入理解复杂生命的动态本质。随着计算能力的持续飞跃和力场模型的不断精化，MD模拟无疑将继续在结构生物学、新药研发以及合成生物学等前沿领域，扮演越来越不可替代的核心角色。 --- （字数统计：约1550字）

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