分子动力学：生物医学应用

角质层在RONS穿透皮肤的过程中扮演着重要的作用，为了从微观上研究RONS 穿透皮肤角质层的过程，以及深入研究不同RONS（H2O2、OH、HO2、O2、O3、NO、NO2、N2O4、HNO2、HNO3、）穿透角质层的能力，研究人员构建了角质层双脂质分子层和主要RONS的分子动力学模拟模型，并研究了这些RONS穿透皮肤角质层的过程，计算了其穿透角质层的转移自由能。

分子动力学模拟是一种以分子为基础的经典力学模型，即分子力场为基础，通过数值求解分子体系的运动方程，研究分子体系的结构与性质的计算机模拟方法。最早的分子动力学模拟由Alder和Wainwright在1957年报道。他们提出了经典的分子动力学方法，研究了从32个至500个刚性小球分子系统的运动，并将此应用于气体的状态方程的研究[42～43]。随后，随着分子动力学理论的不断完善与发展、计算机软硬件的飞速发展和普及，分子动力学模拟的体系与应用范围不断扩大。现今，分子动力学模拟的研究方法已广泛应用于化学化工、生物医药、材料科学、物理等领域，帮助人们理解物理或者生命过程的微观机理，乃至预测新材料的性质。

分子动力学模拟基于经典的牛顿力学以及物质的分子原子模型。对于含有N 个相互作用的粒子系统，分子动力学模拟求解该系统各个粒子的牛顿运动方程：

其中，mi为第i个粒子的质量，ri为第i个粒子的矢量坐标，t为时间，Fi为第i个粒子在t时刻所受的力。

同时，根据牛顿力学，有

其中，vt与rt为第i个粒子在t时刻的速度与位置，v0与r0为第i个粒子的初始速度与初始位置。

由此，对于某一特定系统，只要给定相应的初始条件以及系统中各粒子所受的作用力Fi，即可求解出一个小的时间步长后系统中各个粒子的速度vt与位置rt，反复迭代后，即可求得某一时间尺度下该系统的演化过程，这就是分子动力学模拟的基本思想。

根据经典力学，粒子之间的相互作用力与其势能（势函数）相对应，有

其中，V 为粒子的势函数。(www.xing528.com)

因为势函数决定了粒子间的相互作用，所以可以说势函数决定了物质的性质，是物质世界多样性的根源。

对于单原子分子，分子的总势能为分子间相互作用势能之和；对于复杂的多原子分子，考虑到分子间的相互作用力也可能造成分子中原子的相对位置的变化，造成分子内势能的变化，则多原子分子的总势能为分子内势能与分子间势能之和，即

分子内势能又可分为分子内成键相互作用势能以及分子内非成键相互作用势能。分子内成键相互作用势能包括键的伸缩势能、键角的弯曲势能、二面角扭曲势能、离面弯曲势能、交叉耦合势能等；而分子内非成键相互作用势能包括范德华（VanderWaals，VDW）相互作用势能以及静电相互作用势能。分子间的相互作用势能为非成键相互作用势能，包括范德华相互作用势能和静电相互作用势能。应该注意的是，一般把除静电相互作用势能之外的分子间相互作用势能都归入范德华相互作用势能，包括氢键相互作用势能。分子总势能与分子内和分子间势能的关系如图5.6.1所示。

因为分子由原子构成，分子内作用势能与分子间作用势能本质上是原子间的相互作用势能，将分子间的非成键相互作用势能与分子内的非成键相互作用势能合并为原子间的非成键相互作用势能，则系统总势能有

在分子动力学模拟中，通过定义原子之间的成键相互作用势能与非成键相互作用势能构建势函数。

系统中原子的势函数是其势能的表达式，若已知系统中所有原子的势函数，即可根据式（5.6.4）推算出系统中各个原子所受的力。根据初始条件，即可演算系统的运行过程，统计系统运行过程中的各种物理量，所以原子的势函数形式以及参数是分子动力学模拟中最重要的量。对于不同类型的原子，将其势函数的表达式、参数和常数归结为一个参数文件，即为力场。力场是为特定的原子或分子开发的势函数参数集，有特定的适用范围。不同的力场有不同的形式，力场内部是自洽的，但是在同一模拟体系中一般不能混用。

图5.6.1　分子总势能与分子内和分子间势能的关系总结

适用于生物分子的常用的全原子力场有OPLS-AA 全原子力场、CHARMM22 全原子力场等，适用于生物分子的常用的联合原子力场有CHARMM19力场、GROMOS力场等，适用于生物分子的常用的粗粒度力场有MARTINI力场等。