摘要：在MD模拟过程中，为了尽可能地还原生物大分子（尤其是蛋白质）在生理环境下的状态，通常将这些生物大分子置于虚拟的水环境中，并假设它们在纯水或含离子水中完全溶剂化。当然，对于诸如膜蛋白等在生理状态下就并非完全暴露在水环境中的生物大分子，在进行MD模拟前还需做特殊处

分子动力学（五）

溶剂模型

在MD模拟过程中，为了尽可能地还原生物大分子（尤其是蛋白质）在生理环境下的状态，通常将这些生物大分子置于虚拟的水环境中，并假设它们在纯水或含离子水中完全溶剂化。当然，对于诸如膜蛋白等在生理状态下就并非完全暴露在水环境中的生物大分子，在进行MD模拟前还需做特殊处理。

溶剂分子，尤其是水分子的离散性对于蛋白质的热力学性质及功能意义重大。在MD模拟中，根据对水分子的描述方式的不同，一般可将溶剂模型分为显含溶剂模型和隐含溶剂模型两类。显含溶剂模型应用全原子力场描述水分子，可较为精确地处理溶质-溶剂间的相互作用。但相应的弊端则是，会显著增大模拟体系，占用大量计算资源。隐含溶剂模型则将溶剂整体视为连续介质，无单个的溶剂分子，从而大大减少了计算量。但此模型又难以处理离子效应或溶质与溶剂间的特殊相互作用等。因此，对于不同的课题，应慎重选用适当的溶剂模型。

一、隐含溶剂模型

隐含溶剂模型将溶剂视为连续介质，在处理溶质与溶剂间的相互作用时，将其简化为仅是溶剂构型的函数的平均场（mean field）。在多数情况下，蛋白质模拟研究的性质与溶剂分子在原子层面的行为关系不大。所以，隐含溶剂模型将溶剂分子不重要的原子尺度细节做平均化处理，可以显著减少体系的自由度，从而提高计算效率。与显含溶剂模型相比，此模型可更好地直接估算溶剂自由能。在研究生物而大分子折叠；构型转变；蛋白质-蛋白质、蛋白质-配体结合及药物分子跨膜转运等问题中，多使用隐含溶剂模型。

常用的隐含溶剂模型大致有两种类型：一种是基于溶剂可及表面积（solvent-accessible surface areas, SASA）的模型；另一种是基于泊松-玻尔兹曼方程的连续介质（continuous medium）模型。

二、显含溶剂模型

显含溶剂模型在处理溶剂分子与溶质生物大分子间的特殊相互作用，探究介质屏蔽效应等对生物大分子结构及功能影响方面，与隐含溶剂模型相比具有显著优势。显含溶剂模型有多种类型可选。对于生物大分子模拟而言，多使用水模型。常用的水模型包括TIP3P、TIP4P、TIP5P、SPC及SPC/E模型等。这些模型都是根据水的一种或几种物力性质优化得到的，所以能较好地体现水的这些性质。如：径向分布函数、扩散率、蒸发焓及密度等，但同时重现水的所有性质。上述显含水模型的偶极矩都大约为2.3 D，而气相水偶极矩实验测定值为1.85 D。TIP5P是上述模型中唯一可很好地描述水的密度随温度变化的水模型。此外，这些模型都将水分子视为完全刚性的结构，因此可与前面介绍的SHAKE约束算法兼容。

来源：采文科学乐园