鄭浩平，吳麗華，李 根

（同濟(jì)大學(xué) 物理系，上海 200092）

蛋白質(zhì)分子的電子結(jié)構(gòu)對(duì)研究蛋白質(zhì)分子性質(zhì)及其生物活性有重要意義，但其計(jì)算量極其巨大.過(guò)去20多年里，計(jì)算凝聚態(tài)物理和量子化學(xué)領(lǐng)域中對(duì)一類所謂的O（N）（計(jì)算量正比于系統(tǒng)所含粒子數(shù)N）方法很有興趣.團(tuán)簇埋入自洽計(jì)算（selfconsistent cluster-embedding calculation，SCCE）［1-2］方法是其中一種，它基于密度泛函理論，屬“第一性原理、全電子、從頭計(jì)算”法.SCCE方法得到的單電子波函數(shù)是局域化的，也就是說(shuō)，每個(gè)單電子波函數(shù)只局域于系統(tǒng)的某個(gè)部分.該方法有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①材料中的局域化價(jià)電子可很好地被SCCE計(jì)算得到的局域化波函數(shù)描述；②適用于任何復(fù)雜系統(tǒng)，可在不降低計(jì)算精度的條件下極大地減少計(jì)算量.這使得在現(xiàn)有超級(jí)計(jì)算機(jī)上計(jì)算蛋白質(zhì)分子的電子結(jié)構(gòu)成為可能.用SCCE方法已經(jīng)算出了三個(gè)較小的蛋白質(zhì)分子的電子結(jié)構(gòu)［3-6］.

盡管SCCE方法極大地減小了計(jì)算量，但把大量水分子直接添加到蛋白質(zhì)分子電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算中，其計(jì)算量仍十分巨大.另一方面，雖然已有一些課題組在考慮水溶液影響的基礎(chǔ)上發(fā)展了若干水溶液的連續(xù)介質(zhì)模型［7-8］，但它們主要用于計(jì)算蛋白質(zhì)分子的折疊過(guò)程和空間結(jié)構(gòu).研究者所關(guān)心的是蛋白質(zhì)分子在溶液環(huán)境下、已具有穩(wěn)定空間結(jié)構(gòu)時(shí)的電子結(jié)構(gòu).最后，考慮到蛋白質(zhì)分子的活性部位及其局域分子軌道在空間尺度上與一個(gè)水分子相當(dāng)，顯然不能把水分子近似成一個(gè)導(dǎo)體樣、可極化的連續(xù)介質(zhì)，這里確實(shí)需要仔細(xì)考慮各個(gè)最近鄰水分子的影響.因此需要一個(gè)新的、簡(jiǎn)單易用、幾乎不增加計(jì)算量又能很好地模擬水溶液對(duì)蛋白質(zhì)分子電子結(jié)構(gòu)影響的等效勢(shì).

自然界中的蛋白質(zhì)分子有幾十萬(wàn)種，基本上由20種氨基酸組成.因此只需構(gòu)造水溶液對(duì)20種氨基酸電子結(jié)構(gòu)的等效勢(shì)，就可應(yīng)用于各種蛋白質(zhì)分子電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算.已經(jīng)有15種氨基酸得到了研究：半胱氨酸 （Cys），賴氨酸 （Lys＋），組氨酸（His），谷氨酸 （Glu-），丙氨酸（Ala），天冬氨酸 （Asp-），絲氨酸 （Ser），蘇氨酸 （Thr），天冬酰胺 （Asn），甘氨酸（Gly），亮氨酸（Leu），精氨酸（Arg＋），脯氨酸（Pro），異亮氨酸（Ile）和酪氨酸（Tyr）［9-19］.本文將構(gòu)造水溶液對(duì)另一個(gè)氨基酸——纈氨酸（Val）電子結(jié)構(gòu)的等效勢(shì).纈氨酸是疏水性的、非極性氨基酸，有19個(gè)原子，其側(cè)鏈?zhǔn)且粋€(gè)異丙基.纈氨酸在水溶液中不帶電.

本文首先用“自由團(tuán)簇計(jì)算法”計(jì)算纈氨酸和水分子系統(tǒng)總能量最低時(shí)的空間結(jié)構(gòu)；其次，基于上一步的空間結(jié)構(gòu)，用SCCE方法算得水分子外勢(shì)下纈氨酸的電子結(jié)構(gòu)；最后用偶極子代替水分子，調(diào)節(jié)偶極子的電荷值和位置，構(gòu)建水溶液對(duì)纈氨酸電子結(jié)構(gòu)的等效勢(shì).

1 理論模型

本文所用的自由團(tuán)簇計(jì)算法和SCCE方法已在文獻(xiàn)［1，19］中有詳細(xì)敘述，這里僅作簡(jiǎn)單介紹.

根據(jù)密度泛函理論（DFT）［20-21］，一個(gè)含N 個(gè)電子和M 個(gè)固定原子核的系統(tǒng)總能量可寫(xiě)成（不含相對(duì)論效應(yīng)，本文采用固體物理學(xué)中的原子單位制：e2＝2，?＝1，2me＝1；能量單位為 Rydberg常數(shù)：

式中：ρ是電子密度，r，r′是空間坐標(biāo)，Rj和Zj分別是第j個(gè)原子核的空間坐標(biāo)和電荷值，Tni［ρ］是無(wú)相互作用電子系統(tǒng)的動(dòng)能，Exc［ρ］是交換-關(guān)聯(lián)能.在推導(dǎo)式（1）時(shí)，Kohn等已假定存在一個(gè)“無(wú)相互作用電子系統(tǒng)”，其基態(tài)電子密度等于真實(shí)系統(tǒng)基態(tài)電子密度ρ［21］.現(xiàn)在，每一個(gè)無(wú)相互作用電子可用一個(gè)定態(tài)單電子波函數(shù)（r）描述，“無(wú)相互作用電子系統(tǒng)”的電子密度和動(dòng)能可寫(xiě)成

存在二種無(wú)相互作用電子：擴(kuò)展的和局域化的，它們滿足不同的邊界條件，并對(duì)應(yīng)不同的計(jì)算方法.

1.1 擴(kuò)展的

限定每一個(gè)無(wú)相互作用單電子波函數(shù)Φσn（r）擴(kuò)展于系統(tǒng)所占有的全部空間.在此模型下，對(duì)理想晶體，Φσn（r）滿足周期性邊界條件，則方程（4）中的單電子哈密頓具有ρ（r）的周期性，布洛赫定理成立，能帶計(jì)算得以進(jìn)行.對(duì)一個(gè)自由團(tuán)簇，方程（4）在邊界條件下求解，此時(shí)單電子哈密頓具有自由團(tuán)簇的點(diǎn)對(duì)稱性.

1.2 局域化的

現(xiàn)在考慮第i個(gè)被埋入團(tuán)簇，其他（k-1）個(gè)被埋入團(tuán)簇被看作固定的環(huán)境，其原子稱為周?chē)?，每個(gè)周?chē)佑袀€(gè)芯區(qū).第i個(gè)被埋入團(tuán)簇的電子密度用ρ1（r）表示，其他（k-1）個(gè)被埋入團(tuán)簇的電子密度用ρ2（r）表示（分布區(qū)域與ρ1（r）有小的交疊）.由于所有N 個(gè)（r）都是局域化的，有（N＝N1＋N2）

在式（1）右邊加上一個(gè)等于零的積分∫ρ1（r）Vor（r）dr，結(jié)合式（5）和（6），假定ρ2（r）固定，現(xiàn)在對(duì)式（1）的變分就得到SCCE方法的基本方程［1］

可以證明：方程（7）就是帶有特殊邊界條件（9）和（10）的Kohn-Sham方程（4）.對(duì)一個(gè)真實(shí)有限系統(tǒng)，二個(gè)邊界條件對(duì)不同的被埋入團(tuán)簇是不一樣的.依次解出所有k個(gè)被埋入團(tuán)簇，方程（7）給出整個(gè)系統(tǒng)的一組完整的單電子波函數(shù)，它使式（1）的總能量最小.可看文獻(xiàn)［19］以更詳細(xì)地了解密度泛函理論、自由團(tuán)簇計(jì)算法和SCCE方法.

2 計(jì)算過(guò)程和結(jié)果

2.1 確定Val＋7H2O系統(tǒng)的空間位形

本文用Val＋7H2O系統(tǒng)來(lái)模擬水溶液中的纈氨酸系統(tǒng).當(dāng)然，就水溶液中纈氨酸幾何結(jié)構(gòu)的自由度來(lái)說(shuō)，7個(gè)水分子是不夠的.但這里不是要模擬室溫下水溶液中纈氨酸的結(jié)構(gòu)變化，而是要構(gòu)建水溶液對(duì)纈氨酸電子結(jié)構(gòu)的等效勢(shì).從電子結(jié)構(gòu)角度來(lái)說(shuō)，只需考慮如下7個(gè)水分子：它們都處于Val的最近鄰位置，與Val形成氫鍵，并使Val＋7H2O系統(tǒng)總能量最小.理由如下：①在計(jì)算中，Val已具有其水溶液中的空間結(jié)構(gòu)且保持不變.②由于Val周?chē)罱徔臻g的有限性和氫鍵的飽和性，只有有限個(gè)水分子能跟Val形成氫鍵.事實(shí)上，用了7個(gè)水分子后，Val中的H和O原子已經(jīng)全部和水分子形成氫鍵.③雖然室溫下水分子在不斷振動(dòng)、運(yùn)動(dòng)，但根據(jù)統(tǒng)計(jì)力學(xué)，它們有最大概率處在使系統(tǒng)能量最低的位置.④距離較遠(yuǎn)的極性水分子的偶極子勢(shì)以1／r2的速度衰減.所以不管位于遠(yuǎn)處的其余水分子如何分布，至少作為一級(jí)近似，這7個(gè)水分子已經(jīng)給出了水溶液對(duì)Val電子結(jié)構(gòu)的主要影響.所以，7個(gè)水分子處在上述位置時(shí)的Val的電子結(jié)構(gòu)可近似看作是水溶液中Val的電子結(jié)構(gòu).

水溶液中纈氨酸的19個(gè)原子空間坐標(biāo)在表1中給出.它取自洛克菲勒大學(xué)質(zhì)譜技術(shù)及氣相離子化學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供的PDB格式文件（http：／／prowl.rockefeller.edu／aainfo／struct.htm）.

表1 纈氨酸各原子坐標(biāo)Tab.1 Atomic coordinates of valine

在中性溶液（pH＝7）中，氨基得到一個(gè)質(zhì)子變?yōu)镠3N＋，羧基失去一個(gè)質(zhì)子變?yōu)镃OO-.水分子是極性的，主要影響纈氨酸的氨基、羧基及側(cè)鏈.開(kāi)始時(shí)，7個(gè)水分子是半隨機(jī)分布的：H3N＋附近3個(gè)，COO-附近1個(gè)，側(cè)鏈附近3個(gè).每個(gè)水分子都和纈氨酸形成氫鍵，使Val＋7H2O系統(tǒng)有較低能量.

所有計(jì)算采用von Barth 等［22］提出的、由Rajagopal及其合作者［23］進(jìn)行了再參數(shù)化的交換-關(guān)聯(lián)勢(shì).計(jì)算所用的C，N，O，H四類原子的優(yōu)化高斯基函數(shù)與計(jì)算蛋白質(zhì)分子電子結(jié)構(gòu)時(shí)所用的相同［3-6］：碳原子為8s6p，26個(gè)高斯基函數(shù)；氮原子為8s7p，29個(gè)高斯基函數(shù)；氧原子為8s7p，29個(gè)高斯基函數(shù)；氫原子為8s1p，11個(gè)高斯基函數(shù).整個(gè)Val＋7H2O系統(tǒng)共取695個(gè)高斯基函數(shù).為了對(duì)交換-關(guān)聯(lián)勢(shì)Vxc進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，系統(tǒng)所在空間被分割成440002個(gè)格點(diǎn).

計(jì)算所用的自由團(tuán)簇計(jì)算程序由美國(guó)路易斯安納州立大學(xué)物理系的卡拉威教授研究組開(kāi)發(fā)［24］.對(duì)Val＋7H2O系統(tǒng)自洽求解后得到系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)、總能量及每個(gè)原子受力情況.

在對(duì)Val＋7H2O系統(tǒng)空間位形優(yōu)化的過(guò)程中有三個(gè)限制：①Val的幾何結(jié)構(gòu)固定不變；②水分子的幾何結(jié)構(gòu)固定不變；③調(diào)節(jié)Val和水分子的相對(duì)位置時(shí)，水分子只能處在Val的最近鄰位置附近.7個(gè)水分子根據(jù)受力逐個(gè)調(diào)節(jié).每個(gè)水分子在調(diào)節(jié)過(guò)程中，沿受力方向一次性取12個(gè)由近到遠(yuǎn)的位置，以避免水分子落入某個(gè)局部極小區(qū)域.調(diào)完7個(gè)水分子算一輪.經(jīng)過(guò)近百輪的調(diào)節(jié)，Val＋7H2O系統(tǒng)能量達(dá)到最低，Val＋7H2O系統(tǒng)的空間位形也就確定了.

計(jì)算結(jié)果得Val＋7H2O系統(tǒng)最終位形的能量是-1865.9726 Ry.圖1為最終空間位形（Val原子標(biāo)號(hào)根據(jù)表1標(biāo)出）.

圖1 Val＋7H2O系統(tǒng)的最終空間位形圖Fig.1 Final configuration of Val＋7H2O system

當(dāng)然，即使再做上百輪計(jì)算，也不能絕對(duì)地說(shuō)已得到能量最低的空間位形.但可以確信上述空間位形的系統(tǒng)總能量已經(jīng)非常接近最低能量了.因此，在上述7個(gè)水分子勢(shì)下Val的電子結(jié)構(gòu)可以近似看作水溶液中Val的電子結(jié)構(gòu).理由如下：第一，本文不研究Val和水分子的相對(duì)位置.第二，室溫下，不存在蛋白質(zhì)分子和水分子之間固定的氫鍵，所以蛋白質(zhì)分子和水分子之間也沒(méi)固定相對(duì)位置.水分子只以最大概率處在使系統(tǒng)能量最低的位置.第三，為了減小計(jì)算量，在基于密度泛函理論的自由團(tuán)簇計(jì)算和能帶計(jì)算中都采用了電子密度擬合技術(shù)：用一個(gè)贗電子密度來(lái)求解系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu).該贗電子密度不同于真實(shí)電子密度，但用它求出的系統(tǒng)總能量與用真實(shí)電子密度算出的系統(tǒng)總能量非常接近.人們認(rèn)為由這樣的贗電子密度求出的電子結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)真實(shí)電子結(jié)構(gòu)的很好近似.

2.2 水分子勢(shì)下Val的電子結(jié)構(gòu)

基于上一節(jié)所確定的Val＋7H2O系統(tǒng)的空間位形，將整個(gè)系統(tǒng)分為八個(gè)團(tuán)簇，Val為第一個(gè)團(tuán)簇，每個(gè)水分子各作為一個(gè)團(tuán)簇，進(jìn)行SCCE計(jì)算.和自由團(tuán)簇計(jì)算相比，SCCE計(jì)算使用相同的勢(shì)，只是單電子波函數(shù)變成局域的，這樣就從Val＋7H2O系統(tǒng)中分離出Val的電子結(jié)構(gòu).計(jì)算所用的SCCE計(jì)算程序?yàn)楸菊n題組自主開(kāi)發(fā)［25］.

計(jì)算采用分塊-合攏技術(shù)，含兩種形式的自洽循環(huán)：團(tuán)簇內(nèi)循環(huán)和團(tuán)簇間循環(huán).共進(jìn)行了十輪團(tuán)簇間循環(huán)，計(jì)算收斂，得到水分子勢(shì)下Val費(fèi)米面附近10個(gè)單電子態(tài)的能級(jí)和Mulliken分析值（布居數(shù)）.

2.3 用偶極子構(gòu)建等效勢(shì)

由于偶極子可以方便地加到SCCE計(jì)算中，并且?guī)缀醪辉黾佑?jì)算量.另一方面，極性水分子的勢(shì)可以合理地用偶極子勢(shì)模擬.因此選擇偶極子來(lái)構(gòu)建等效勢(shì).

把第2.2節(jié)中七個(gè)團(tuán)簇中的水分子用偶極子代替：水分子中氧原子的位置放一個(gè)負(fù)電荷，兩個(gè)氫原子連線中點(diǎn)放一個(gè)正電荷.七個(gè)偶極子的初始電荷值都設(shè)定為0.5 e，正負(fù)電荷間距離為L(zhǎng)＝0.05858 nm，并且固定不變.調(diào)整偶極子的電荷值及其空間位置，重新計(jì)算纈氨酸的電子結(jié)構(gòu).計(jì)算仍用SCCE計(jì)算程序，但因偶極子沒(méi)有電子，不需進(jìn)行團(tuán)簇間循環(huán)，只需對(duì)含纈氨酸的第一個(gè)團(tuán)簇進(jìn)行團(tuán)簇內(nèi)循環(huán)計(jì)算.

需要注意的是第2.1節(jié)的結(jié)果不能作為本節(jié)調(diào)節(jié)偶極子的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)檫@兩個(gè)系統(tǒng)包含的電子數(shù)目不同，每個(gè)電子的分布區(qū)域也不一樣.第2.2節(jié)用SCCE方法得到的結(jié)果才是標(biāo)準(zhǔn).為了判定現(xiàn)在算出的Val電子結(jié)構(gòu)和第2.2節(jié)中算出的Val電子結(jié)構(gòu)的差別，設(shè)定以下兩個(gè)判據(jù)：

（1）能量本征值的均方差

（2）電荷密度的等效均方差

二次計(jì)算所用的展開(kāi)基函數(shù)Ui（r）相同.由于計(jì)算中采用的“電荷擬合技術(shù)”［24，26］降低了判據(jù)（2）的可靠性，所以主要采用判據(jù)（1）.

用SCCE方法進(jìn)行Val團(tuán)簇內(nèi)循環(huán)計(jì)算，就可得到Val在七個(gè)偶極子勢(shì)下的電子結(jié)構(gòu)，然后求出上述兩個(gè)判據(jù)的值.逐次調(diào)節(jié)七個(gè)偶極子的電荷及空間位置，使上述兩個(gè)判據(jù)減小.經(jīng)過(guò)反復(fù)許多輪調(diào)節(jié)后，能量本征值均方差由最初的2.4823×10-3下降到了1.6082×10-3.這樣便用偶極子勢(shì)構(gòu)造了水溶液對(duì)纈氨酸電子結(jié)構(gòu)的等效勢(shì).表2給出了七個(gè)偶極子的最終電荷值和坐標(biāo)值.同時(shí)也得到了偶極子勢(shì)下纈氨酸費(fèi)米面附近10個(gè)能級(jí)的本征值及Mulliken分析值.

幾十年來(lái)，已有許多文獻(xiàn)討論了如何用點(diǎn)電荷水分子模型模擬水溶液的問(wèn)題.Guillot在他的綜述文章中列出了多達(dá)46種不同的點(diǎn)電荷水分子模型［27］，這實(shí)際上間接表明了點(diǎn)電荷水分子模型在定量描述真實(shí)水溶液性質(zhì)方面的不成功.在之前構(gòu)造等效勢(shì)的研究中［11，13，15］，除了偶極子，研究者還嘗試使用了兩種較流行的3點(diǎn)電荷水分子模型（TIP4P-FQ［28］與SPC［29-30］）.但計(jì)算顯示：更為復(fù)雜的3點(diǎn)電荷水分子模型未能給出比偶極子更好的結(jié)果，此問(wèn)題將另文討論.

3 討論

為了討論水溶液對(duì)纈氨酸電子結(jié)構(gòu)的影響，研究者用自由團(tuán)簇計(jì)算法計(jì)算了一個(gè)無(wú)外勢(shì)的、孤立纈氨酸的電子結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)總能量為-800.5700 Ry.同時(shí)也得到了其費(fèi)米面附近十個(gè)本征態(tài)的能量和Mulliken分析值.

表3給出了纈氨酸在三種條件下（偶極子勢(shì)、水分子勢(shì)和無(wú)外勢(shì)）費(fèi)米面附近第25到34能級(jí)的能量本征值，最后一行是費(fèi)密面上的能隙：Eg＝E33-E32.圖2是偶極子勢(shì)、水分子勢(shì)和無(wú)外勢(shì)條件下纈氨酸電子能級(jí)的比較示意圖.

纈氨酸的性質(zhì)主要由費(fèi)米面附近的電子態(tài)所決定.Mulliken分析值表明在偶極子勢(shì)和水分子勢(shì)下，Val費(fèi)米面以下各分子軌道的成分非常相似：第32，31兩個(gè)態(tài)主要被羧基的氧2p電子占據(jù)；第30態(tài)是個(gè)雜化態(tài)，主要被羧基的氧2p電子和Cα的2p電子占據(jù)；第29，28兩態(tài)主要被側(cè)鏈的碳2p電子占據(jù)；第27態(tài)主要被側(cè)鏈的碳2p電子、氫1s電子和Cα的2p和1s電子占據(jù)；第26態(tài)是雜化態(tài)，主要被羧基的碳2p電子、氧2p電子及4號(hào)碳原子的2p電子、17號(hào)氫原子的1s電子占據(jù)；第25態(tài)主要被3，4號(hào)碳原子的2p電子及16，19號(hào)氫原子的1s電子占據(jù).但是對(duì)于孤立的纈氨酸，三個(gè)分子軌道有所不同：第29態(tài)主要被羧基的氧2p和碳2p電子占據(jù)；第27態(tài)是個(gè)雜化態(tài)，主要被2，3，4號(hào)碳原子的2p電子及18號(hào)氫原子的1s電子占據(jù)；第25態(tài)也是個(gè)雜化態(tài)，主要被羧基的氧和碳2p電子、4號(hào)碳原子的2p電子及17號(hào)氫原子的1s電子占據(jù).

圖2 纈氨酸在不同外勢(shì)下能量本征值比較Fig.2 Comparison of eigenvalues of valine in different potentials

比較表3的第二列和第三列，以及圖2a，b，可以看出水溶液并沒(méi)有改變各電子態(tài)的相對(duì)位置.水溶液的主要影響是將纈氨酸費(fèi)米面以下八個(gè)能態(tài)平均提升了約0.0570 Ry，將能級(jí)擴(kuò)大了約30.37%.

比較表3的第三列和第四列，以及圖2b，c，可以看出以偶極子勢(shì)為外勢(shì)時(shí)，費(fèi)米面下各能級(jí)本征值與以水分子勢(shì)為外勢(shì)的各能級(jí)本征值很接近，只有第29態(tài)的能級(jí)升高了約0.0118 Ry.此外，用偶極子勢(shì)算得的能隙比用水分子勢(shì)算得的能隙擴(kuò)大了約19.73%.由于未占據(jù)態(tài)對(duì)電子密度無(wú)貢獻(xiàn)，因此可以認(rèn)為偶極子勢(shì)較好地模擬了水分子勢(shì)對(duì)纈氨酸電子結(jié)構(gòu)的影響.

4 結(jié)論

用第一性原理、全電子、從頭計(jì)算方法計(jì)算了水溶液對(duì)纈氨酸電子結(jié)構(gòu)的等效勢(shì).主要涉及三個(gè)步驟：第一，用自由團(tuán)簇計(jì)算方法得到能量最低時(shí)水分子與纈氨酸的相對(duì)空間位形；第二，在此空間位形的基礎(chǔ)上，用SCCE計(jì)算纈氨酸在水分子勢(shì)下的電子結(jié)構(gòu)；第三，用偶極子代替水分子，并進(jìn)行調(diào)節(jié)，使纈氨酸在偶極子勢(shì)下的電子結(jié)構(gòu)盡量接近水分子勢(shì)下的電子結(jié)構(gòu).

比較水分子勢(shì)、偶極子勢(shì)、無(wú)外勢(shì)三種情況下纈氨酸的電子結(jié)構(gòu)，水溶液對(duì)纈氨酸電子結(jié)構(gòu)的影響如下：使費(fèi)米面下八個(gè)能級(jí)平均提升約0.0570 Ry（0.7755eV），使能隙擴(kuò)大30.37%.由于水分子勢(shì)下和偶極子勢(shì)下的費(fèi)米面以下能態(tài)結(jié)構(gòu)很相似，所以偶極子勢(shì)可以較好地模擬水分子勢(shì).因此，基于第一性原理、全電子、從頭計(jì)算方法，構(gòu)造了一個(gè)簡(jiǎn)單易用、幾乎不增加計(jì)算量、可模擬水溶液對(duì)纈氨酸電子結(jié)構(gòu)影響的偶極子勢(shì).

水溶液對(duì)20個(gè)氨基酸電子結(jié)構(gòu)的等效勢(shì)很快將被全部構(gòu)造完畢.它們可被直接運(yùn)用于溶液中蛋白質(zhì)分子的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算，是基于分子中“局域化電子”的存在.大量事實(shí)表明，分子有許多性質(zhì)是與局域化電子相聯(lián)系的.這類性質(zhì)有明顯的“加和性”和“恒定性”：分子整體的性質(zhì)相當(dāng)精確地等于局部性質(zhì)之和，而這種局部性質(zhì)與某種局部結(jié)構(gòu)單元有相當(dāng)固定的聯(lián)系，即不論該局部結(jié)構(gòu)單元出現(xiàn)在什么分子中，它對(duì)分子這種性質(zhì)的貢獻(xiàn)幾乎是不變的.例如，所有飽和烴中C—H和C—C鍵的鍵能幾乎都是一樣的，分子的總鍵能幾乎嚴(yán)格等于各鍵鍵能之和.另外，蛋白質(zhì)分子的活性部位的存在也表明在這些部位有局域化價(jià)電子.蛋白質(zhì)基本上含20種氨基酸：每個(gè)氨基酸有一個(gè)N端、一個(gè)C端和一個(gè)側(cè)鏈；氨基酸脫水（變成氨基酸殘基）縮合構(gòu)成多肽鏈，每條多肽鏈有一個(gè)N端、一個(gè)C端和許多側(cè)鏈；一個(gè)蛋白質(zhì)分子由一條或多條多肽鏈組成.對(duì)處于蛋白質(zhì)分子內(nèi)部的N端、C端和側(cè)鏈，因屏蔽作用，不用考慮水溶液的影響.而對(duì)處于蛋白質(zhì)分子表面的N端、C端和側(cè)鏈（活性部位都在這些位置），可合理地認(rèn)為其局部結(jié)構(gòu)及其局域化價(jià)電子態(tài)與相應(yīng)的孤立氨基酸幾乎相同.因此，可把對(duì)單個(gè)氨基酸構(gòu)造的水溶液等效勢(shì)應(yīng)用于已組合成蛋白質(zhì)分子的且處于蛋白質(zhì)分子表面的氨基酸殘基的N端、C端和側(cè)鏈.

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