分子模擬/粗粒度模型

粗粒度 (CG) 模型是一種分子模擬模型，其中原子被轉換為更少的化學位點，稱為珠子。該模型旨在降低問題的複雜性，同時保留與關注特性相關的基本相互作用。減少粒子數量消除了不相關的振動模式，從而降低了分子模擬的計算資源需求。

數學表示

令 A 為一個 n×3 矩陣，其中每一行表示原子的 3D 直角座標。在大多數 CG 模型中，CG 對映 f 是矩陣 $\mathbf {A}$ 到一個新的 m×3 矩陣 $\mathbf {C}$ （其中 m<n）的線性變換，透過一個 m×n 矩陣 $\mathbf {M}$

\mathbf {C} =\mathbf {M} \mathbf {A}

(1)

其中 M 是權重矩陣。

一般來說，Noid 等人 ^[1] 建議 5 個條件來確保 CG 模型與全原子 (AA) 模型一致

AA 座標與 CG 座標之間的關係是線性的，或者遵循方程式 (1)
對於每個 CG 珠子，都只有一個 AA 原子僅屬於該 CG 珠子
CG 模擬中的力滿足 AA 力場的平均力 ^[1]
$F_{I}(R^{N})=\left\langle F_{I}(r^{n})\right\rangle _{R^{N}}$

(2)
沒有原子參與多個 CG 位點的定義
CG 質量是相應原子質量的加權調和平均值 ^[1]
$M_{I}=\left(\sum {\frac {c_{Ii}^{2}}{m_{i}}}\right)^{2}$

(3)

常見的粗粒度模型

建立 CG 模型有兩種方法。第一種方法稱為“自下而上”，從 AA 結構或聯合原子 (UA) 結構（所有氫原子隱式地連線到重原子的結構）開始。CG 模型將原子組替換為預定義的 CG 珠子，以便新模型重新建立原始模型的結構和相互作用能。另一方面，“自上而下”方法從實驗資料獲得的生物大分子結構開始。可以定義珠子之間的對映和相互作用，以穩定這些經驗結構。

文獻中出現了幾個著名的 CG 模型，包括

彈性網路模型：該模型中的氨基酸在 CG 模型中用一個珠子表示。該模型中珠子之間的相互作用很簡單，旨在重新建立從經驗獲得的蛋白質的天然結構。

Go 類模型：與彈性網路模型類似，Go 類模型使用一個珠子來表示每個氨基酸。然而，該模型中計算和引數化了許多非鍵相互作用，從而能夠描述蛋白質摺疊。 ^[2]

直接玻爾茲曼反演：擁有鍵的能量形式、分子動力學的非鍵勢形式，該方法最佳化引數以模擬原子分佈。換句話說，該方法將 AA 模型的原子對平均力勢重新生成到 CG 模型。

MARTINI 模型

MARTINI 模型是 Marrink 和 Tieleman ^[3] 推出的一個 CG 模型。該模型旨在提供“更廣泛的應用範圍，而無需每次都重新引數化模型”。MARTINI 用於模擬脂質系統、肽-膜結合或蛋白質-蛋白質識別。

MARTINI 中的珠子通常包含四個重原子（不包括氫原子）。與其他 CG 模型不同，MARTINI 僅包含幾種 CG 型別，這些型別基於珠子的電荷和極化率，而不是原子組成。對於最新版本，該模型具有四個主要的相互作用位點，包括 P 表示極性、N 表示非極性、C 表示非極性，以及 Q 表示帶電荷。然後，這些型別被擴充套件為 18 種亞型以描述詳細的相互作用。

參見

維基百科：力場 (化學)#粗粒度力場

維基百科：MARTINI

參考文獻

↑ ^a ^b ^c Noid, W.G. (2008). "The multiscale coarse-graining method. I. A rigorous bridge between atomistic and coarse-grained models". The Journal of Chemical Physics. 128 (24): 244144. doi:10.1063/1.2938860. {{cite journal}}: Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
↑ Tozzini, Valentina (April 2005). "Coarse-grained models for proteins". Current Opinion in Structural Biology. 15 (2): 144–150. doi:10.1016/j.sbi.2005.02.005.
↑ Marrink, Siewert J. (January 1, 2004). "Coarse Grained Model for Semiquantitative Lipid Simulations". The Journal of Physical Chemistry B. 108 (2): 750–760. doi:10.1021/jp036508g. {{cite journal}}: Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)

[condition-1] Noid, W.G. (2008). "The multiscale coarse-graining method. I. A rigorous bridge between atomistic and coarse-grained models". The Journal of Chemical Physics. 128 (24): 244144. doi:10.1063/1.2938860. {{cite journal}}: Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)

[protein-2] Tozzini, Valentina (April 2005). "Coarse-grained models for proteins". Current Opinion in Structural Biology. 15 (2): 144–150. doi:10.1016/j.sbi.2005.02.005.

[martini-3] Marrink, Siewert J. (January 1, 2004). "Coarse Grained Model for Semiquantitative Lipid Simulations". The Journal of Physical Chemistry B. 108 (2): 750–760. doi:10.1021/jp036508g. {{cite journal}}: Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)

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