分子模拟和生物膜
Molecular
Simulations and Biomembranes
编 者：Mark S.P. Sansom
Philip C. Biggin
出 版 社：RSC Publishing
索 书 号：Q24/M718/2010/Y
藏书地点：武大外教中心
生物膜所含的蛋白叫膜蛋白，是生物膜功能的主要承担者。根据蛋白分离的难易及在膜中分布的位置，膜蛋白基本可分为三大类：外周膜蛋白、整合膜蛋白和脂锚定蛋白。膜蛋白的重要性通过其在基因组中的比例就可以看出，其中25%的基因编码膜蛋白；而当前的药物靶标中膜蛋白占到了50%。膜蛋白扮演着非常重要的细胞功能比如运输，信号传导以及细胞间的相互作用。尽管膜蛋白在细胞生理以及药物开发中非常重要，但是所解析的膜蛋白的结构还不到已知蛋白结构的1%。大部分的膜蛋白含有疏水的跨膜的α螺旋，膜蛋白和脂的相互作用对于执行其功能至关重要，脂双分子层可以影响膜蛋白的活性。但是通过实验手段来研究蛋白-膜的相互作用是非常困难的。所以通过计算机模拟来研究生物膜是一个不错的手段。然而由于膜蛋白的原子数目太多以及模拟时间尺度太长，直到最近随着计算机的发展才使得通过分子模拟来研究生物膜的生物学特性成为可能。
分子动力学是一门结合物理，数学,化学和计算机的分子模拟方法，该方法主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，以在由分子体系的不同状态构成的系统中抽取样本，从而计算体系的构型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。分子动力学一般包括几个步骤。1）确定起始构型，一个能量较低的起始构型是进行分子模拟的基础，一般分子的起始构型主要来自实验数据或量子化学计算。在确定起始构型之后要赋予构成分子的各个原子速度，这一速度是根据波尔兹曼分布随机生成的，由于速度的分布符合波尔兹曼统计，因此在这个阶段，体系的温度是恒定的。2）进入平衡相，由上一步确定的分子组建平衡相，在构建平衡相的时候会对构型、温度等参数加以监控。3）进入生产相，进入生产相之后体系中的分子和分子中的原子开始根据初始速度运动，可以想象其间会发生吸引、排斥乃至碰撞，这时就根据牛顿力学和预先给定的粒子间相互作用势来对各个粒子的运动轨迹进行计算，在这个过程中，体系总能量不变，但分子内部势能和动能不断相互转化，从而体系的温度也不断变化，在整个过程中，体系会遍历势能面上的各个点，计算的样本正是在这个过程中抽取的。4）计算结果，用抽样所得体系的各个状态计算当时体系的势能，进而计算构型积分。
分子动力学可以广泛应用于物理，化学，生物，材料，医学等各个领域。本书通过通过十个章节综述了生物膜分子模拟的最新进展，涵盖了基本的方法学，脂双分子层的建模，及在一些转运蛋白，信号分子蛋白上的应用。第一章介绍了进行膜蛋白分子模拟的一些方法及常用的相应参数的设置如力场，压强偶联，电势，周期性边界条件，起始结构的构建，采样问题等。第二章讨论了生物膜的侧压，并分析了其潜在的各种影响因素比如膜脂的组成，类固醇的存在与否。粗粒化动力学模拟逐渐的在膜蛋白以及多肽的分子动力学模拟方面起着更加重要的作用，第三章对于粗粒化动力学模拟一些基本的方法进行了简介并重点讨论了运用这种方法所进行的一些案例的研究。第四章对原子的以及粗粒化模拟对于我们理解小分子以及药物穿膜的被动渗透的贡献进行了讨论，而这对于药物产业有着深远的意义，因为分析一个潜在药物的通透性对于排除那些通透性差的药物分子节约了很多的成本。隐式膜模型可以极大的延长模拟过程的采样时间，第五章讨论了使用隐式膜模型研究肽折叠的进展。第六章通过系统性的研究BAR结构域和膜的相互作用详细的介绍了多维方法的应用。离子通道是一类重要的膜蛋白，不管是从生物学角度还是药物设计的视角，因此也成为了很多计算研究的目标，第七章介绍了如何通过连续性的静电势的计算来揭示钾离子通道的结构和生物学功能。和钾离子通道类似，促离子型谷氨酸受体也是一类跨膜的蛋白，这类受体调节着脑中几乎所有的神经递质的传递，第八章介绍了这类受体的计算生物学研究。第九章介绍利用分子动力学模拟加深了我们对革兰氏阴性菌外膜的β桶状蛋白性质的理解。第十章讨论了利用计算手段如何加深我们对于主动运输机制的理解。分子模拟可以再生物纳米技术材料的开发中加以使用，第十一章便讨论了碳纳米管和生物膜相互作用的分子动力学研究。本书对于膜蛋白通过分子动力学模拟手段的研究进行了深入浅出的阐述，对于从事膜蛋白研究，及分子动力学模拟方面研究的科研人员有一定的参考意义，对于有志于从事这方面研究的学生也可以作为一本入门的参考教材。
本书目录
第一章：膜分子模拟的方法和参数
第二章：脂膜的侧压取决于分子的组成
第三章：脂膜蛋白质的粗粒化动力学模拟
第四章：脂质双分子层的被动渗透：文献综述
第五章：肽段折叠和插入的隐性膜模型
第六章：通过N-BAR结构域的多维的膜模拟
第七章：钾离子通道的连续的静电势和模型
第八章：促离子型谷氨酸受体的计算方法
第九章：外膜蛋白质的分子动力学模拟：桶蛋白的故事
第十章：细胞膜主动运输的分子机制
第十一章：碳纳米管和生物膜相互作用的分子动力学研究
索引
（闫俊杰）