分子模拟/粗粒度模型

粗粒度 (CG) 模型是一种分子模拟模型，其中原子被转换为更少的化学位点，称为珠子。该模型旨在降低问题的复杂性，同时保留与关注特性相关的基本相互作用。减少粒子数量消除了不相关的振动模式，从而降低了分子模拟的计算资源需求。

数学表示

令 A 为一个 n×3 矩阵，其中每一行表示原子的 3D 直角坐标。在大多数 CG 模型中，CG 映射 f 是矩阵 $\mathbf {A}$ 到一个新的 m×3 矩阵 $\mathbf {C}$ （其中 m<n）的线性变换，通过一个 m×n 矩阵 $\mathbf {M}$

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

(1)

其中 M 是权重矩阵。

一般来说，Noid 等人 ^[1] 建议 5 个条件来确保 CG 模型与全原子 (AA) 模型一致

AA 坐标与 CG 坐标之间的关系是线性的，或者遵循方程式 (1)
对于每个 CG 珠子，都只有一个 AA 原子仅属于该 CG 珠子
CG 模拟中的力满足 AA 力场的平均力 ^[1]
$F_{I}(R^{N})=\left\langle F_{I}(r^{n})\right\rangle _{R^{N}}$

(2)
没有原子参与多个 CG 位点的定义
CG 质量是相应原子质量的加权调和平均值 ^[1]
$M_{I}=\left(\sum {\frac {c_{Ii}^{2}}{m_{i}}}\right)^{2}$

(3)

常见的粗粒度模型

创建 CG 模型有两种方法。第一种方法称为“自下而上”，从 AA 结构或联合原子 (UA) 结构（所有氢原子隐式地连接到重原子的结构）开始。CG 模型将原子组替换为预定义的 CG 珠子，以便新模型重新创建原始模型的结构和相互作用能。另一方面，“自上而下”方法从实验数据获得的生物大分子结构开始。可以定义珠子之间的映射和相互作用，以稳定这些经验结构。

文献中出现了几个著名的 CG 模型，包括

弹性网络模型：该模型中的氨基酸在 CG 模型中用一个珠子表示。该模型中珠子之间的相互作用很简单，旨在重新创建从经验获得的蛋白质的天然结构。

Go 类模型：与弹性网络模型类似，Go 类模型使用一个珠子来表示每个氨基酸。然而，该模型中计算和参数化了许多非键相互作用，从而能够描述蛋白质折叠。 ^[2]

直接玻尔兹曼反演：拥有键的能量形式、分子动力学的非键势形式，该方法优化参数以模拟原子分布。换句话说，该方法将 AA 模型的原子对平均力势重新生成到 CG 模型。

MARTINI 模型

MARTINI 模型是 Marrink 和 Tieleman ^[3] 推出的一个 CG 模型。该模型旨在提供“更广泛的应用范围，而无需每次都重新参数化模型”。MARTINI 用于模拟脂质系统、肽-膜结合或蛋白质-蛋白质识别。

MARTINI 中的珠子通常包含四个重原子（不包括氢原子）。与其他 CG 模型不同，MARTINI 仅包含几种 CG 类型，这些类型基于珠子的电荷和极化率，而不是原子组成。对于最新版本，该模型具有四个主要的相互作用位点，包括 P 表示极性、N 表示非极性、C 表示非极性，以及 Q 表示带电荷。然后，这些类型被扩展为 18 种亚型以描述详细的相互作用。

参见

维基百科：力场 (化学)#粗粒度力场

维基百科：MARTINI

参考文献

↑ ^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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