几种常见的分子力场

分子动力学模拟由最初的单原子分子系统已扩展到目前的蛋白质和核酸的生物大分子系统。模拟所使用的力场形式，也由开始时仅包含范德华相互作用，到随着系统复杂度的增加，增加力场内容的复杂性。现在生物分子模拟常用的比较著名的力场包括AMBER力场、CHARMM力场、GROMOS力场和其他力场，如OPLS力场、ENCAD力场等。下面就常用的AMBER力场、CHARMM力场和GROMOS力场作一简单介绍。

3.3.1 AMBER力场

AMBER力场是Kollman科研组开发的针对蛋白质、核酸、多糖等生化大分子的力场，是目前应用最广泛的力场之一。AMBER是英文Assistant Model Build-ingand Energy Refinement的缩写。该力场参数的参数化主要是来自实验结果和量子化学计算结果。在力场的发展的过程中，Kollman课题组先后对AMBER力场进行了几次修正和扩展，并加入了一些适用于有机小分子的原子类型和参数。除了力场的一般形式外，Amber力场为了更加准确地描述氢键的相互作用增加了相应的氢键作用项，AMBER标准形式为

式中：b、θ、φ为键长、键角与双面角；Kb为键伸缩力常数；Kθ为键角弯折力常数；V0为势垒高度；Cij，Dij为与原子类型有关的常数。第4项为范德华相互作用项，第5项为静电作用项，最后一项为氢键作用项。

从20世纪80年代起，AMBER力场经过几次修订，由最初的只考虑极性氢原子的第一代AMBER力场到之后的包括全原子在内的AMBERff94力场，能够计算各原子RESP电荷的AMBER力场。但仍然有其固有的不足，例如过分稳定多肽的螺旋构象等。目前正在对该力场中蛋白质主链的φ和ψ两个二面角参数进行修改，以期望能够改进以上的缺陷。

3.3.2 CHARMM力场

此力场为哈佛大学的Karplus课题组所发展的，其全名为Chemistryat Har-vard Macromolecular Mechanics。CHARMM力场同AMBER力场一样于发展于20世纪80年代，经过由最初的只考虑与氧和氮原子相连的氢原子的CHARMM19力场参数到之后考虑在溶剂化模型中平衡分子内和分子外相互作用能的CHARMM22参数，到最后适用于核酸模拟的CHARMM27力场，适用于磷脂模拟的CHARMM36力场，CHARMM力场参数化过程除了来自计算结果与实验值的比对外，也利用了大量的量子计算结果为依据，并不停地与实验结果相比较对力场进行校准和修订。通常CHARMM力场的一般表达式为

U=Ubond+Uangle+Utorsion+Uoutp+（分子内作用项）

Uelec+Uvdw+ （分子间作用项）

Uconstraint（特殊项） 　（3-16）

各项的详细形式为

式中：sw称为开关函数（switched function），下标“on”与“off”为开始计算与终止计算此函数的键长和角度值。

3.3.3 GROMOS力场

自从1980年用于生物大分子模拟的软件包GROMOS（Groningen molecular simulation）应用以来，一系列应用在该软件的力场被开发。从最初的GRO-MOS87，GROMOS96到目前应用广泛的GROMOS45A3等。这些一系列GRO-MOS力场属于一个整合的原子力场，这些力场的力场参数主要是通过利用纯流体或者混合流体体系在凝聚态下的热力学特征为实验数据拟合得出，不同版本的GROMOS力场的差别主要在于描述非键合相互作用的能量项参数的不同。