2025年大学《资源化学》专业题库—— 分子动力学模拟在药物设计中的应用.docxVIP

2025年大学《资源化学》专业题库——分子动力学模拟在药物设计中的应用

考试时间：______分钟总分：______分姓名：______

一、

简述分子动力学模拟的基本原理。请说明牛顿运动定律在MD模拟中是如何应用的，并解释力场在模拟过程中的作用。

二、

描述周期性边界条件（PBC）的原理及其在分子动力学模拟中的主要作用。为什么使用PBC而不是在无限大的系统中进行模拟？

三、

比较并说明NVT系综和NPT系综各自的定义、物理意义以及它们在模拟中的主要区别和适用场景。

四、

在分子动力学模拟中，常用的约束方式有哪些？请简述其中两种约束方式的原理及其优缺点，并说明在何种情况下选择使用约束。

五、

分子动力学模拟通常包括哪些主要步骤？请按合理顺序列出这些步骤，并简要说明每一步的目的。

六、

简述蛋白质结构在分子动力学模拟前的准备过程，包括构建、添加氢、能量优化等步骤。为什么这些步骤是模拟前必要的？

七、

什么是分子动力学轨迹（Trajectory）？请列举至少三种可以从MD轨迹中提取的代表性分析指标，并简要说明每个指标所反映的分子行为或系统性质。

八、

RMSD（均方根偏差）和RMSF（均方根浮动）在蛋白质模拟中分别用来表征什么？它们有何区别？请简述。

九、

简述MM-PBSA方法的基本思想。它包含哪几个关键的力场能量项和溶剂化自由能项？在应用MM-PBSA计算结合自由能时，需要注意哪些潜在的问题？

十、

分子动力学模拟可以用来研究药物与靶点蛋白的结合。请简述利用MD模拟进行虚拟筛选的基本思路。与传统的基于形状或静电的虚拟筛选相比，MD模拟方法的优势可能体现在哪些方面？

十一、

请解释分子动力学模拟如何帮助我们理解药物-靶点复合物的相互作用机制。可以结合具体的相互作用类型（如氢键、疏水相互作用、盐桥等）进行说明。

十二、

分子动力学模拟可以预测某些药物的ADMET性质。请分别说明MD模拟在预测药物溶解度、体内分布（如跨膜扩散）和代谢稳定性方面的可能应用途径。

十三、

假设你想要利用分子动力学模拟研究一种金属离子（如Mg2?）与某个酶活性位点小分子的相互作用。请简要设计一个模拟方案，包括需要考虑的关键模拟参数和需要关注的分析指标。

十四、

在资源化学的背景下，分子动力学模拟可能被用于研究特定环境污染物与生物大分子的相互作用。请设想一个具体的实例，说明如何运用MD模拟来研究这种相互作用，并阐述你希望从中获得哪些信息。

试卷答案

一、

分子动力学模拟（MD）基于牛顿运动定律（F=ma）对系统中的所有原子进行数值积分，逐帧计算它们的位置、速度和加速度。通过这种方式，模拟可以得到原子层面的运动轨迹，从而揭示系统的动态行为和热力学性质。力场是MD模拟的核心，它定义了原子间的相互作用势能函数，用于计算原子间的力。没有力场，就无法计算原子运动，也无法模拟系统的结构和能量。

二、

周期性边界条件（PBC）是一种将模拟盒子在三个空间维度上无限重复的技术，使得盒子内的每个原子都与其邻近的镜像原子相互作用，就像在一个无限大的系统中一样。其主要作用是消除表面效应，使得模拟结果更能代表体相性质。使用PBC是因为真实物质通常是连续的或大块存在的，表面效应在有限大小的模拟系统中会产生显著偏差，而PBC可以很好地模拟体相环境，并获得更准确、更可靠的物理化学性质。

三、

NVT（Nose-Hoover）系综保持系统的粒子数（N）、体积（V）和温度（T）恒定。它通过引入一个虚设的“Nose-Hoover振子”来耦合压力，使得系综内部达到压力平衡。NPT（Nosé-Hoover）系综保持系统的粒子数（N）、压强（P）和温度（T）恒定。它同样使用虚设的“Nosé-Hoover振子”来耦合温度，并引入一个与体积相关的项来耦合压力。主要区别在于它们分别控制的是系统的压力和体积，因此NPT系综能更好地保持系统的化学势恒定，适用于需要精确控制压力或模拟等温-等压过程的场景，如溶解度模拟；而NVT系综更常用，因为它更容易实现温度的精确控制，适用于大多数需要平衡温度的模拟，如结构优化和平衡态性质计算。

四、

常用的约束方式有哈密顿约束（HarmonicConstraint）和全约束（All-atomConstraint）。哈密顿约束通常用于限制除少数关键原子（如侧链甲基、水分子氧氢）以外的所有原子的位置，只对被约束原子施加一个弹簧力，使其围绕其平衡位置振动。其优点是计算量相对较小，能较好地模拟侧链的柔性；缺点是引入了虚功，可能影响系统的能量和压力。全约束（如LINCS算法）将所有原子的位置都固定在平衡构象附近，优点是计算效率极高，能准确模拟所有原子的运动；缺点是严重限制了原子运动，可能导致构象收玫过快、能量过高、力过大，且对温度和压力的响应可能失真。通常在