Maximum allowed solvent accessibilites of residues in proteins
蛋白质中残基的相对溶剂可及性（RSA）衡量该残基在3D结构中的埋藏或暴露程度。RSA经常用于描述蛋白质的生物物理或进化特性。为了计算RSA，残基的溶剂可及性（ASA）需要通过给定氨基酸的合适参考值进行归一化;先前已经提出了几种归一化尺度。然而，这些规模不提供严格的上限ASA值经常观察到的经验晶体结构。相反，他们低估了最大的允许ASA值，高达20%。因此，许多经验晶体结构包含的残基似乎具有超过1的RSA值。在这里，我们推导出一个新的归一化尺度，它确实提供了一个严格的上界所观察到的ASA值。我们追求两个互补的策略，一个是基于经验结构的广泛分析，一个是基于生物药理学允许的三肽的系统枚举。这两种方法产生一致的结果，始终超过公布的值。我们的结论是，以前公布的ASA归一化值太小，主要是因为没有正确识别的构象，最大限度地提高ASA。作为我们的研究结果的应用，我们表明，经验推导出的疏水性尺度是敏感的准确的RSA计算，我们推导出新的疏水性尺度，显示增加相关性与实验测量的尺度。
2013-09-25 physics.bio-ph q-bio.BM
Knowledge Distillation of a Protein Language Model Yields a Foundational Implicit Solvent Model
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
本文通过知识蒸馏将蛋白质语言模型ESM3的进化信息转化为高效的图神经网络，构建出可转移的隐式溶剂模型，解决了传统方法在蛋白质折叠和无序蛋白行为模拟中的精度不足问题。
2026-03-25 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
Quantum Mechanics of Proteins in Explicit Water: The Role of Plasmon-Like Solute-Solvent Interactions
量子力学范德华色散相互作用对蛋白质内和蛋白质-水相互作用都起着至关重要的作用-蛋白质在水溶液中的结构和动力学的两个主要驱动力。通常情况下，这些相互作用只通过经典力场中的成对势项进行唯象处理。在这里，我们使用一个明确的量子力学方法的基础上密度泛函紧结合与多体分散形式主义，这使我们能够证明出乎意料的相关性的多体字符的分散相互作用的蛋白质能量和蛋白质-水的相互作用。与通常采用的成对方法相反，多体效应显著降低了在不存在水的情况下天然状态的相对稳定性。在水性环境中，蛋白质-水范德华相互作用的集体特征抵消了这种效应并稳定了天然构象和过渡态。这种稳定性是由于蛋白质-水分散体相互作用的高度离域性和集体性而产生的，这表明通过水性环境的长程电子相关性具有显著的持久性。我们的研究结果举例说明蛋白质形成$β$ -片，发夹和螺旋的原型展示，强调等离子体样溶质-溶剂相互作用在生物分子系统中的关键作用。
2019-10-21 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
A unified description of solvent effects in the helix-coil transition
我们通过使用基于自旋的模型，结合两种不同的溶剂作用机制，分析了显式溶剂中螺旋-线团转变的问题：通过形成溶剂-聚合物氢键的显性溶剂作用，该氢键可与聚合物内固有的氢键构型竞争（竞争相互作用）和隐含的溶剂作用，其中溶剂-聚合物相互作用通过改变溶剂的活性（非竞争性相互作用）来调节生物聚合物构型。总的自旋哈密顿量由三项组成：“多肽链的广义模型”类型的背景\emph{in vacuo}哈密顿量和两个附加项，它们解释了溶剂作用的上述两种机制。我们表明，在这一水平上的溶剂自由度可以{ \sl明确}和{ \sl确切}跟踪，随后的有效分配功能结合在一个统一的框架中的所有溶剂的影响。通过这种方式，我们能够在不同的缓冲液和不同的外部约束条件下解决多肽、蛋白质和DNA的螺旋-卷曲转变。我们的自旋有效哈密顿量适用于处理冷变性、渗透压对冷变性和热变性的影响、疏水效应的复杂温度依赖性等多种现象，并为理解内在无序蛋白及其类似物的行为提供了概念基础。
2014-01-01 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Confinement effects on protein stability in a freezing water environment
University of Pamplona（潘普洛纳大学）；Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos (CONICET-UNLP)（液体与生物系统物理研究所 (CONICET-UNLP)）；Universidad Nacional Arturo Jauretche（阿图罗·豪雷切国立大学）；Universidad Nacional de La Plata（拉普拉塔国立大学）；Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional La Plata（国家技术大学，拉普拉塔地区学院）
研究蛋白质在冷冻水环境中的行为，用分子动力学模拟，通过验证液固转变、主成分分析等揭示冰形成对蛋白质构象空间的影响及水结构对蛋白质稳定性的作用。
2026-07-16 cond-mat.soft physics.bio-ph
Role of hydration and intramolecular interactions in the helix-coil transition and helix-helix assembly in a deca-alanine peptide
对于模型十-丙氨酸肽，腔（理想疏水性）对水合的贡献有利于螺旋到螺旋转变中的螺旋状态和两个螺旋组装中的成对螺旋束。有吸引力的蛋白质-溶剂相互作用的能量贡献被分离成在第一水合壳层中与溶剂的相互作用产生的短程部分和剩余的长程部分。在螺旋-卷曲转变中，短程有吸引力的蛋白质-溶剂相互作用超过疏水水合作用，并有利于未折叠的卷曲状态。对折叠效应的分析表明，肽骨架的有利水合作用有利于未折叠状态。蛋白质分子内相互作用有利于螺旋状态，并在折叠中起决定性作用。在配对的两个螺旋，空腔的贡献超过了短程有吸引力的蛋白质-水的相互作用。然而，远距离的蛋白质-溶剂吸引相互作用可以增强或逆转这一趋势，具体取决于螺旋的相互方向。在螺旋-螺旋组装中，由吸引蛋白质-溶剂相互作用的变化引起的焓变化有利于拆卸。在螺旋配对以及，有利的蛋白质分子内相互作用被发现是一样重要的水合作用。
2015-08-23 physics.bio-ph physics.chem-ph
Photo Switching of Protein Dynamical Collectivity
我们研究了红色荧光蛋白mCherry，mOrange 2和TagRFP-T的皮秒结构动力学的不可逆光漂白的变化。使用太赫兹时域光谱的蛋白质动态转变的测量显示，在所有情况下，在漂白状态的开启温度的增加。该结果是令人惊讶的，因为蛋白质表面几乎没有变化，因此负责转变的溶剂动力学不应该改变。由蛋白质吸光度的准谐波计算指导的测量的光谱分析表明，确实溶剂的动态开启温度是独立的热稳定性和光状态，但蛋白质的动态开启温度转移到更高的温度。这是第一次演示了蛋白质的动态开启温度与蛋白质的功能状态。所观察到的蛋白质动态开启温度相对于溶剂的变化表明蛋白质皮秒运动所需的流动水增加：即这些运动更集体。熔点测量结果表明，光漂白状态是更热稳定和相关的RFPs的结构分析表明，有一个增加内部水通道，以及更均匀的原子均方根位移。这些观察结果与先前的建议一致，即水通道形成与扩展的光激发提供O2进入发色团和随后的荧光损失。我们报告说，这些相同的通道增加内部耦合，提高皮秒蛋白质运动的热稳定性和集体性。蛋白质和溶剂动力学起始点的太赫兹光谱表征可以普遍应用于测量蛋白质运动的总体变化。
2019-06-03 physics.bio-ph
On the Theory of Dielectric Spectroscopy of Protein Solutions
我们提出了一个理论的介电响应的溶液中含有大溶质，纳米尺寸，在分子溶剂。它将溶质的分子偶极矩与溶质-溶剂界面处溶剂分子的大子系综的极化相结合。该理论的目标是双重的：（i）制定的介电响应的问题，避免依赖于介电理论的腔场概念和（ii）分离的非添加剂的界面极化，共同产生的外部场的实验室实验和溶质，从特定的溶质-溶剂相互作用有助于介电信号。该理论适用于实验报告的频率依赖性的介电谱的溶菌酶在溶液中。在高达700 GHz的宽频率范围内的数据的分析表明，腔场的磁化率，理论公式的关键，是一致的麦克斯韦静电在10- 200 GHz的频率范围内的预测，但偏离它在这个范围之外。特别是，它变得比麦克斯韦结果小得多，并在小频率处变为负值。后者的观察意味着一个介电响应，或负介电泳，水合溶菌酶。这也意味着由介电谱记录的有效蛋白质偶极子远小于由蛋白质的电荷分布计算的值。我们提出了一个经验方程，描述了随着蛋白质浓度的增加，静态介电常数的增量和德拜水峰的减量。它给出了公平的协议与宽带色散和蛋白质的解决方案的损失谱，但错过了三角洲色散区域。
2012-03-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
Dry and wet interfaces: Influence of solvent particles on molecular recognition
我们提出了一个粗粒度的格子模型来研究水对两种刚性蛋白质识别过程的影响。的基本模型制定的疏水效应。然后，我们研究了我们的基本模型的几个修改，表明识别过程的选择性可以通过考虑单个溶剂颗粒的明确影响来提高。当蛋白质-蛋白质复合物的界面处的空腔的数量固定为固有几何约束时，通常存在应该填充有水分子的特征部分，使得选择性表现出最大值。此外，最佳分数取决于界面的疏水性，因此必须区分干界面和湿界面。
2009-04-15 physics.bio-ph
Urea-Mediated Solvent Reorganization of Bovine Serum Albumin in an Acid-Induced Expanded Conformation at pH 3.7
Institute of Physics of Liquids and Biological Systems (IFLYSIB), CONICET（液体与生物系统物理研究所 (IFLYSIB)，阿根廷国家科学研究委员会）
研究尿素如何通过分子动力学模拟影响牛血清白蛋白的结构稳定性，揭示尿素在不同浓度下对蛋白质水合壳层的脱水/再水合机制及二级结构的保护作用。
2026-07-16 physics.bio-ph
RNA folding landscapes from explicit solvent all-atom simulations
考虑到开发现实力场的困难和采样罕见构象转变的固有计算复杂性，RNA折叠的原子详细模拟已被证明是非常具有挑战性的。为了解决这两个问题，我们扩展到RNA的增强路径采样方法以前成功地应用于蛋白质。在这个方案中，关于RNA的天然结构的信息被一个软的依赖于历史的偏置力所利用，该偏置力被添加到原子力场中，从而促进了生产性折叠轨迹的产生。在这里，我们报告的结果，在明确的溶剂中的RNA分子从20至47个核苷酸长和拓扑结构的复杂性增加的模拟。从折叠途径的统计分析中，我们推断，与蛋白质不同，即使对于具有简单拓扑结构的相对较小的链，潜在的自由能景观也显着受挫。折叠机制和热力学与现有的实验和一些现有的粗粒度模型是一致的。该方案提供了一个完整的微观表征RNA折叠，有关的动力学和动力学的转变的化学链和它的溶剂。因此，它提供了一个可转移的框架，为未来的翻译应用程序奠定了基础。
2022-05-25 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Master equation approach to protein folding
本文用主方程方法精确地研究了正方形晶格上两个12-单体杂聚物的动力学。确定了本征态占据的时间演化。在低温下，中值折叠时间遵循阿克里乌斯定律，并由最长的弛豫时间决定。对于好的文件夹，显着的动力学陷阱出现在折叠漏斗，而对于坏的文件夹，陷阱也发生在非本地能量谷。
1999-04-07 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio
Derivation of a Markov state model of the dynamics of a protein-like chain immersed in an implicit solvent
一个马尔可夫状态模型的动态的蛋白质样链沉浸在一个隐含的硬球溶剂是来自第一原理的单体系统，通过不连续的潜力相互作用，旨在占本地结构和键合在粗粒度的意义。该模型是基于这样的假设，即与链的结构重排的时间尺度相比，隐式溶剂在快速的时间尺度上与链的单体相互作用，并提供足够的摩擦，使得单体的运动由Smoluchowski方程控制。一个微观理论的系统的动力学的发展，减少到一个马尔可夫模型的动力学定义明确的条件下。微观表达式中出现的马尔可夫状态模型的速率常数进行了分析，并表示在一个温度依赖性的线性组合的逃逸率，本身是独立的温度。通过分析转移速率矩阵的特征值和特征向量，研究了马尔可夫模型，并研究了一个简单的螺旋形成系统从初始伸展构型到主要折叠构型的平衡过程，作为温度的函数，对于一些不同的链长.对于短链，松弛主要是单指数的，并成为独立的温度在低温制度。对于较长的链，该曲线更复杂，其中在中间温度下观察到多指数松弛行为，随后是低温状态，其中折叠变得快速和单指数。它表明，作为温度降低的平衡配置文件的行为可以理解的弛豫模式或“折叠路径”的数量，有助于国家人口的演变。
2014-08-26 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Thermodynamics of protein folding: a random matrix formulation
蛋白质折叠从未折叠状态到生物活性折叠构象的过程受许多参数控制，例如氨基酸序列、分子间相互作用、溶剂、温度和伴侣分子。我们的研究，基于随机矩阵模型的相互作用，然而，统计措施，如吉布斯自由能，热容，熵的演变是单参数的。这些信息可以解释从无数种可能的方式中选择特定的折叠途径，以及在计算机模拟研究中观察到的其他折叠特征。
2010-10-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Scaling Law for Radius of Gyration and Its Dependence on Hydrophobicity
生物分子几何量和动力学量的标度律是一个有趣的课题。根据Flory理论，发现均聚物链长与回转半径之间存在幂律关系，其指数在良溶剂时为3/5，在不良溶剂时为1/3。对于生理条件下的蛋白质，在两者之间的溶剂条件下，得到了指数为~2/5的幂律。本文提出了一个统一的公式，以涵盖上述所有情况。结果表明，在一定的溶剂条件下，标度指数一般与链的分形维数相关。当我们的公式应用于蛋白质，分形维数被发现依赖于它的疏水性。通过把一个物理过程的氨基酸突变链的疏水性变化，一个等效的化学过程，通过添加极性或非极性分子的溶剂的极性变化，我们成功地剥夺了这种关系，合理的协议统计数据。这将有助于蛋白质结构的预测。我们的研究结果表明，蛋白质可以共享相同的基本原则，与均聚物，尽管它的特异性作为一个杂聚物。
2007-11-23 physics.bio-ph physics.chem-ph
Master equation approach to protein folding and kinetic traps
12-单体晶格杂聚物的主方程的数值求解和本征态的占有率的时间演化的确定。在低温下，中值折叠时间遵循阿克里乌斯定律，并由最长的弛豫时间决定。对于好的文件夹，显着的动力学陷阱出现在折叠漏斗，而对于坏的文件夹，陷阱也发生在非本地能量谷。
1998-04-21 cond-mat.stat-mech hep-lat physics.bio-ph
A Master equation approach to modeling an artificial protein motor
线性生物分子马达通过协调几个不同的过程（例如燃料（ATP）捕获、水解、构象变化、从轨道结合和解结合以及质心扩散）沿轨道单向移动。更好地理解这些过程之间的相互依赖性，这些过程发生在广泛的不同时间尺度上，将有助于阐明分子马达的一般操作原理。人工分子马达为这样的研究提供了一个独特的机会，因为马达的结构和功能是先验已知的。在这里，我们描述了使用主方程的方法，结合从Langevin和分子动力学建模输入，随机模型的分子马达在许多时间尺度。我们将这种方法应用于一个特定的概念，人工蛋白质马达，风滚草。
2010-04-07 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Open Boundary Simulations of Proteins and Their Hydration Shells by Hamiltonian Adaptive Resolution Scheme
最近提出的哈密顿自适应分辨率方案（H-AdResS）允许在开放边界框架中进行分子模拟。它允许动态改变特定分子子集（通常是溶剂）的分辨率，这些分子可以在原子区域和粗粒度储层之间自由扩散。到目前为止，该方法已成功地应用于纯液体。将H-AdResS方法耦合到蛋白质的混合模型，如分子力学/粗粒（MM/CG）方案，是一种很有前途的方法，用于严格计算低分辨率蛋白质模型中的配体结合自由能。为了实现这一目标，在这里，我们第一次申请H-AdResS的两个原子蛋白质的双分辨率溶剂，证明其能够再现结构和动力学性质的蛋白质和溶剂，从原子模拟。
2017-11-15 physics.bio-ph physics.chem-ph
Dissecting the roles of local packing density and longer-range effects in protein sequence evolution
蛋白质序列进化的结构决定因素是什么？已经提出了一些位点特异性的结构特征，其中大多数是广泛相关的密度的接触或溶剂的可及性的个别残基。最重要的是，在文献中一直存在分歧的相对重要性的溶剂的可及性和局部堆积密度解释位点特异性序列的蛋白质变异。我们在这里表明，这种讨论已被混淆的局部堆积密度的定义。最常用的局部堆积测量方法，如接触数和加权接触数，顾名思义，代表了局部堆积密度和长期效应的综合效应。作为一种替代方案，我们在这里提出了一个真正的本地措施的包装密度围绕一个单一的残留物，基于Voronoi细胞体积。我们表明，Voronoi细胞体积，当计算相对于氨基酸侧链的几何中心，表现几乎相同的相对溶剂可及性，和两者都可以解释，平均约34%的位点特异性变化的进化速率在209个酶的数据集。另外10%的变化可以通过加权接触数中捕获的非局部效应来解释。因此，一个位点的进化变异是由该位点的直接氨基酸邻居和更远的氨基酸介导的效应的联合作用决定的。我们的结论是，而不是对比溶剂的可及性和局部堆积密度，未来的研究应该强调的相对重要性，直接接触和长期的影响进化变异。
2017-01-28 physics.bio-ph physics.data-an q-bio.BM
An elastic-network based local molecular field analysis of zinc-finger proteins
我们研究了两个设计的和一个天然的锌指肽，每个与Cys 2 His 2（CCHH）型的金属结合基序。在我们已经开发的方法中，我们描述的Zn（II）-CCHH金属残基簇外的蛋白质和溶剂的作用由广义谐波约束所代表的分子场。调整电场强度，以再现金属与经验势的参考全原子模拟中获得的簇的结合能分布。二次场使我们能够分析研究结合位点上的蛋白质限制在其本征模。检查这些本征模表明，与实验观察一致，CCHH簇中第一个组氨酸（H）在金属结合中的重要性。此外，对应于这些模式的本征值也表明，所设计的蛋白质与金属形成更紧密的复合物。我们发现，大量的蛋白质和溶剂的反应往往不稳定的金属结合，强调有利的能量的金属残基相互作用是必要的，以驱动折叠在这个系统中。的散装蛋白质和溶剂的本地字段的响应的表示允许我们使用量子化学方法，这里使用半经验的哈密顿量的金属残基集群进行蒙特卡罗模拟。对于从该模拟中取样的构型，我们使用密度泛函理论研究了用Fe（II）、Co（II）和Ni（II）取代Zn（II）的自由能。计算的选择性是在公平的协议与实验结果。
2011-04-07 physics.bio-ph
Consistent treatment of hydrophobicity in protein lattice models accounts for cold denaturation
疏水效应通过形成疏水核心最小化疏水残基与水之间的不利相互作用来稳定蛋白质的天然结构。在这里，我们包括熵和疏水效应的贡献明确在一个隐式溶剂模型。这使我们能够捕捉到两个重要的影响：长度尺度的依赖性和温度依赖性的溶剂化的疏水颗粒。疏水效应的这种一致处理解释了溶剂化蛋白质的冷变性和热容量测量。
2015-11-25 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Building blocks of protein structures -- Physics meets Biology
球状蛋白质的天然状态结构是稳定的，并且包装良好，这表明在折叠条件下，自相互作用优于蛋白质-溶剂相互作用。我们以此为指导原则，推导出蛋白质结构的构建模块的几何结构，α-螺旋和链组装成β-折叠，没有可调参数，没有氨基酸序列信息，也没有化学。在数学和物理学的要求与量子化学的规则之间有一种近乎完美的契合。我们的理论建立了一个能量景观，通过提供序列独立的平台来阐述序列依赖的功能多样性来引导蛋白质进化。我们的工作强调了离散性在生命中的重要作用，并对人工生命的创造和宇宙中其他地方的生命性质产生了影响。
2021-01-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Surface residues dynamically organize water bridges to enhance electron transfer between proteins
细胞能量的产生依赖于蛋白质之间的电子转移（ET）。在这项理论研究中，我们调查的氧化还原蛋白甲胺脱氢酶和amicyanin从副球菌的电子耦合之间的结构和构象变化的影响。我们使用分子动力学模拟产生配置超过40 ns的持续时间（采样间隔为100 fs）结合ET途径分析，以估计ET耦合强度的每个配置。在野生型复合物中，我们发现，最常见的分子配置提供优越的电子耦合由于一致存在的水分子之间的供体和受体位点的氢键。我们把这种水桥的持久性归因于由受体位点周围的几个疏水残基组成的“分子防波堤”。防波堤支持附近的溶剂组织残基的功能，通过限制空间限制ET区域和更动荡的周围散装之间的水分子的交换。当防波堤受到突变的影响时，大量溶剂分子破坏水桥，导致电子耦合减少，这与最近的实验结果一致。我们的分析表明，除了使协会和对接的蛋白质，表面残基稳定和控制蛋白质间的溶剂动力学以协调一致的方式。
2010-06-22 physics.bio-ph
Eigenvalues of the Homogeneous Finite Linear One Step Master Equation: Applications to Downhill Folding
出于对蛋白质系统中所观察到的时间尺度的性质的要求，我们研究了有限的线性主方程，这是下坡过程的模型。通过解决系统的本征值，我们证明了经常说的索赔，在没有自由能垒的情况下，单和多指数动力学之间的过渡发生在足够的偏见（对原生状态）。蛋白质折叠的后果，特别是下坡折叠的情况下，进行了简要讨论。
2012-09-01 physics.bio-ph q-bio.BM
Assessing site-specific enhancements imparted by hyperpolarized water in folded and unfolded proteins by 2D HMQC NMR
超极化水可以是蛋白质NMR中的有价值的辅助，导致酰胺基团1H极化比它们的热对应物大几个数量级。合适的程序可以利用这一点来提供具有良好分辨率和增强灵敏度的2D 1H-15 N相关性。这些增强取决于酰胺和水之间的交换率，从而产生关于溶剂可及性的诊断信息。本研究将这种HyperW方法应用于表现出各种交换行为的四种蛋白质：PhoA 4，一种未折叠的122个残基片段; barstar，一种完全折叠的核糖核酸酶抑制剂; R17，一种13.3 kDa的系统，在缓慢的相互转换下具有折叠和未折叠的形式;和drkN SH 3，一种蛋白质结构域，其折叠和未折叠的形式迅速交换，并具有温度依赖性的群体比例。对于PhoA 4，HyperW的灵敏度增强大于300倍，正如未折叠蛋白质序列所预期的那样。尽管完全折叠的芽孢杆菌芽孢杆菌R17显示出其展开形式的100倍增强的预期叠加，与更温和的折叠对应物共存。然而，出乎意料的是drkN SH 3的行为，HyperW增强了未折叠但更确定的折叠蛋白质位点。这些优惠的增强反复和可重复地观察到的一些解释，包括水，未折叠和折叠状态之间的三个站点交换磁化转移;交叉相关的超极化结构水和不稳定的侧链质子的弛豫过程;和更快的溶剂交换速率表征某些折叠的网站超过其未折叠的对应物的可能性被认为是占他们。
2020-04-27 physics.bio-ph physics.chem-ph
Redox Entropy of Plastocyanin: Developing a Microscopic View of Mesoscopic Polar Solvation
我们报告的应用程序的分析形式主义和分子动力学（MD）模拟计算氧化还原熵的质体蓝素金属蛋白在水溶液中。我们分析的目标是建立描述介观尺度下极性溶剂化所需的理论的关键组成部分。分析技术包括基于溶剂偶极取向和密度的结构因素的微观形式主义和连续介质理论。微观理论采用的蛋白质的原子结构与力场原子电荷和溶剂的结构因素，从单独的MD模拟的均匀溶剂。分子动力学模拟给出了280- 310 K温度范围内电子转移的溶剂化自由能和重组能的线性响应。我们发现，连续介质模型普遍低估溶剂化熵，和一个更有利的协议之间的微观计算和MD模拟报告。模拟的分析还表明，标准形式主义扩展到蛋白质溶剂化的困难与溶剂化壳层的不均匀结构在蛋白质-水界面结合的高度结构化的水周围的电离残留物的岛屿，以及部分去湿的疏水补丁。蛋白质静电水合的定量理论需要考虑蛋白质-水界面处水的真实密度分布。
2007-11-02 physics.bio-ph physics.chem-ph
Generalized-Ensemble Simulations of the Human Parathyroid Hormone Fragment PTH(1-34)
一个广义合奏技术，多典型采样，是用来研究34个残基的人甲状旁腺激素片段的折叠。采用全原子模型的肽和蛋白质溶剂的相互作用近似的隐式溶剂。我们的研究结果表明，广义系综模拟非常适合这样的大多肽的低能量结构的样品。最后，我们讨论了隐式溶剂模型的局限性。
2003-10-23 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Phenylalanine modification in plasma-driven biocatalysis revealed by solvent accessibility and reactive dynamics in combination with protein mass spectrometry
Institute of Electrochemistry, Ulm University（乌尔姆大学电化学研究所）；Applied Microbiology, Faculty of Biology and Biotechnology, Ruhr University Bochum（波鸿鲁尔大学生物与生物科技学院应用微生物学）
研究通过结合溶剂可及性、反应动力学和质谱技术，揭示等离子体驱动生物催化中血清素的修饰机制，验证了理论预测并指导实验。
2025-06-25 physics.bio-ph
The impact of hydrodynamic interactions on protein folding rates depends on temperature
我们研究了流体动力学相互作用（HI）对蛋白质折叠的影响，使用粗粒度模型。流体动力学相互作用的影响程度，无论是加速，延缓，或对蛋白质折叠没有影响，一直存在争议。结合蛋白质折叠的能量景观理论（ELT）的理论框架（该理论框架描述了跨越折叠屏障的单个反应坐标的集体运动的动力学），我们比较了HI对两种蛋白质模型的折叠速率的动力学影响，这两种蛋白质模型使用具有独特拓扑结构的单珠链：64个残基的α/β胰凝乳蛋白酶抑制剂2（CI 2）蛋白和57个残基的β-桶α-血影蛋白src-同源物3结构域（SH 3）蛋白。当比较HI存在和不存在时的蛋白质折叠动力学时，我们发现HI对蛋白质折叠的影响似乎具有关于折叠温度的交叉行为。这意味着在高于折叠温度的温度下，未折叠构型中的珠粒之间的流体动力学溶剂的摩擦增强导致折叠速率降低;相反，在低于折叠温度的温度下，HI通过溶剂朝向天然折叠状态的回流加速折叠。此外，加速的程度取决于蛋白质的拓扑结构：对于像Cl 2这样的蛋白质，其中其折叠核在过渡状态下相当分散，HI通过有利于复杂自由能景观中的主要折叠途径来引导接触的形成，从而加速折叠。对于像SH 3这样的蛋白质，其折叠核已经是特异性的并且不太扩散，HI在低于折叠温度的温度下不太重要。我们的研究结果为蛋白质折叠动力学实验和模拟提供了进一步的理论依据。
2017-12-12 physics.bio-ph q-bio.BM
Contribution of Water to Pressure and Cold Denaturation of Proteins
Universitat de Barcelona（巴塞罗那大学）
本文通过模拟研究了水在蛋白质冷变性和压力变性中的作用，揭示了水介导相互作用对蛋白质稳定性的影响，为蛋白质工程提供了新的计算工具。
2026-01-12 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
pH dependence of charge multipole moments in proteins
静电相互作用在蛋白质的结构和功能中起着重要作用。由于可电离的氨基酸残基存在于蛋白质暴露于溶剂的表面上，蛋白质电荷不是恒定的，而是随着环境的变化而变化-最明显的是，周围溶液的pH值。我们研究了pH值对四种球状蛋白质的电荷的影响，通过扩展它们的表面电荷分布的多极。蛋白质上电荷的详细表示以这种方式被不同阶次的多极矩的大小和方向所取代。专注于三个最低阶的多极-总电荷，偶极，和四极矩-我们表明，pH值的影响，不仅他们的大小，但更显着和重要的是，他们的主轴的空间方向。我们的研究结果意味着蛋白质-蛋白质相互作用的研究和组装的蛋白质壳和片状胶体与可分离的电荷基团的重要后果。
2017-08-13 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
The Joint Solvation Interaction
本研究提出联合溶剂化相互作用（JSI）的正式定义，证明其等价于刚性溶质间的溶剂诱导相互作用，给出部分连接分子动力学计算方法，论证其比间接溶剂介导相互作用更适用于溶质结合热力学研究，可助力自组装、蛋白质聚集与折叠的溶剂效应研究。
2024-08-15 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Temperature-dependent non-covalent protein-protein interactions explain normal and inverted solubility in a mutant of human gamma D-crystallin
蛋白质晶体的制备是蛋白质结构表征的主要瓶颈。为了超越大规模筛选，蛋白质结晶的合理策略至关重要。了解由于与溶剂接触的各种氨基酸侧链引起的蛋白质表面的化学各向异性（或斑块）如何有助于在晶格中形成蛋白质蛋白质接触是预测和优化结晶的主要障碍。复杂的理论模型，其中包括足够的细节，以联系集体行为，捕捉在蛋白质相图，分子水平的细节，确定从高分辨率的结构信息的相对稀缺是一个进一步的障碍。在这里，我们提出了两个晶体结构的γ D-晶体蛋白的P23 TR 36 S突变体，每个具有相反的溶解度行为，一个熔化时加热，其他时冷却。当结合蛋白质相图和一个定制的补丁颗粒模型，我们表明，一个单一的温度依赖性的相互作用是足以稳定倒置的溶解度晶体。在P23 T取代位点的这种接触与遗传性白内障有关，并在分子水平上揭示了蛋白质溶解度降低和逆行的起源。我们的研究结果表明，这里采用的方法可能会提出一种替代策略的合理化蛋白质结晶。
2018-11-01 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Excitonic Coupling and Photon Antibunching in Venus Yellow Fluorescent Protein Dimers: A Lindblad Master Equation Approach
University of Surrey（萨里大学）
本文利用 Lindblad 主方程框架模拟金星黄色荧光蛋白二聚体动力学，通过预测多飞秒退相干产生的明暗态混合，调和了强激子耦合与光子反聚束共存现象，且无需引入长寿命量子相干性。
2025-11-05 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph physics.optics
The Role of the Concentration Scale in the Definition of Transfer Free Energies
如果在溶质的恒定摩尔浓度下发生转移，则在两种溶剂之间转移无限稀释溶质的吉布斯自由能量化溶质-溶剂相互作用$-$的差异。然而，通常用于量化溶质-溶剂相互作用的许多计算公式和测量指令对应于传递过程，其中溶质的摩尔浓度不是恒定的，而是在另一个浓度标度中测量的浓度。在这里，我们证明，在这种情况下，不仅溶质-溶剂相互作用的变化是量化的，但也在转移过程中的体积变化的熵效应。因此，转移自由能的“浓度-尺度依赖性”的“现象”可以简单地用体积熵效应来解释。我们的解释是非常重要的共溶剂对蛋白质稳定性的影响的研究。
2014-10-16 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Solvophobic and solvophilic contributions in the water-to-aqueous guanidinium chloride transfer free energy of model peptides
我们研究了两种不同的构象（螺旋和扩展）的两种不同的肽（十-丙氨酸和十-甘氨酸）在两种不同的溶剂（水和氯化胍水溶液，GdmCl）的溶剂化自由能。自由能是使用准化学组织的潜在的分布定理，一种方法，自然提供了排斥（solvophobic或腔）和吸引力（solvophilic）的贡献溶剂化。亲溶剂贡献被进一步解析为由溶质与第一溶剂化壳层中的溶剂的相互作用产生的化学贡献和由溶质与超出第一溶剂化壳层的溶剂之间的非特异性相互作用产生的长程贡献。腔贡献是获得两个不同的信封，$Σ_{SE}$的理论确定为溶剂排除体积和一个更大的信封（$Σ_G$），超过该溶质-溶剂相互作用是高斯。对于这两种封套，水中的空腔贡献与封套的表面积成比例。GdmCl（aq）的情况并非如此，这揭示了使用分子面积评估溶剂化能量学的局限性，特别是在混合溶剂中。的$Σ_G$ -腔贡献预测，GdmCl（aq）应该有利于更紧凑的状态，相反的GdmCl在展开蛋白质的作用。化学贡献减弱了这种效应，但净局部（化学加上$Σ_G$ -填充）贡献仍然不足以捕获GdmCl的作用。考虑到范德华相互作用所决定的长程作用，GdmCl水溶液更倾向于伸展构象而不是紧密构象。我们的发现强调了蛋白质溶液热力学中弱的，但有吸引力的，长程分散相互作用的重要性。
2018-01-15 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Protein synthesis driven by dynamical stochastic transcription
在这篇手稿中，我们提出了一个数学框架来耦合转录和翻译，其中mRNA的产生由一组主方程描述，而蛋白质密度的动态由随机微分方程控制。这两个过程之间的耦合是由一个随机扰动，其统计满足主方程。在这种方法中，从mRNA数量的分析时间依赖性分布的知识，我们能够计算蛋白质群体的概率密度的动态。
2015-07-23 math.PR physics.bio-ph q-bio.SC
Role of solvation in pressure-induced helix stabilization
与众所周知的高压使球状蛋白质不稳定相反，最近的工作表明，压力使孤立的α-螺旋的形成稳定。然而，迄今为止的所有模拟都在实验压力范围内获得了定性相反的结果。我们表明，使用蛋白质力场（Amber 03 w）参数化结合一个准确的水模型（TIP 4P/2005）恢复正确的压力依赖性和螺旋形成的整体稳定性图类似的实验，另一方面，我们证实，使用TIP 3 P水的结果在一个非常弱的压力不稳定的螺旋。通过仔细分析的影响因素，我们表明，这不仅仅是一个后果，不同的肽构象采样使用TIP 3 P。相反，溶剂本身在确定总系统体积（肽和溶剂）对螺旋含量的依赖性方面具有关键作用。相对于具有两种水模型的非螺旋结构，螺旋肽结构排除了较小的水体积，但是螺旋构象的总系统体积高于具有TIP 3 P水的非螺旋构象，在低至中压下，与TIP 4P/2005水相反。我们的研究结果进一步强调了使用精确的水模型研究远离标准温度和压力条件下的蛋白质折叠的重要性。
2015-03-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Why solvent response contributions to solvation free energies are compatible with Ben-Naim's theorem
本研究解决了对Ben-Naim定理的误读矛盾，通过Ising模型和溶剂化Lennard-Jones粒子示例，阐明溶剂重组熵与多体溶剂关联的熵贡献存在概念和数值差异，明确互信息展开可直接解释溶剂关联对溶剂化自由能的贡献。
2023-06-15 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Exact solution of a stochastic protein dynamics model with delayed degradation
我们研究了蛋白质动力学的随机模型，明确包括延迟的降解。我们严格地推导出主方程的过程，并准确地解决它。我们表明，得到的平均值的方程不同于其他直观地提出和振荡行为是不可能在这个系统中。本文讨论了随机时滞系统中关联函数的计算问题，强调了它与马尔可夫过程的区别。精确的结果可以澄清随机性和延迟之间的相互作用。
2011-07-20 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
The Effect of Hydration and Dynamics on the Mass Density of Single Proteins
Durham University（杜伦大学）；École Polytechnique Fédérale de Lausanne（洛桑联邦理工学院）；University of Edinburgh（爱丁堡大学）
提出一种结合水合效应的计算方法测定蛋白质质量密度，发现蛋白质平均密度低于传统认知且与残基组成相关，并证实水合层会显著增加局部溶剂密度。
2025-04-21 physics.bio-ph
Machine Learning Implicit Solvation for Molecular Dynamics
生物分子溶剂环境的精确建模对于计算生物学和药物设计至关重要。一个流行的方法来实现长的模拟时间尺度的大型系统的大小是将溶剂的效果在一个平均场的方式与隐式溶剂模型。然而，现有的隐式溶剂模型的挑战是，与显式溶剂模型相比，它们通常缺乏准确性或某些物理性质，因为被忽略的溶剂分子的多体效应难以建模为平均场。在这里，我们利用机器学习（ML）和多尺度粗粒化（CG）来学习隐式溶剂模型，该模型可以在给定足够的训练数据的情况下以任意精度近似给定显式溶剂模型的能量和热力学性质。继以前的ML-CG模型CGnet和CGSchnet，我们引入ISSNet，一个图形神经网络，模拟平均力的隐式溶剂势。ISSNet可以从显式溶剂模拟数据中学习，并很容易应用于MD模拟。我们比较了两个肽体系在不同溶剂化处理下的溶质构象分布。结果表明，ISSNet模型在再现小分子蛋白质体系相对于显式溶剂的热力学行为方面优于常用的广义Born模型和表面积模型.这种新方法的成功证明了将机器学习方法应用于计算机研究和生物医学应用中溶剂效应的准确建模的潜在好处。
2021-08-26 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
Integral equation models for solvent in macromolecular crystals
溶剂可以占据高达70%的大分子晶体，因此具有预测溶剂在周期性系统中分布的模型可以改善对晶体学数据的解释。然而，很少有隐式溶剂模型适用于周期性溶质，而晶体结构通常是假设一个平坦的溶剂模型求解。在这里，我们提出了一个新开发的周期性版本的3D-RISM积分方程方法，能够有效地解决和准确地描述水和离子的分布在周期性系统中的代码可以计算精确的梯度，可用于最小化或分子动力学模拟。新的方法包括一个扩展的OZ方程需要产生电荷中性的带电溶质，这需要额外的贡献，以前还没有确定的过量化学势，这是一个重要的考虑核酸或任何其他带电系统中的大多数或所有的反离子和共离子的一部分的“无序”溶剂。我们提出了几个计算的蛋白质，RNA和小分子晶体显示，X-射线散射强度和溶剂结构预测的周期性3D-RISM溶剂模型与实验更接近一致比强度计算使用默认的平面溶剂模型在refmac 5或phenix细化程序，在2至4微米范围内的最大改善。展望将积分方程模型晶体学细化进行了讨论。
2021-09-07 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
Dynamical transition, hydrophobic interface, and the temperature dependence of electrostatic fluctuations in proteins
分子动力学模拟揭示了一个戏剧性的增加，随着温度的升高，在金属蛋白质质体蓝蛋白的活性位点的水引起的静电波动的幅度。增加的宽度的静电波动，表示在重组能量的变化的蛋白质的氧化还原状态，是有关的疏水蛋白质/水界面的形成，允许大幅度集体波动的水密度在蛋白质的第一溶剂化壳。在重组能随温度升高而单调增加的顶部，我们观察到在220 K处的尖峰也伴随着指数集体斯托克斯位移动力学的显著减慢。与水化壳层水的局部密度波动相反，这些尖峰可能与水溶剂穿过Widom线的全局性质有关。
2008-07-28 physics.bio-ph physics.chem-ph
Description of non-specific DNA-protein interaction and facilitated diffusion with a dynamical model
我们提出了一个动力学模型的非特异性DNA-蛋白质相互作用，这是基于“珠弹簧”模型以前开发的其他小组，并研究其性质使用布朗动力学模拟。我们表明，该模型成功地再现了一些观察到的真实系统的性质和动力学模型的预测。例如，蛋白质对DNA序列的采样通过溶剂中的连续3d运动、沿着序列的1d滑动、相邻位点之间的短跳和片段间转移进行。此外，促进扩散发生在一定范围内的值的蛋白质的有效电荷，也就是说，一维滑动和三维运动的组合导致更快的DNA采样比纯三维运动。最后，在滑动事件期间访问的碱基对的数量与从单分子实验推导出的值相当。本文还指出并讨论了该模型的预测与最近的一些实验结果以及动力学模型的一些假设和预测之间的一些差异。
2008-11-19 physics.bio-ph
