Role of electrostatic interactions in amyloid beta-protein (Abeta) oligomer formation: A discrete molecular dynamics study
淀粉样β蛋白（Abeta）的病理性折叠和寡聚体形成被广泛认为是阿尔茨海默病（AD）的核心。研究Abeta自组装的实验方法是有问题的，因为大多数相关的聚集体是准稳定和不均匀的。我们应用离散分子动力学（DMD）方法结合四珠蛋白模型来研究淀粉样β蛋白（Abeta）的寡聚体形成。我们解决了两个最常见的Abeta同种异型，Abeta 40和Abeta 42，在体外寡聚化不同之间的差异。我们研究了带电氨基酸之间的静电相互作用（EI）的存在如何影响A β 40和A β 42寡聚体的形成。我们的研究结果表明，EI促进形成较大的寡聚体在A β 40和A β 42。如实验观察到的，A β 40尺寸分布保持单峰，而A β 42分布是三峰的。Abeta 42折叠结构的特征在于在C-末端的转角，这在Abeta 40中不存在。我们发现，相同的C-末端区域也是负责最强的分子间接触在Abeta 42五聚体和较大的低聚物。我们的研究结果表明，这个C-末端区域在形成Abeta 42寡聚体中起着关键作用，该区域的相对重要性在EI的存在下增加。这些结果表明，靶向A β 42寡聚体的C-末端区域的抑制剂可能能够防止寡聚体形成或在结构上修饰组装体以降低其毒性。
2007-01-24 q-bio.BM
Electrostatic complementarity at the interface drives transient protein-protein interactions
本研究分析了大型蛋白质复合物数据集，发现静电互补性在瞬态（低结合亲和力）复合物中发挥更大作用，并提出一种无需复合物结构即可测量静电互补性的快速方法，其区分瞬态与永久复合物的ROC AUC达0.8。
2022-08-21 physics.bio-ph q-bio.BM
Molecular dynamics studies on the NMR structures of rabbit prion protein wild-type and mutants: surface electrostatic charge distributions
朊病毒是在哺乳动物中发现的一种错误折叠的蛋白质，可导致人类和动物的神经系统感染性疾病。朊病毒病是一种致命的、高度传染性的神经退行性疾病，影响多种哺乳动物物种，如绵羊和山羊、牛、鹿、麋鹿和人类等。最近的研究表明，兔对朊病毒病的易感性低于包括人类在内的其他动物。本研究采用分子动力学（MD）方法，基于最近获得的兔朊蛋白（RaPrPC）的NMR结构（野生型及其两个表面残基的突变体）来阐明其作用机制。在分析分子动力学轨迹时，蛋白质表面的静电荷分布是重点。结果发现，我们可以得出结论，表面静电电荷分布确实有助于野生型RaPrPC的结构稳定性，这可能是有用的朊病毒疾病的药物治疗。
2014-07-23 physics.bio-ph q-bio.BM
Electrostatic forces on charged surfaces of bilayer lipid membranes
模拟蛋白质-膜相互作用是一个重要的和动态的研究领域。膜表面静电力的正确定义是必要的蛋白质-膜相互作用的机电模型的发展。在这里，我们模拟的双层膜作为一个连续的一般连续分布的膜表面上的脂质电荷。一个新的静电势能泛函，然后定义了这个溶剂化的蛋白质膜系统。我们研究了光滑速度场下膜表面的几何变换性质。这些性质使我们能够应用Hadamard-Zolesio结构定理，并且膜表面上的静电力可以计算为静电能量泛函的形状导数。
2013-09-20 math.AP q-bio.BM
Optimized Baxter Model of Protein Solutions: Electrostatics versus Adhesion
本文建立了球形蛋白质在屏蔽静电和恒定粘附作用下相互作用的理论，其中有效粘附参数由自由能的变分原理优化。第二维里系数的分析方法首先概述了通过平衡排斥静电对裸露的粘附力的一部分。一个理论类似的精神是在非零浓度的假设一个适当的巴克斯特模型作为参考状态。在自由能的函数展开中的一阶项被设置为等于零，其确定作为盐和蛋白质浓度的函数的有效粘附。由此产生的理论示出有相当好的预测能力的第二维里系数和渗透压或可压缩性的溶菌酶高达约0.2体积分数的离子强度依赖。
2004-04-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Ionic channels in biological membranes. Electrostatic analysis of a natural nanotube
本文提出了一个简单的离子在通道中渗透的理论，在通道中，离子的扩散遵循Fick定律，离子的漂移遵循Ohm定律。该理论解释了迄今为止在广泛的溶液中研究的通道中的渗透。有趣的是，该理论之所以有效，是因为电场的形状是实验条件的敏感函数，例如，离子浓度通量的速率常数是离子浓度的敏感函数，因为通道蛋白质的固定电荷被附近的离子屏蔽，这种屏蔽效应不包括在离子通道或其他蛋白质的传统理论中。
2016-10-14 q-bio.BM
Multiscale models and approximation algorithms for protein electrostatics
Northeastern University（东北大学）；Rice University（莱斯大学）
本文提出多尺度模型和边界积分方法，用于更准确地模拟蛋白质静电学问题，包括非局部连续理论模型和非线性边界条件。
2015-12-28 cs.NA math.NA physics.chem-ph
Electrostatic considerations affecting the calculated HOMO-LUMO gap in protein molecules
详细研究了蛋白质体系和水分子团簇中最高占据和最低未占据分子轨道（HOMO-LUMO能隙）之间的能量差。最近的工作质疑Kohn-Sham密度泛函理论对蛋白质和大的水簇的适用性（E。Rudberg，J. Phys.：康登斯Mat. 2012，24，072202）已经证明了这些系统的HOMO-LUMO间隙消失，这通常归因于所用泛函中交换的处理。目前的工作表明，消失的差距，事实上，用于准备系统的方法的静电文物。当系统尺寸增加时，确保间隙保持的实用解决方案被证明。这项工作具有重要意义的大规模密度泛函理论在生物分子系统中的使用，特别是在模拟的光发射，光吸收和电子输运，所有这些都严重依赖于分子轨道的能量之间的差异。
2013-02-19 cond-mat.soft physics.chem-ph q-bio.BM
Protein-DNA electrostatics: toward a new paradigm for protein sliding
基因的表达和调控依赖于一些蛋白质和DNA之间的一系列明显微调的反应。这种DNA结合蛋白必须在很长的DNA分子上找到特定的序列，而且它们大多在没有任何活性过程的情况下这样做。人们已经迅速认识到，为了实现这一任务，这些蛋白质应该在搜索（即快速采样DNA的相关部分）和发现（即识别特定位点）方面都是有效的。自70年代以来，双模式搜索及其变体一直被提出来解释快速搜索或有效识别。然而，在现象学水平上将这两种性质结合起来更为困难，因为它们似乎具有拮抗剂作用。为了克服这个困难，人们可能只需要放弃双模式搜索固有的二分观点，并更彻底地研究DNA结合蛋白与特定或非特异性DNA片段之间的相互作用。这一章表明，在一个非常通用的方式这样做，人们确实可能会发现一个潜在的协调之间的快速搜索和有效的识别。尽管还有很多工作要做，但现在可能是改变模式的时候了
2013-11-29 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
A quantum mechanical analysis of the light-harvesting complex 2 from purple photosynthetic bacteria. Insights into the electrostatic effects of transmembrane helices
我们进行的肽的量子力学研究的LH2复合物的一部分，从Rhodopyreneacidophila，一种非硫紫色细菌，具有从光合作用产生化学能的能力。电子结构计算表明，这些肽的跨膜螺旋的特征是与约150 D的大小的偶极矩。当考虑由18个肽组成的完整九聚体组装体时，则从每个单体偶极的矢量和建立大小为704 D的宏偶极。宏偶极子取向垂直于膜平面，并且正尖端朝向细胞质，从而表明蛋白质支架的电子电荷朝向周质极化。这里得到的结果表明，不对称的电荷分布的蛋白质支架有助于各向异性的静电环境，区分细菌叶绿素色素，B800和B850，嵌入在LH2复合物的吸收特性。
2010-06-25 q-bio.BM
The contribution of electrostatic interactions to the collapse of oligoglycine in water
蛋白质溶解度和构象稳定性是蛋白质内以及蛋白质与溶剂之间相互作用平衡的结果。的静电溶剂化自由能的低聚甘氨酸，模型的肽骨架，变得更有利的长度增加，但更长的肽崩溃，由于形成有利的肽内相互作用之间的CO偶极，在某些情况下没有氢键。强排斥性的溶剂空腔形成是平衡的范德华吸引力和静电的贡献。为了研究溶剂排斥和电荷相互作用之间的竞争，我们模拟了由15个残基组成的长寡聚甘氨酸的崩溃，同时将肽上的电荷从零缩放到完全带电。我们研究这对肽的构象性质的影响。我们还描述了在缩放过程中发生的近似热力学变化，无论是在肽内电位和肽-水电位，并估计系统的静电溶剂化自由能。
2016-03-23 cond-mat.soft q-bio.BM
An Extension of Goldman-Hodgkin-Katz Equations by Charges from Ionic Solution and Ion Channel Protein
Goldman-Hodgkin-Katz（GHK）方程已被广泛应用于离子通道的研究、模拟和模型开发。然而，它们是在恒定电场下构建的，导致它们在预测离子通量、电流和膜电位时具有低的近似度。本文将该方程组从恒定电场推广到离子溶液和离子通道蛋白的非线性电场。此外，一个新的数值求积方案的开发，估计一个主要的参数，称为扩展参数，扩展GHK方程的一组静电势值。为此，扩展的GHK方程成为“宏观”离子通道动力学和“微观”跨细胞膜的静电势值之间的桥梁。为了生成一组所需的静电势值，开发了用于求解一维Poisson-Nernst-Planck离子通道模型的非线性有限元迭代方案，并将其实现为Python软件包。然后，该软件包被用来做数值研究的扩展GHK方程，数值求积方案，和非线性迭代方案。数值结果证实了在离子通量计算中考虑电荷效应的重要性。它们还验证了数值积分格式的高数值精度，非线性迭代格式的快速收敛速度，以及软件包的高性能。
2022-08-24 q-bio.BM
Molecular Dynamics Studies on the Structural Stability of Wild-Type Rabbit Prion Protein: Surface Electrostatic Charge Distributions
朊病毒疾病涵盖了人类和动物的一系列神经退行性疾病，这些疾病总是致命的和高度传染性的。到目前为止，还没有一些有效的治疗方法或药物来治疗所有的朊病毒疾病。幸运的是，大量的实验经验表明，兔对从其他物种分离的朊病毒疾病的感染具有抵抗力，最近兔朊病毒蛋白及其突变体的分子结构被发布到蛋白质数据库中。朊病毒疾病是“蛋白质结构构象”疾病。因此，为了揭示朊病毒疾病的某些秘密，有必要从分子结构和动力学的角度对兔朊病毒进行研究。Wen等人（PLoS One 5（10）e13273（2010），Journal of Biological Chemistry 285（41）31682-31693（2010））报道了NMR RaPrPC（124-228）分子快照的表面具有大面积的连续正电荷分布，这有助于兔朊病毒蛋白的结构稳定性。这只是一个快照的属性。本文证实了在许多环境中，在长达30纳秒的分子动力学过程中，仍然保留了一大片正电荷分布区，但并不总是保留了正电荷分布区的连续性。这些结果可能对朊病毒疾病的药物治疗有一定的参考价值。
2011-09-10 physics.bio-ph q-bio.BM
Optimized Parallelization of Boundary Integral Poisson-Boltzmann Solvers
本研究针对边界积分泊松-玻尔兹曼求解器，分别利用MPI在CPU和KOKKOS在GPU上实现并行优化，提供按问题规模选择求解器的指导，并应用于COVID-19相关蛋白质的静电计算。
2023-12-28 q-bio.BM
On the ion-mediated interaction between protein and DNA
允许蛋白质搜索DNA上的靶序列的机制目前被描述为由本体中的3D扩散和沿着DNA分子的1D扩散组成的间歇过程。由于蛋白质和DNA的相关电荷，静电相互作用在这一搜索过程中应发挥至关重要的作用。在本文中，我们明确地推导出平均场论允许在溶液中的蛋白质-DNA静电的描述。这种方法导致一个统一的模型的搜索过程中，1D和3D扩散出现作为一个自然的结果扩散的扩展的相互作用能量分布。
2013-11-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
The MIp Toolset: an efficient algorithm for calculating Mutual Information in protein alignments
背景资料：蛋白质家族内的共同进化通常是通过统计学来预测的，这些统计学测量了蛋白质序列中位置之间的共同变异程度。互信息是两个随机变量之间依赖性的度量，已被广泛用于预测蛋白质内的协同进化。结果：在这里，我们提供了一个算法的有效计算的蛋白质家族内的互信息。该算法使用的链表是直接访问的指针数组。链表允许有效存储由蛋白质保守引起的稀疏计数数据。指针的直接访问数组防止每次修改链表时遍历链表。结论：该算法在软件MIpToolset中实现，但也可以在其他基于互信息的独立软件或Web服务器中轻松实现。MIpToolset中的当前实现在比对编辑和策展期间的大规模蛋白质家族分析和实时协同进化计算中至关重要。MIpToolset可从以下网址获得：https://sourceforge.net/projects/miptoolset/
2013-04-16 q-bio.BM q-bio.GN q-bio.PE
RNA topology remolds electrostatic stabilization of viruses
简单的RNA病毒有效地将其基因组封装到纳米大小的蛋白质外壳中：衣壳。基因组和衣壳蛋白的自发共组装主要由带负电荷的RNA和带正电荷的内衣壳壁之间的静电相互作用驱动。使用场论公式，我们表明，固有的分支RNA二级结构允许病毒最大限度地提高封装的基因组的量，使组装更有效，允许病毒RNA在感染的宿主细胞中复制过程中竞争细胞RNA。
2016-01-04 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Visualizing biomolecular electrostatics in virtual reality with UnityMol-APBS
虚拟现实是一种强大的工具，能够让用户沉浸在完全外部的环境中。这种浸入在可视化和分析小有机分子、分子无机复合物和生物分子系统（如氧化还原蛋白质和酶）之间的相互作用时特别有用。在生物医学界分析这种相互作用的常用工具是APBS软件，该软件被开发用于求解大型生物分子组合的连续静电方程。在生物医学界中存在使用APBS的许多应用，包括分析蛋白质与配体相互作用，并且APBS在整个生物医学界中得到广泛采用。目前，完整APBS工具集的典型使用是通过命令行完成的，然后使用各种二维外部分子可视化软件进行可视化。这个过程有固有的局限性：使用二维界面的三维对象的可视化掩盖了深度分量内的重要信息。在此，我们开发了一个单一的应用程序，UnityMol-APBS，它提供了双重体验，用户可以利用APBS工具集的全部范围，而不使用命令行界面，通过使用简单的\ac{GUI}，无论是标准的桌面或沉浸式虚拟现实体验。
2019-11-01 q-bio.BM
Electrostatics of Salt-Dependent Reentrant Phase Behaviors Highlights Diverse Roles of ATP in Biomolecular Condensates
University of Toronto（多伦多大学）；Hospital for Sick Children（多伦多家儿童医院）；Gandhi Institute of Technology and Management（甘地理工学院与管理学院）
研究揭示了盐依赖性反向相变行为中ATP在生物分子凝聚体中的多重作用，通过实验和理论分析展示了ATP与离子浓度调控的关联。
2024-12-31 q-bio.BM
Presence of pKa Perturbations Among Homeodomain Residues Facilitates DNA Binding
含有同源结构域的蛋白质是一大类DNA结合蛋白，据信其主要起转录因子的作用。静电相互作用已被证明是至关重要的同源结构域的结合到DNA。DNA磷酸结合中涉及的同源结构域残基的静电状态的检查已经证明了保守的存在下向上移动的pKa值之间的赖氨酸和精氨酸的基本残基。据信，这些pKa扰动有助于与DNA结合，因为它们确保碱性残基始终保持正电荷。
2009-07-28 q-bio.BM
SHREC 2025: Protein surface shape retrieval including electrostatic potential
organization= Laboratoire GBCM, EA7528, Conservatoire Nationale des Arts et Métiers , city= Paris , country= France；organization= National Institute of Technology, Tsuyama College , city= Tsuyama , country= Japan；organization= CONTACT AI Research, CONTACT Software GmbH , city= Bremen , country= Germany；organization= Changsha University of Science；organization= Department of Biological Sciences, Purdue University , city= West Lafayette, IN , country= USA；organization= Department of Computer Science, Purdue University , city= West Lafayette, IN , country= USA；organization= De Vinci Higher Education, De Vinci Research Center , city= Paris , country= France；organization= IMT Nord Europe, Institut Mines-Télécom, Université de Lille, Center for Digital Systems , city= Lille , country= France；organization= Yunnan Normal University , city= Kunming, Yunnan , country= China；organization= New York University Abu Dhabi , city= Abu Dhabi , country= UAE；organization= Department of Chemistry, Queen’s University , city= Kingston, ON , country= Canada；organization= University of Science, VNU-HCM , city= Ho Chi Minh City , country= Vietnam；organization= Vietnam National University , city= Ho Chi Minh City , country= Vietnam
本文介绍了 SHREC 2025 蛋白质表面形状检索赛道，9 支团队在 11,555 个蛋白质表面数据集上评估了 15 种方法，发现结合静电势互补性的方法取得了最佳检索性能，凸显了额外分子表面描述符的重要性。
2025-09-16 cs.CV q-bio.BM
Electrostatic theory of viral self-assembly: a toy model
病毒从相同的衣壳蛋白和它们的基因组自组装，所述基因组由例如长单链（ss）RNA组成。对于一大类T = 3病毒，衣壳蛋白具有长的正N-末端尾。我们探讨了正N-末端尾巴扎根在衣壳的内表面和负SS RNA分子的刷之间的库仑相互作用所发挥的作用。我们发现，当SS RNA的总轮廓长度接近尾部的总长度时，病毒是最稳定的。对于这种结构，总RNA电荷的绝对值大约是衣壳电荷的两倍。这一结论与结构数据一致。
2007-02-02 cond-mat.soft q-bio.BM
The network of stabilizing contacts in proteins studied by coevolutionary data
蛋白质的一级结构，即它们的序列，代表了关于生物分子的最丰富的实验数据之一。通过逆伊辛模型的方法，在家庭的共同进化蛋白质的相关性的研究可以获得它们的天然构象的信息。沿着这条线的最新发展，我们优化的算法来计算残基之间的有效能量，验证的方法都回计算模型系统中的相互作用能，并预测在真实系统中的突变相关的自由能。利用这些有效的能量，我们研究了网络的相互作用，稳定了一些研究充分的蛋白质的天然构象，显示它显示出不同的属性比相关的接触网络。
2013-07-05 q-bio.BM
Comparative Roles of Charge, $π$ and Hydrophobic Interactions in Sequence-Dependent Phase Separation of Intrinsically Disordered Proteins
为了建立一个可转移的、预测性的粗粒显式链模型来描述液液相分离（LLPS）过程中的生物分子凝聚体物，我们对DEAD盒解旋酶Ddx 4的N端固有无序区（IDR）进行了多链模拟，以评估静电、疏水、阳离子- $π$和芳香族相互作用在氨基酸序列依赖性LLPS中的作用。我们评估了3个残基-残基相互作用方案与共享的静电势。无论是一个共同的疏水性方案，也没有一个增强精氨酸/赖氨酸-芳香族阳离子- $π$相互作用始终占实验LLPS数据的野生型，电荷乱序，FtoA，和RtoK突变体的Ddx 4 IDR。相比之下，基于折叠球状蛋白结构之间的接触统计的相互作用再现了整体实验趋势，包括RtoK突变体具有大大降低的LLPS倾向。P-颗粒蛋白LAF-1的RtoK突变体的模拟和LLPS实验之间的一致性也被发现，强调在一定程度上，重要的LLPS驱动$π$相关的相互作用体现在经典的统计潜力。进一步的阐明将是必要的，但是，特别是苯丙氨酸的作用，在冷凝物组装，因为FtoA和YtoF突变体的实验表明，LLPS驱动苯丙氨酸相互作用显着弱于常见的统计电位所假定的。蛋白质-蛋白质静电相互作用由相对介电常数调制，相对介电常数取决于蛋白质浓度。分析理论表明，这种依赖性需要在凝聚相中增强蛋白质间的相互作用，但在稀相中更有利的蛋白质-溶剂相互作用。相反的趋势导致对LLPS的总体影响不大。
2020-10-06 cond-mat.soft q-bio.BM
Sensitivity of Water Dynamics to Biologically Significant Surfaces of Monomeric Insulin: Role of Topology and Electrostatic Interactions
除了在人类血液中循环的蛋白质胰岛素的生物活性单体之外，该分子还以用作储存的二聚体和六聚体形式存在。胰岛素单体含有两个不同的表面，即二聚体形成表面（DFS）和六聚体形成表面（HFS），专门设计用于分别促进二聚体和六聚体的形成。为了表征这两个表面（DFS和HFS）附近的界面水分子的结构和动力学行为，我们进行了原子分子动力学模拟胰岛素与明确的水。动力学表征表明，DFS残基与界面水分子之间形成的氢键的结构弛豫比水与HFS残基之间形成的氢键的结构弛豫快。此外，水分子在蛋白质水化层的DFS和HFS的停留时间被发现是显着高于那些迄今为止研究的其他一些蛋白质，如HP-36和溶菌酶。表面形貌和氨基酸残基的排列共同作用以组织水化层中的水分子，以便为它们提供优选的取向。HFS具有大的极性溶剂可及表面积和凸形的广泛的非极性区域，驱动周围的水分子主要获得笼形结构。相反，在DFS附近，周围的水分子由于疏水表面的平坦曲率和中断的亲水残余排列而获得反向取向。我们跟踪了几个准束缚水分子从两个表面的逃逸轨迹，并构造了这些水分子的自由能面，这些自由能面揭示了两个水化层之间的差异。
2013-12-21 q-bio.BM
Dynamics of protein-protein encounter: a Langevin equation approach with reaction patches
我们研究了蛋白质-蛋白质相遇复合物的形成与朗之万方程的方法，认为直接，空间和热力学。作为具有明显不同性质的三个模型系统，我们考虑对芽孢杆菌RNA酶：芽孢杆菌RNA酶抑制剂，细胞色素c：细胞色素c过氧化物酶和p53：MDM 2。在每种情况下，蛋白质被建模为球形颗粒，偶极球或具有一个偶极的几个小珠的集合。根据蛋白质复合物的已知实验结构，在模型蛋白质上放置球形反应斑。在计算机模拟中，通过改变盒子的大小来改变浓度。相遇被定义为反应斑的重叠，并记录相应的首次通过时间以及相遇前不成功接触的次数。我们发现，遇到频率与蛋白质浓度呈线性关系，从而证明我们的微观模型导致一个定义良好的宏观遇到率。遭遇前的不成功接触的数量随着遭遇率的增加而减少，范围从20-9000。对于所有这三个模型，遇到率在一个数量级的实验测得的关联率。静电转向增强联想高达50倍。如果扩散相遇占主导地位（p53：MDM 2）或与静电转向（barnase：barstar）同样重要，则相遇率随斑块半径的减小而减小。更详细的蛋白质形状建模将遭遇率降低5- 95%。我们的研究显示了蛋白质-蛋白质缔合的一般原则是如何被所考虑的系统的分子特征所调制的。此外，它使我们能够评估不同的粗粒化策略，为未来的大型蛋白质复合物的动力学建模。
2008-09-17 q-bio.BM q-bio.SC
A theory for viral capsid assembly around electrostatic cores
我们开发的平衡和动力学理论，描述了组装的病毒衣壳蛋白在一个带电的中央核心，在最近的实验中，雀麦花叶病毒（BMV）衣壳组装周围的纳米粒子功能化与nanoparticles。我们使用非线性Poisson Boltzmann方程，将衣壳蛋白和纳米颗粒表面之间的相互作用建模为具有相反电荷的刷的相互作用。该模型预测，存在功能化电荷的阈值密度，高于该阈值密度，衣壳有效地组装在纳米颗粒周围，并且光散射强度在早期迅速增加，而没有空衣壳组装的滞后期特征。这些预测是一致的，并使初步的实验数据的解释。然而，该模型预测的纳米粒子掺入效率对功能化电荷密度的依赖性比实验中测得的更强，并且不能完全捕获实验光散射中看到的对数生长期。这些差异可能表明实验系统中存在亚稳态无序态。除了讨论未来的纳米粒子衣壳系统的实验，我们讨论了更广泛的影响，了解周围的带电核心，如核酸组装。
2009-05-06 q-bio.BM
Impact of Charge Variation on the Encapsulation of Nanoparticles by Virus Coat Proteins
静电相互作用是通过病毒外壳蛋白包封纳米颗粒如量子点、金颗粒和磁珠的驱动力，成像和治疗目的。在最近的实验工作中，Daniel等人[ACS Nano 4（2010），3853-3860]发现包封效率敏感地取决于带负电荷的金纳米颗粒的表面电荷密度与蛋白质的RNA结合结构域上的正电荷的数量之间的相互作用。令人惊讶的是，这些实验表明，尽管在低pH下的共组装的高度合作性质，封装的效率是其表面电荷密度的逐渐函数。我们提出了一个简单的全有或全无的质量作用定律结合静电相互作用模型来解释实验。我们发现定量协议与实验观察，支持纳米粒子之间存在一个自然的统计电荷分布。
2012-10-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Protein crystals and charged surfaces: interactions and heterogeneous nucleation
由于蛋白质通常具有约10的电荷，它们将与带电表面强烈相互作用。我们计算了静电对蛋白质晶体与带电表面相互作用的贡献。表面排斥带相同电荷的晶体并吸引带相反电荷的晶体，其自由能可以很容易地为与表面接触的每个蛋白质分子几kT。这意味着带相反电荷的表面可以充当成核剂，它们可以通过降低晶体从稀溶液异相成核的自由能垒来诱导蛋白质晶体的成核。
2003-04-16 cond-mat.soft q-bio.BM
Effects of RNA branching on the electrostatic stabilization of viruses
许多单链（ss）RNA病毒从衣壳蛋白亚基和核酸自组装以形成感染性病毒体。据信，带负电荷的RNA和带正电荷的病毒衣壳蛋白之间的静电相互作用驱动了包装，尽管越来越多的证据表明病毒RNA的序列也在包装中起作用。特别地，该序列将决定ssRNA在溶液中可能采用的二级结构。在这项工作中，我们使用平均场论来研究如何结合静电相互作用的RNA的二级结构影响组装的效率和组装的病毒粒子的稳定性。我们表明，RNA的二级结构可能会导致负渗透压，而线性聚合物在相同的条件下会导致正渗透压。这可能表明，分支结构使RNA更有效地包装和病毒粒子更稳定。
2016-08-09 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
ProtFract: A server to calculate interior and exterior fractal properties of proteins: Case study with Ras superfamily proteins
动机：蛋白质表面粗糙度本质上是分形的。蛋白质内部的质量、疏水性、极化率分布以及偶极矩、芳香残基和许多其他结构决定因素的分布也是分形的。开放访问服务器ProtFact提供了一种可靠的方法来获得大量基于分形维数和相关维数的结果，以量化蛋白质内部和外部各种属性分布中自相似性的对称性。结果：对Ras超家族蛋白的各种生物物理性质进行了基于分形维数的比较分析。虽然Ras超家族结构之间的序列和功能重叠的程度非常高，但发现从ProtFract调查获得的结果对检测每个属性的分布差异是敏感的。例如，发现RAN蛋白在所有Ras超家族蛋白中结构最稳定，ARF在其结构中具有最大程度的未使用疏水性，RAB蛋白内部具有静电最不利的环境，GEM/REM/RAD蛋白具有异常高的对称性在其活性手性中心的结构组织中，疏水性和库仑相互作用在稳定RAS蛋白中均不起重要作用，但芳香族相互作用起重要作用，尽管发现阳离子-π相互作用在RAN中比在RAS蛋白中更占主导地位。Ras超家族蛋白质可以根据其类别特异性的π-π和阳离子-π相互作用对称性进行最好的分类。可用性：ProtFact可在网址http://bioinfo.net.in/protfract/index.html上免费在线获得
2012-12-10 q-bio.BM
Recovering protein conformations from single-particle cryo-EM data via indirect shape matching gradient flows
University of Cambridge（剑桥大学）；Royal Institute of Technology（皇家理工学院）
本研究提出一种基于李群梯度流的间接形状匹配框架，可直接从单粒子冷冻电镜投影重建蛋白质主链，在合成数据上成功恢复单/多链蛋白质并捕捉构象转变。
2026-08-19 math.DG math.OC q-bio.BM
Weak self-interactions of globular proteins studied by small-angle X-ray scattering and structure-based modeling
我们通过小角X射线散射（SAXS）和理论模型研究了溶液中蛋白质-蛋白质相互作用。牛胰胰蛋白酶抑制剂（BPTI），肌红蛋白（Mb），和肠脂肪酸结合蛋白（IFABP）的解决方案的结构因子，确定从SAXS测量在多个浓度，从蒙特卡罗模拟与粗粒度的结构为基础的相互作用模型，并从两个理想化的胶体相互作用模型的解析近似解没有可调参数。通过结合这些方法，我们发现，结构因子基本上是由硬核和屏蔽静电相互作用。其他软短程相互作用（范德华力和溶剂化相关）要么是单独无关紧要的，要么倾向于抵消。结构因子也不受电荷波动的显著影响。对于Mb和IFABP，具有小的净电荷和相对对称的电荷分布，结构因子很好地描述了硬球模型。对于BPTI，具有较大的净电荷，屏蔽静电排斥也是重要的，但电荷分布的不对称性降低了具有相同净电荷的带电硬球模型预测的排斥。这种电荷不对称性也可能放大形状不对称性对蛋白质-蛋白质平均力势的影响。
2014-08-28 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Work/Precision Tradeoffs in Continuum Models of Biomolecular Electrostatics
Rice University（莱斯大学）；Northeastern University（东北大学）
本文研究了连续生物分子静电学模型中数值计算的简化方法，通过边界积分方程和边界元方法，发现低分辨率下点基BEM比面板法更准确，适用于药物设计等需要中等精度的计算。
2015-12-28 cs.NA math.NA q-bio.BM
Protein-protein interactions enhance the thermal resilience of SpyRing enzymes: a molecular dynamic simulation study
近年来，一种基于从化脓性链球菌中提取的粘附蛋白之间相互作用的技术（SpyRing）被广泛应用于提高酶的热弹性、生物结构的组装、癌细胞识别等领域。在SpyRing中，靶酶的两个末端分别连接到肽SpyTag及其蛋白伴侣SpyCatcher。SpyTag与SpyCatcher自发反应形成异肽键，目标酶与之形成闭环结构。据认为，SpyRing引起的蛋白质骨架的共价环化降低了生物结构的构象熵，提高了其刚性，从而提高了目标酶的热弹性。然而，SpyTag/ SpyCatcher与该酶相互作用的影响知之甚少，其对酶性质的调节仍不清楚。为简单起见，本文以枯草芽孢杆菌168的单结构域地衣多糖酶为例，通过分子动力学模拟研究了SpyRing体系中的界面相互作用，考察了静电相互作用和范德华相互作用的变化对目标酶热弹性的影响。模拟结果表明，SpyTag/SpyCatcher与地衣多糖酶之间的界面与几何匹配法所发现的界面不同，并强调了影响界面相互作用强度的关键突变，可能对酶的热弹性产生影响。我们的计算为SpyRing的合理设计提供了新的见解。
2021-07-28 q-bio.BM
PepLLM: ESM-Guided Llama for Structured Protein-Peptide Binding Interface Analysis
Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学）；School of Computer Science（计算机科学学院）；Centre for Cognitive Machines and Computational Health (CMaCH)（认知机器与计算健康中心）
本研究提出PepLLM框架，整合ESM与LLaMA，生成蛋白质-肽结合界面的多属性结构化注释，为可解释的蛋白质-肽界面分析建立新任务与建模范式。
2026-08-25 cs.AI cs.LG q-bio.BM
Effects of electrostatic interactions on ligand dissociation kinetics
我们研究了多价阳离子配体从带相反电荷的聚合物结合位点稀疏地接枝在平坦的中性基底上的解结合。我们的分子动力学（MD）模拟建议蛋白质-DNA相互作用的单分子研究。我们考虑单价盐浓度跨越大约一千倍的范围，以及各种浓度的过量配体在溶液中。为了揭示离子对自发和易化解离机制的解束缚动力学的影响，我们在Debye-Hückel（DH）或“隐式”离子，即，使用具有规定衰减长度的静电势）水平，以及通过在模拟中明确考虑所有离子种类的更精确方法。我们发现，DH的方法系统地高估解结合率，相对于所有离子对都明确存在于溶液中的计算，虽然这两种类型的计算的许多方面是定性相似的。对于易化解离（FD，溶液中游离配体加速解结合），明确的离子模拟导致在较低的游离配体浓度下解结合。我们的模拟预测各种FD制度作为自由配体和离子浓度的函数;一个特别有趣的制度是在中间浓度的配体，其中非静电结合强度控制FD。我们的结论是明确的离子静电建模是一个重要组成部分，定量解决问题的分子配体解离，包括核酸结合蛋白。
2017-11-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Varieties of charge distributions in coat proteins of ssRNA+ viruses
正二十面体单链RNA（ssRNA+）病毒的组装和稳定性中涉及的相互作用的主要部分本质上是静电的，这可以从其组装相图的强$pH$和盐依赖性中推断出来。静电相互作用不仅在衣壳外壳蛋白（CP）之间起作用，而且经常对CP与基因组RNA的相互作用提供显著贡献，在很大程度上由CP的带正电荷的柔性N-末端尾部介导。在这项工作中，我们提供了两个明确和互补的定义的N-末端尾巴的蛋白质，并使用它们来提取大量的CP的ssRNA+病毒的尾部序列。我们研究了$pH$依赖的相互作用的尾部和CP的电荷一样，并表明-在CP上的电荷相反-N-尾部的净正电荷持续甚至非常基本的$pH$值。此外，我们注意到，当与不带电荷的尾部和相似衣壳大小的病毒相比时，利用带正电荷的尾部的那些病毒的野生型基因组的长度是有限的。与此同时，我们观察到N尾上的电荷与我们研究中所包括的病毒的基因组长度之间没有明确的联系。
2017-11-29 physics.bio-ph q-bio.BM
Theoretical Studies of Structure-Function Relationships in Kv Channels: Electrostatics of the Voltage Sensor
电压门控离子通道介导细胞膜的电兴奋性。减少模型的电压传感器（VS）的KV通道产生洞察静电物理的高度正电荷的S4跨膜结构域的膜电位和其他静电参数的变化的响应。通过计算配分函数，计算了S4正电荷残基排列的电荷位移、能量、平移和旋转概率分布以及Maxwell应力的期望值;然后，这些计算结果可以与实验结果进行比较，以阐明VS的各种假定的原子级特征的作用。桨的模型是拒绝静电的理由，由于不利的能量，不充分的电荷位移和过大的麦克斯韦应力。另一方面，具有三个局部反电荷、蛋白质介电系数为4和相对于正残基的S4-螺旋周期的反电荷定位的2/3间隔的“滑动螺旋”模型在静电学上是合理的，与Shaker（Seoh等人，1996年）。缺乏反电荷使膜中的S4不稳定;反电荷间隔有助于确定S4运动范围内的能垒和波谷的数量和形状;蛋白质的局部介电系数限制了能量最大值的高度。这些“滑动螺旋”模型与Shaker上的单和双突变电荷实验的实验结果相比是有利的。单S4正电荷突变体预测相当不错，通过这个模型，单反电荷突变体预测不太好，和双突变体的S4电荷和反电荷的特点是最不好的。
2011-12-14 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.QM
Kinesin as an electrostatic machine
驱动蛋白和相关的马达蛋白利用ATP燃料以进行性和定向的方式沿着微管的外表面推进它们自己。我们表明，所观察到的阶梯状运动是可能的，通过随时间变化的电荷分布提供的ATP水解循环，而微管上的静电荷配置提供了运动的指导。因此，虽然化学水解能诱导适当的局部构象变化，电机平移能基本上是静电。力学运动方程的数值模拟表明，持续性和方向性的驱动蛋白和微管的不同电荷分布之间的ATP依赖的静电相互作用的直接后果。
2006-10-24 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Electrostatic determinants of voltage sensitivity in ion channels: Simulations of sliding-helix mechanisms
通过电压门控离子通道的电信号依赖于电压传感器（VS）的功能，其被鉴定为电压门控K通道的S1-S4结构域。在这里，我们调查一些物理方面的滑动螺旋模型的VS使用模拟的基础上VS收费，线性闪烁和全身运动。采用边界元法求解了电压箝位边界条件下的模型静电问题。的静电构型能量的统计机械后果的计算，以获得洞察的滑动螺旋机制，并预测实验测得的合奏性能，如门控电荷所施加的电压位移。这些后果和系综性质的变化进行了研究：S4配置（α-和3（10）-螺旋），内在的反电荷，蛋白质极化率，几何形状的门控通道，屏蔽S4电荷的浴，和蛋白质电荷位于浴界面。我们发现，滑动螺旋VS具有固有的静电稳定性，其功能作为VS是强大的参数空间探索。最大电荷位移受到几何形状的限制，特别是S4电荷和反电荷在弱电介质区域重叠的移动范围。在生理电压范围内电荷重排的陡度对静电能的景观很敏感：<2 kT的能量差异具有实质性后果。能源格局的这种变化是由测试的模型特征的所有变化产生的。滑动螺旋VS可以传递到通道的其他部分的每单位电压的自由能的量（电导电压灵敏度）受到最大位移电荷和电压引起的电荷再分布的陡度（传感器电压灵敏度）的限制。
2011-12-13 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.QM
Estimation of Protein-Ligand Unbinding Kinetics Using Non-Equilibrium Targeted Molecular Dynamics Simulations
在这里，我们报告非平衡靶向分子动力学模拟作为工具的蛋白质配体解结合动力学的估计。SPR动力学测量和X-射线晶体学实验数据的相关模拟结合到伴侣蛋白Hsp 90的N-末端结构域的两个小分子化合物库，我们表明，平均非平衡工作计算在一个合奏的轨迹强制配体解结合是一个很有前途的预测配体解结合率。我们进一步调查的分子基础，确定化合物库内的解结合率。我们提出配体构象变化和蛋白质-配体非键合相互作用的影响解结合率。如果配体表现出与靶标的强静电和/或范德华相互作用，则配体可以在蛋白质上保持更长时间。然而，在具有表现出较长停留时间的刚性化学支架的配体的情况下，与蛋白质的瞬时静电相互作用似乎促进解结合。我们的研究结果表明，理解解结合途径和沿此途径的蛋白质与配体相互作用对于预测具有确定解结合的小分子配体是至关重要的
2019-11-09 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
Statistical thermodynamics of membrane bending mediated protein-protein attraction
整合膜蛋白使周围的双分子层变形，产生影响远处蛋白质的长程力。这些力可以是吸引力或排斥力，取决于蛋白质的形状、高度、与双层的接触角以及局部膜曲率。虽然相互作用能不是成对加和的，但对于足够低的蛋白质密度，热力学性质仅取决于对相互作用。在这里，我们计算对相互作用的潜力和熵的贡献的二维渗透压的非环状蛋白质的集合。与直接的短程相互作用如范德华、疏水或静电相互作用相反，局部膜高斯曲率和蛋白质椭圆率都可以在两个蛋白质之间诱导吸引力，距离可达它们典型半径的十倍。对于平坦的膜，弯曲刚度的$\sim 30k_{B}T$，和适度的椭圆，我们发现热平均吸引力的相互作用顺序$\sim 2k_{B}T$。这些相互作用可能在蛋白质聚集的中间阶段发挥重要作用。
2000-01-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
A Finite Element framework for computation of protein normal modes and mechanical response
提出了一种基于有限元法的粗粒度计算方法，用于计算蛋白质及其超分子组装体的简正模和力学响应。受弹性网络模型的启发，蛋白质被建模为均匀的各向同性弹性固体，其体积由其排除溶剂的表面定义。离散有限元表示使用表面简化算法，便于生成任意规定的空间分辨率的模型。该程序被施加到计算正常模式的突变体的T4噬菌体溶菌酶和丝状肌动蛋白，以及后者的临界欧拉屈曲载荷时，受到轴向压缩。结果与全原子简正模分析，旋转平移块程序和实验相比毫不逊色。所提出的方法建立了一个计算框架，用于计算蛋白质的机械响应，便于将特定的原子级相互作用纳入模型，包括水电解质介导的静电效应。该程序同样适用于已知原子坐标的蛋白质，因为它是蛋白质，蛋白质复合物，和未知原子结构的超分子组装的电子密度图。
2007-04-04 q-bio.BM q-bio.QM
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
Non-specific DNA-protein interaction: Why proteins can diffuse along DNA
DNA结合蛋白的结构使其能够与DNA上的特定靶位点发生强相互作用。然而，最近的单分子实验报道，蛋白质可以在DNA上扩散。这表明蛋白质和DNA之间的相互作用在目标搜索过程中发挥作用，即使远离特定位点。目前还不清楚这些非特异性相互作用如何优化搜索过程，以及蛋白质结构如何发挥作用。每个核苷酸都带负电荷，人们可能会认为DNA-BP的正表面应该静电塌陷到DNA上。在这里，我们通过蒙特卡罗模拟和分析计算表明，在纳米范围内存在两个相反电荷的大分子之间的反直觉排斥。我们还表明，这种排斥是由于被困在界面处的离子所施加的渗透压的局部增加。对于DNA-BPs的凹形状，以及对于现实的蛋白质电荷密度，我们发现排斥力在距离DNA一定距离处将蛋白质推到自由能最小值。因此，存在一条有利的路径，蛋白质可以沿着该路径滑动而不与DNA碱基相互作用。当蛋白质遇到其靶时，渗透屏障被氢键相互作用完全抵消，从而使序列识别成为可能。
2009-02-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
ShEPhERD: Diffusing shape, electrostatics, and pharmacophores for bioisosteric drug design
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
本文提出 SE(3) 等变扩散模型 ShEPhERD，联合建模三维分子图与形状、静电势和药效团表示，实现具有目标相互作用谱的生物电子等排新分子设计。
2025-03-14 cs.LG q-bio.BM
The Role of Non-native Interactions in the Folding of Knotted Proteins
粗粒蛋白质模型的随机模拟被用来研究在蛋白质折叠的早期阶段形成结的倾向。本研究进行了比较两个同源的氨甲酰转移酶，一个天然打结的N-乙酰鸟氨酸氨甲酰转移酶（AOTCase）和非打结的鸟氨酸氨甲酰转移酶（OTCase）。此外，两组不同的成对氨基酸相互作用被认为是：一个促进专门的天然相互作用，和其他额外的包括非天然的准化学和静电相互作用。对于前一种模型，两种蛋白质都没有显示出形成结的倾向。由于额外的非天然相互作用，对于天然未打结的OTCase，打结倾向仍然可以忽略不计，而对于AOTCase，打结倾向大大增强。轨迹的分析表明，不同的纠缠的两个transcarbamylases遵循的趋势，C-末端指向远离（OTCase）或方法，并最终线程（AOTCase）的其他区域的部分折叠的蛋白质。OTCase/AOTCase对的分析阐明了天然打结的蛋白质可以在早期折叠阶段自发打结，并且非天然序列依赖性相互作用对于促进和不利于早期打结事件是重要的。
2012-03-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft q-bio.BM
Electrostatics and the Assembly of an RNA Virus
静电相互作用在单链RNA病毒的组装中起着核心作用。在盐度和酸度的生理条件下，病毒衣壳组装需要与核心蛋白带相反电荷的基因组物质的存在。在本文中，我们应用基本的聚合物物理和统计力学方法的自组装的合成病毒类药物的通用的药物分子。我们发现，（i）的平均浓度的衣壳化的聚合物材料取决于表面电荷密度，半径的衣壳，和线性电荷密度的聚合物，但既不上的盐浓度或库恩长度，（ii）的总电荷的衣壳内部是相等的，但相反的空衣壳，一种形式的电荷反转。与天然病毒不同，合成病毒预计不会处于渗透膨胀压力下。自组装只产生填充衣壳的设计条件与衣壳表面电荷超过聚合物表面吸附的脱附阈值的条件一致。我们将我们的结果与合成和天然病毒的自组装研究进行比较。
2004-10-27 q-bio.BM q-bio.SC
RNA/peptide binding driven by electrostatics -- Insight from bi-directional pulling simulations
RNA/蛋白质相互作用在控制基因表达中起着至关重要的作用。它们正在成为制药应用的重要目标。由于RNA的灵活性和静电相互作用的强度，标准的对接方法是不够的。我们在这里提出了一个计算方法，它允许研究结合的RNA分子和带电肽原子，明确的溶剂分子动力学。在我们的方法中，一个合适的估计静电相互作用被用作序参数（集体变量），然后使用双向拉动模拟加速。由于静电相互作用仅用于增强采样，因此用于计算它的近似不会影响最终精度。该方法用于表征来自HIV-1的TAR RNA与小环肽的结合。我们的模拟协议允许盲目预测的结合口袋和姿态以及结合亲和力。该方法具有通用性，可用于研究其他静电驱动的结合事件。
2013-07-21 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Spatial structure and composition of polysaccharide-protein complexes from Small Angle Neutron Scattering
我们使用小角中子散射（SANS），与一个原始的分析方法，获得的特征尺寸和内部组成的溶菌酶-果胶复合物取决于电荷密度。溶菌酶是一种球状蛋白质，果胶是一种天然阴离子半柔性多糖，甲基化度（DM）为0、43和74。对于我们的实验条件（缓冲液离子强度I = 2.5 × 10-2 mol/L和pH值在3和7之间），溶菌酶的静电电荷总是积极的（从8到17取决于pH值）。每个基本链段的果胶电荷是负的，并且可以通过DM和pH的变化从几乎为零变化到1。溶菌酶对果胶单体的重量摩尔比保持恒定。每体积的负电荷含量与每体积的正电荷含量的比率-/+在10和0.007之间变化。在局部尺度上，对于所有带电荷的果胶，由于蛋白质聚集在复合物内，相关峰出现在0.2 Ω-1处。在大规模上，复合物看起来是由具有10至50 nm的明确半径的球形小球形成的，含有数千种蛋白质。从SANS绝对截面导出的小球内的有机质的体积分数Φ为0.1左右。由于pH或DM，当果胶带更多电荷时，发生在小球内的蛋白质堆积会增强。果胶的线性电荷密度决定了具有相当分子量的果胶链的小球的大小，无论其是否由pH或DM控制。小球的半径在10 nm和50 nm之间变化。总之，该结构是由静电相互作用而不是由疏水相互作用驱动的。分子量对复合物的结构也有很大的影响，因为长链倾向于形成更大的球。这可能是DM和pH在我们的系统中不完全相等的原因之一，因为DM 0具有短质量，…
2010-05-10 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
