發(fā)布時間：2020-03-24 14:40

【摘要】：分子力場在科學(xué)研究中越來越重要,使用分子力場模擬的研究方法與傳統(tǒng)實驗相比,具有成本較低、并且可以準(zhǔn)確的觀察化學(xué)反應(yīng)每個時刻的詳細(xì)信息的優(yōu)勢。RNA不僅僅是一種生物遺傳信息的載體,它在人和動物的生理上起著很多重要的作用,而且科研工作者們在科研實驗中發(fā)現(xiàn)了越來越多其他的功能。目前RNA分子力場通常依據(jù)點電荷建立模型,這種模型的準(zhǔn)確度不夠高,預(yù)測效果較差。實際上,原子核周圍的電子云分布不是一個標(biāo)準(zhǔn)球型,而是一個復(fù)雜的幾何形狀,量子化學(xué)拓?fù)淅碚摱x了這種復(fù)雜的幾何形狀。本文描述了一種考慮了原子核周圍電子云的原子多級距和各向異性的分子力場,研究了其對RNA分子行為建立模型的適用性,選擇了包含10個核苷酸的RNA鏈(PDB代碼:2MVY)作為研究對象,該鏈含有C、H、O、N、P五種元素,15種原子相互作用類型。將RNA切割成小片段(磷酸、五碳糖、堿基、磷酸-五碳糖、五碳糖-堿基、核苷酸)然后按照盡量還原其在RNA中化學(xué)環(huán)境的原則進(jìn)行飽和,并且使用原子多級距計算原子間的靜電作用能,分析得到了15種原子相互作用類型的靜電能的最小收斂距離。同時,對原子多級距模型中原子性質(zhì)的可轉(zhuǎn)移性也進(jìn)行了研究,實驗證明該模型具有良好的可轉(zhuǎn)移性。RNA小分子片段扭轉(zhuǎn)角的研究也是優(yōu)化分子力場的重要研究方向之一。本文從2MVY中通過切割飽和(按照盡量還原其在RNA中化學(xué)環(huán)境的原則)的方法得到了16種小分子片段,并求出了各自的能量最小穩(wěn)定構(gòu)象。使用Gaussian09在HF/6-31G(d,p)、B3LYP/apc-1和MP2/cc-pVDZ三種理論水平下優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)。能量最小穩(wěn)定構(gòu)象的數(shù)量與分子的大小和靈活性有關(guān)。實驗分析了RNA的α、β、γ、δ、ε、ξ和χ七個扭轉(zhuǎn)角。使用上述前兩個理論水平計算出30個磷酸-五碳糖-磷酸的能量最小穩(wěn)定構(gòu)象的共同片段[HO-P(O_3)-CH_2-]的原子多級距,進(jìn)行比較和研究。盡管使用了不同的理論水平,能量最小穩(wěn)定構(gòu)象的結(jié)構(gòu)之間總有相似性。此外,我們研究了不同能量最小穩(wěn)定構(gòu)象之間性質(zhì)的可轉(zhuǎn)移性。原子多級距在不同能量最小穩(wěn)定構(gòu)象之間高度可轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)移誤差很小。上述工作證明了原子多級距在RNA分子力場中的可用性和重要性。但是使用積分的辦法計算原子多級距的成本較高,使用較高的理論水平時尤為明顯。使用機器學(xué)習(xí)的方法預(yù)測RNA分子的原子多級距可以極大的減少了計算的成本。本文中采用全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對原子多級距進(jìn)行預(yù)測,得到了較好的實驗效果。在改進(jìn)的實驗中,使用剔除H原子的結(jié)構(gòu)預(yù)測多級距,實驗效果得到了較大的提升,證明了H原子的位置信息的冗余性,這說明了H原子對RNA電子云分布影響較小可忽略,同時證明了研究過程中使用H原子飽和結(jié)構(gòu)的合理性。
【圖文】：

作中希望計算機程序可以學(xué)會如何從一個分按照上面的定義，經(jīng)驗集合 E 就是一個分子務(wù) T 是需要預(yù)測的分子坐標(biāo)信息集合，P 是得到的原子多級距的集合 P，性能指標(biāo)是根果 P 的接近程度。顯然，只要有足夠多的學(xué)預(yù)測出足夠好的結(jié)果。通常，在機器學(xué)習(xí)中 和對應(yīng)的 P 又稱為測試集。典的機器學(xué)習(xí)算法，全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是神經(jīng)活函數(shù)完成輸入信號前向傳播，使用反向傳網(wǎng)絡(luò)權(quán)重，它能處理復(fù)雜的非線性問題，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的示意圖，若將全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的任和 n+1 層而言，n-1 層的任意一個節(jié)點都和的每個節(jié)點在進(jìn)行計算的時候，激活函數(shù)的

本文所述的研究無關(guān)，下文中該系統(tǒng)簡稱 2MVY。2MVY 的原始結(jié)構(gòu)是通過 NMR實驗獲得的，總共有 30 個分子構(gòu)象異構(gòu)體；只有一個構(gòu)象存放在 2MVYPDB 條目中[130]。本工作的研究結(jié)果不會嚴(yán)重取決于所選擇的 2MVY 的幾何形狀，，所以從雙鏈分子結(jié)構(gòu)中隨機選擇兩條鏈中的一條(B)。圖 3-1 展示了所選擇 2MVY 的單鏈結(jié)構(gòu)，其主要特征在圖中突出顯示，總共有 9 個磷酸、10 個五碳糖和 10 個堿基(9 個核苷酸，320 個原子)。單鏈結(jié)構(gòu)中最長的核間距離是 33.2 ，為 CO 相互作用，圖中用虛線標(biāo)記。圖中標(biāo)記出了每種不同基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單元；磷酸-五碳糖-鳥嘌呤(最左側(cè))是 2MVY 的 9 個核苷酸之一。實驗中所有堿基都被質(zhì)子化，使得整個系統(tǒng)是電中性的，這種做法符合進(jìn)行量子化學(xué)計算的要求。2MVY 總共含有9 個磷酸、10 個五碳糖和 10 個堿基(組合形成 9 個核苷酸)。選取保留雙螺旋的單鏈?zhǔn)沟盟竟ぷ髟谟嬎闵弦子谔幚�。這樣的做法不僅消除了兩個主鏈之間的相互影響，而且消除了堿基和堿基之間相互作用的影響。而且保留了可以代表整個系統(tǒng)中所有元素和距離的原子-原子相互作用，因此實驗結(jié)果將適用于所有中長鏈的雙螺旋和發(fā)夾結(jié)構(gòu)的 RNA 分子。事實上對短鏈 RNA 堿基相互作用的研究十分有必要，在 DNA 上已經(jīng)做過類似的研究[62]。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O561

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 繆勝男;楊婷堯;崔文t

本文編號：2598470