Page 89 - 化学分析与检测技术
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第三章 材料模拟技术的应用
程序。1968 年 Warshel 使用 CFF 程序计算了有机小分子的结构、热力学和光谱
性质。1969 年 Levitt 首次采用 CFF 程序对蛋白体系进行了能量优化。
1969 年秋，哈佛大学 Karplus 利用学术休假来到 Lifson 实验室进行短期
访问，认识了 Warshel。随后 Warshel 来到 Karplus 实验室进行博士后研究，将
CFF 程序也带了过去。1971 年 Karplus 的研究生 BruceGelin 开始编写专门针对
蛋白质计算的分子力学程序代码，其间 CFF 程序起了重要的参考作用。之后
AndyMcCammon 加入 Karplus 实验室，并应用这个新写的程序于 1977 年发表了
第一篇蛋白质分子动力学模拟论文。尽管这项研究工作只是在真空条件下进行了
9.2ps 的模拟，采用的势函数也比较简单，但该研究改变了人们对蛋白质结构的
认识，将计算化学与生物学联系了起来。后来该程序经过多人的进一步发展，成
为了著名的大分子模拟程序 CHARMM。在此基础上，PeterKollman 等组织开发
了应用于生物大分子的AMBER程序，vanGunsteren等组织开发了GROMOS程序。
这是三个主流的生物大分子动力学模拟程序，之后其分子力场得到不断完善，目
前已能模拟包括蛋白、核酸以及有机小分子等在内的复杂的相互作用体系。许多
新的模拟程序也进一步派生出来，比如 GROMACS、NAMD、Desmond 等。
尽管如此，上述研究中量子力学和分子力学是分别应用的。真正将量子力
学和分子力学结合起来进行多尺度模拟发生在 1970 年 Warshel 来到 Karplus 实验
室之后。Karplus 师从 Pauling，具有深厚的量子化学背景，其课题组当时正在发
展计算机程序，希望借助量子力学理论来模拟化学反应，尤其是视黄醛的发光
机理；而 Warshel 刚师从 Lifson 获得博士学位，熟练掌握了分子力学知识。他们
合作开发了一个新的计算机程序，该程序使用量子力学处理分子中游离的 π 电
子，同时采用分子力学处理其他所有的电子和原子核应用该程序，他们计算了一
个类似视黄醛的简单分子，得到了很好的结果，发表于 1972 年。这是首次尝试
将 QM 和 MM 结合起来，具有独创性，但是该程序只能处理镜像对称小分子。
当 1972 年 Warshel 回到以色列，Levitt 正好从英国剑桥大学获得了博士学位，也
来到以色列进行博士后训练，他们两人重新相聚。Warshel 从学生时代起就对酶
如何起作用很好奇，因此他们一起对上述方法进行了改进，中间花了好几年时间
来克服各种障碍，最终取得成功，并应用于模拟溶菌酶的化学反应。该工作发表
于 1976 年，这是第一次将 QM ／ MM 方法应用于生物大分子体系。从此开始，
分子体系大小不再成为化学反应模拟的问题。
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