[发明专利]基于混合并行方式的蛋白质热力学分析高效随机模拟方法

摘要

本发明涉及生物信息分析技术领域，提供了一种基于混合并行方式的蛋白质热力学分析高效随机模拟方法，包括步骤A确定蛋白质能量模型和能量区间；步骤B确定所述蛋白质能量区间的分段方式；步骤C模拟及计算蛋白质系统态密度。采用本发明提供的方法，可以高效地分析和研究蛋白质折叠的整个热力学过程，进而对蛋白质折叠过程进行探索和研究。

主权项

一种基于混合并行方式的蛋白质热力学分析高效随机模拟方法，其特征在于，包括：步骤A：确定蛋白质能量模型和能量区间；步骤B：确定所述蛋白质能量区间的分段方式；步骤C：模拟及计算蛋白质系统态密度；所述步骤A进一步包括：采用ECEPP蛋白质能量模型，ECEPP能量力场的表达形式为：EECEPP＝EC+ELJ+EHB+ETor其中，是两电荷之间的库伦作用力，rij表示原子i和j之间的距离；是两原子之间的兰纳‑琼斯作用力；是氢键作用力；ETor＝∑lUl(1±cos(nlξl))是两面角旋转作用力，ξl是第l个两面角；所述步骤A进一步包括：对所使用的蛋白质能量区间进行离散化处理，若取k个能量bin区间值，则对[Emin,Emax]平均划分k个bin区间，用每个bin区间中间的一个能量值代表能量区间值；所述步骤B进一步包括：步骤B1：对能量区间平均分为M段，设相邻子能量区间之间的重合度等于Δ个bin区间，则每一段含有个bin区间；步骤B2：依照当前计算得到的蛋白质系统态密度函数的对数S(E)分布特点，自适应地对能量区间分段，若某个子能量区间为[Ebegin,Eend]，则所述步骤C进一步包括：通过MPI的主从进程模式和OpenMP的多线程并行模式，模拟及计算蛋白质系统态密度；在所述主从进程模式的N个分进程中，分进程1为主进程，其余分进程均为从进程；所述主进程包括如下步骤：步骤S11：初始化蛋白质系统态密度函数的对数S(E)＝lng(E)＝0，直方图H(E)＝0，Emin≤E≤Emax，修正因子df＝In(f)，定义因子f，则修正因子df定义为f的自然对数，并初始化df＝1；步骤S12：s＝1；步骤S13：依照所确定的蛋白质能量区间的分段方式将能量区间Emin≤E≤Emax分成M段，并分配到M个分线程中，t＝1；步骤S14：在每个分线程中，对原来的构型限制在相应的子能量区间里进行随机变动，产生新的构型，计算能量Enew，根据Metropolis准则确定新构型被接受的概率，t＝t+1；所述步骤S14循环tmax次；步骤S15：所有线程间相互通信，综合得到整个区间的S(E)和H(E)，s＝s+1；所述步骤S14和S15循环smax次；步骤S16：所有进程间相互通信，主进程收集所有从进程的Stmp(E)和Htmp(E)并累加计算出全局的S(E)和H(E)，即全局的S(E)＝S(E)+所有从进程的Stmp(E)，全局的H(E)＝H(E)+所有从进程的Htmp(E)，将全局的S(E)和H(E)广播给所有从进程，判断直方图平缓条件：max(H(E))-min(H(E))max(H(E))+min(H(E))<φ,0<φ<1]]>若不满足则返回执行步骤S12继续迭代；若满足则执行步骤S17；步骤S17：改变修正因子df，再返回执行步骤S12继续迭代，直到满足进程终止条件其中求得S(E)，得到蛋白质系统相对的态密度g(E)＝eS(E)。