2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——分子科學與工程的分子生物模擬技術(shù)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列哪一項不屬于分子生物模擬技術(shù)的主要范疇？A.分子動力學模擬B.X射線晶體學結(jié)構(gòu)解析C.蒙特卡洛模擬D.粗?；Ｐ蜆?gòu)建2.在分子動力學模擬中，確定原子間相互作用力的核心勢能函數(shù)通常被稱為？A.隨機游走函數(shù)B.路徑積分方法C.勢能面D.隨機矩陣3.對于需要模擬生物大分子在長時間尺度上的行為（如蛋白質(zhì)折疊），以下哪種策略最常用？A.直接延長短時程模擬的時長B.采用增強采樣技術(shù)（如溫度分子動力學、壓力分子動力學）C.忽略溶劑效應進行氣相模擬D.僅使用蒙特卡洛方法進行模擬4.在計算蛋白質(zhì)與配體結(jié)合能時，如果希望得到更接近實驗的親和力，通常需要使用哪種方法進行能量校正？A.均值場理論B.吉布斯自由能微擾（MM/GBSA或MM/PBSA）C.密度泛函理論（DFT）D.蒙特卡洛抽樣5.下列哪種軟件包主要用于量子化學計算，常用于研究化學反應機理和分子電子結(jié)構(gòu)？A.GROMACSB.NAMDC.Schr?dingersuiteD.HMMER6.核酸雙螺旋結(jié)構(gòu)中的堿基堆積力主要來源于？A.堿基與骨架的共價鍵B.堿基之間的范德華力和氫鍵C.水分子與骨架的氫鍵D.鹽橋作用7.膜蛋白模擬相較于水溶性蛋白模擬，主要面臨的挑戰(zhàn)是？A.蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)更加簡單B.計算成本顯著增加且需要更復雜的膜模型C.模擬時間尺度更容易達到D.對溫度變化的敏感性降低8.下列關(guān)于分子模擬結(jié)果驗證的說法中，錯誤的是？A.模擬得到的結(jié)構(gòu)可以與實驗結(jié)構(gòu)（如X射線）進行比較B.模擬計算的相互作用能可以與實驗測定的結(jié)合能進行比較C.模擬得到的軌跡需要通過動力學參數(shù)（如均方根偏差RMSD）進行自洽性驗證D.模擬結(jié)果是否正確完全取決于其與實驗數(shù)據(jù)的吻合程度9.代謝網(wǎng)絡(luò)模擬在生物工程中的主要應用包括？A.預測蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)B.指導藥物靶點的發(fā)現(xiàn)C.優(yōu)化細胞工廠的生產(chǎn)工藝D.解析單個氨基酸的理化性質(zhì)10.人工智能技術(shù)（如深度學習）在分子生物模擬領(lǐng)域的一個重要應用是？A.完全替代傳統(tǒng)的分子動力學模擬B.自動構(gòu)建復雜的分子模型C.加速分子性質(zhì)的計算預測（如結(jié)合能、構(gòu)象）D.獨立設(shè)計全新的模擬算法二、填空題（每空1分，共15分）1.分子模擬的基石是建立在______力學和熱力學原理之上的。2.在分子動力學模擬中，通過不斷求解牛頓運動方程來追蹤體系中所有原子的______。3.蒙特卡洛方法主要通過______抽樣來探索構(gòu)象空間。4.用于描述蛋白質(zhì)側(cè)鏈旋轉(zhuǎn)自由度的常用方法是______。5.模擬溶劑化效應的常用方法有______和連續(xù)介質(zhì)模型。6.評估分子動力學模擬軌跡穩(wěn)定性的一個重要指標是______。7.在藥物設(shè)計中，基于對接的模擬主要用于預測______和______。8.膜模擬中，常用的膜模型包括______和______。9.分子模擬結(jié)果的可視化對于理解______至關(guān)重要。10.限制分子生物模擬應用的一個主要瓶頸是______。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述分子動力學模擬與蒙特卡洛模擬在基本原理和模擬對象上的主要區(qū)別。2.粗?；Ｐ驮诜肿由锬M中有何優(yōu)勢？適用于哪些場景？3.為什么在模擬生物大分子時，考慮溶劑效應至關(guān)重要？簡述幾種處理溶劑效應的方法及其特點。4.簡述分子對接技術(shù)的基本流程及其在藥物發(fā)現(xiàn)中的應用價值。四、論述題（每題10分，共30分）1.論述選擇合適的分子模擬方法（如MD、MC、QM等）進行特定生物體系研究時需要考慮的關(guān)鍵因素。2.結(jié)合具體實例，論述分子生物模擬技術(shù)如何幫助我們理解蛋白質(zhì)折疊與變性的過程。3.分析當前分子生物模擬技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)，并探討可能的解決方案或發(fā)展方向。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.B4.B5.C6.B7.B8.D9.C10.C二、填空題1.經(jīng)典2.位置和速度（或軌跡）3.系統(tǒng)態(tài)4.拉馬克力場（或Rotor模型）5.水盒法（或溶解法）6.均方根偏差（RMSD）（或其他等效指標如RMSF）7.結(jié)合模式，結(jié)合位點半徑8.聲頓模型（或膜片模型）9.模擬過程與結(jié)果10.計算成本（或計算資源）三、簡答題1.答：分子動力學（MD）基于經(jīng)典力學求解牛頓運動方程，通過力場描述粒子間相互作用，模擬體系隨時間的演化，得到原子層面的詳細軌跡和熱力學性質(zhì)，適用于模擬相對較短的時間和長度尺度。蒙特卡洛（MC）則基于統(tǒng)計力學原理，通過隨機抽樣探索構(gòu)象空間，直接計算平衡態(tài)概率分布或配分函數(shù)，不涉及時間演化，更適用于模擬長時尺度過程或能量景觀分析，常用于構(gòu)象搜索、相變研究等。2.答：粗粒化模型的優(yōu)勢在于簡化了分子細節(jié)，大大降低了計算成本，使得原本無法模擬的更大體系（如長鏈聚合物、整個細胞）或更長的時間尺度模擬成為可能。它通過將多個原子合并成一個“超級原子”或“珠子”，忽略了不重要的細節(jié)振動，抓住了系統(tǒng)主要的構(gòu)象變化和相互作用。適用于研究分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、長程相互作用、或當原子細節(jié)對目標性質(zhì)影響不大時的場景。3.答：生物大分子通常在水中行使功能，其結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、與配體的相互作用都深受溶劑（水）影響。忽略溶劑效應會得到與實驗不符甚至完全錯誤的結(jié)果。處理溶劑效應的方法主要有：水盒法/溶解法，將待研究分子放入一個模擬的溶劑環(huán)境（水盒子）中，計算量較大；連續(xù)介質(zhì)模型（如PCM），用一個連續(xù)的介電場來代表溶劑，計算量相對較小，但精度可能較低。4.答：分子對接的基本流程包括：準備配體和受體結(jié)構(gòu)（清理、添加氫、電荷）；選擇并設(shè)置對接算法和參數(shù)；運行對接程序，生成配體在受體結(jié)合位點周圍的對接構(gòu)象庫；評估對接結(jié)果，通常使用結(jié)合能或其他評分函數(shù)，篩選出最可能的結(jié)合模式。在藥物發(fā)現(xiàn)中，對接可用于：預測配體與靶點蛋白的結(jié)合模式、結(jié)合位點和結(jié)合親和力，指導虛擬篩選，發(fā)現(xiàn)新的潛在藥物分子。四、論述題1.答：選擇合適的分子模擬方法需考慮：①研究目標與尺度，是研究動態(tài)過程（需MD）、構(gòu)象分布（需MC）還是能量計算（需QM或QM/MM）？體系的大小和模擬時間尺度要求？②體系性質(zhì)，要模擬的性質(zhì)是否對特定方法敏感？是否需要考慮電子效應（需QM）？③計算資源與成本，不同方法的計算量差異巨大，需與可用資源匹配。④方法成熟度與適用性，所選方法對于所研究體系是否已證明有效？⑤軟件可用性。例如，研究蛋白質(zhì)折疊需MD，關(guān)注結(jié)合能需MM/GBSA，研究反應機理需QM/MM。2.答：MD模擬可以追蹤蛋白質(zhì)原子級別的運動，揭示其結(jié)構(gòu)變化過程。通過模擬，可以觀察到蛋白質(zhì)從無序狀態(tài)逐漸形成有序結(jié)構(gòu)的折疊路徑，識別關(guān)鍵的中間態(tài)和構(gòu)象陷阱。變性與相反過程，MD也能模擬蛋白質(zhì)在特定條件（如加熱、加入變性劑）下結(jié)構(gòu)松散、失去功能的過程。結(jié)合分析工具（如RMSF、氫鍵網(wǎng)絡(luò)分析），可以深入理解不同結(jié)構(gòu)元件（如α螺旋、β折疊）的動態(tài)行為及其在折疊/變性中的角色，例如，觀察疏水核心的聚集、鹽橋的形成與破壞、側(cè)鏈的重新定位等，從而揭示折疊/變性的分子機制。3.答：主要挑戰(zhàn)包括：①計算成本高昂，特別是對于大體系、長時尺度模擬，需要巨大的計算資源。②力場參數(shù)化不完善，現(xiàn)有的力場難以完美描述所有原子類型和相互作用，尤其對于非標準殘基、溶劑-蛋白質(zhì)/膜相互作用等。③長時尺度動力學瓶頸，經(jīng)典MD難以模擬跨越微秒到秒量級的生物過程，需要發(fā)展增強采樣技術(shù)。④多尺度模擬難題，如何有效連接不同時間/空間尺度的描述（如原子尺度與連續(xù)介質(zhì)尺度）。⑤模擬結(jié)果驗證困難，尤其是對于預測性研究，缺乏可靠