分子模擬與藥物設(shè)計(jì)

1、分子模擬與藥物設(shè)計(jì)分子模擬與藥物設(shè)計(jì) 研究蛋白質(zhì)與小分子藥物之間的相互作用研究蛋白質(zhì)與小分子藥物之間的相互作用 基于配體的藥物設(shè)計(jì)基于配體的藥物設(shè)計(jì)QSARwithCoMFA可以建立分子性質(zhì)(包括生物活性)與它們結(jié)構(gòu)之間相關(guān)的統(tǒng)計(jì)學(xué)與圖形化模型。這些模型可用于預(yù)測(cè)新化合物的性質(zhì)或活性。定量構(gòu)效關(guān)系（QSARs）將分子的化學(xué)性質(zhì)或生物活性與它的結(jié)構(gòu)相關(guān)以便設(shè)計(jì)出活性更好的新化合物凝血酶抑制劑的CoMSIA分子場(chǎng)等勢(shì)圖（左：立體場(chǎng)，綠色有利黃色不利；右：疏水場(chǎng)，藍(lán)色有利紅色不利） 基于配體的藥物設(shè)計(jì)基于配體的藥物設(shè)計(jì)疊合一系列分子從而共享出體現(xiàn)生物活性的公共模式，生長(zhǎng)出相應(yīng)的藥效團(tuán)假設(shè)采用先進(jìn)的遺

2、傳算法和多元化的打分函數(shù)，考慮分子能量、立體相似性和藥效位點(diǎn)重合，同時(shí)還考慮構(gòu)象的柔性，不確定的立體化學(xué)性質(zhì)，可變的環(huán)結(jié)構(gòu) 基于受體的藥物設(shè)計(jì)基于受體的藥物設(shè)計(jì)高通量虛擬篩選高通量虛擬篩選大量化合物數(shù)據(jù)庫(kù)的篩選是一項(xiàng)昂貴費(fèi)時(shí)的任務(wù)。計(jì)算高通量篩選可以增加篩選數(shù)據(jù)集中合適化合物的占有率并且能降低先導(dǎo)物發(fā)現(xiàn)的成本打分函數(shù)是一個(gè)蛋白-配體原子表面距離的非線性函數(shù)的線性組合。蛋白-配體相互作用包括立體作用、極性作用、熵和溶劑化作用。 基于受體的藥物設(shè)計(jì)基于受體的藥物設(shè)計(jì)同源模建是一個(gè)根據(jù)模板蛋白將一級(jí)序列轉(zhuǎn)成3D結(jié)構(gòu)的技術(shù)總稱，包括了threading和homology兩種人類Xa因子的晶體結(jié)構(gòu)（PD

3、BID：2BOK，橙色）與同源模建結(jié)構(gòu)（白色）的比較 分子動(dòng)力學(xué)分子動(dòng)力學(xué)主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： Gromacs簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 Gromacs原理原理 Gromacs運(yùn)算步驟運(yùn)算步驟 Gromacs結(jié)果分析結(jié)果分析Lysozyme in WaterRMSD 分子模擬是在分子模型的基礎(chǔ)上用計(jì)算機(jī)做實(shí)驗(yàn)，“計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)” 通過(guò)模擬微觀粒子的運(yùn)動(dòng)來(lái)計(jì)算宏觀性質(zhì)溫度壓力黏度傳遞性質(zhì)表面張力分子間的作用模型牛頓力學(xué)量子力學(xué)統(tǒng)計(jì)力學(xué)等 分子模擬具有理論和實(shí)驗(yàn)的雙重性質(zhì) 分子模擬不能完全取代實(shí)驗(yàn)理論實(shí)驗(yàn)?zāi)M理論的正確性模擬參數(shù)的正確性模擬方法的選擇理論的更新模擬分子在特定環(huán)境下一定時(shí)間內(nèi)的構(gòu)象能量變化趨勢(shì)；分子動(dòng)力學(xué)

4、模擬是根據(jù)分子力學(xué)性質(zhì)建立的適用于生化體系，聚合物，金屬或非金屬材料的力場(chǎng)和牛頓的運(yùn)動(dòng)力學(xué)原理發(fā)展出來(lái)的計(jì)算方法；分子力場(chǎng)(forcefield)中的各項(xiàng)參數(shù)，包括鍵長(zhǎng)，鍵角，電荷分布等都可以通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算得到；與量化計(jì)算相比，分子力學(xué)在速度方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)；最早出現(xiàn)在上世紀(jì)70年代；分子動(dòng)力學(xué)對(duì)勢(shì)能函數(shù)的依賴性：所有從分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算出來(lái)得到的宏觀性質(zhì)最終都取決于勢(shì)能模型分子動(dòng)力學(xué)的核心：牛頓運(yùn)動(dòng)方程勢(shì)能（位能）模型：( )( )U rf r=iiFtrm22i=1,2,3,NrUr例：甲烷，某些惰性氣體質(zhì)點(diǎn)處理Ur方阱模型Ur階梯模型鍵的振動(dòng)鍵角扭矩分子內(nèi)部各原子（基團(tuán)）之間的范德華力、

5、靜電力一般要計(jì)算1-4（相隔超過(guò)兩個(gè)鍵的原子或基團(tuán)對(duì)）15432qqq分子之間的范德華力分子之間的靜電力CCCHHHHHHHH 10根鍵長(zhǎng)作用 18個(gè)鍵角作用 8個(gè)扭矩作用 27個(gè)范德華力作用 27個(gè)靜電作用初始化能量?jī)?yōu)化平衡數(shù)據(jù)產(chǎn)出避免局部分子重疊，并不是動(dòng)力學(xué)模擬 根據(jù)所有分子的當(dāng)前坐標(biāo)計(jì)算個(gè)分子的受力（位能函數(shù)） 根據(jù)受力更新分子的坐標(biāo) 在此過(guò)程中收集用來(lái)計(jì)算宏觀性質(zhì)的有關(guān)信息讀入模型參數(shù)，模擬控制參數(shù) 去除某些可能存在的原子重疊 去除某些嚴(yán)重扭曲的鍵長(zhǎng)、鍵角、扭矩等 方法最速下降法牛頓拉夫森方法其他一般優(yōu)化幾千到幾萬(wàn)步簡(jiǎn)單小型體系大型（復(fù)雜）體系和并行計(jì)算 氣體的模擬 小分子體系，不需

6、要復(fù)雜的勢(shì)能模型 幾百到幾千個(gè)分子，分子分布稀疏，大部分是短程作用 一般用一臺(tái)微機(jī)就可以處理，計(jì)算時(shí)間幾分鐘幾小時(shí) 簡(jiǎn)單的液體，不涉及太多的界面性質(zhì) 小分子體系，勢(shì)能模型不是很復(fù)雜 幾百個(gè)分子，可能涉及到靜電作用，可能需要長(zhǎng)程校正 用微機(jī)也可以處理，計(jì)算時(shí)間一般幾小時(shí)幾天 必要性 體系越來(lái)越大 模擬時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng) 解決辦法 制造更快的處理器 并行計(jì)算機(jī) 例子：50000原子的生物體系，1ns模擬 單個(gè)處理器：12天 16個(gè)并行處理器：1天或者 MessagePassingInterface 90年代初制定和完善的一套并行語(yǔ)法 支持Fortran,C,C+ 簡(jiǎn)單易學(xué)NAMDAMBERCHARMMT

7、INKERLAMMPSDL-POLYGROMACS 主要針對(duì)生物體系，也適當(dāng)照顧一般化學(xué)體系 優(yōu)點(diǎn) 算法好，計(jì)算效率高 界面友好 維護(hù)服務(wù)好 免費(fèi)軟件 缺點(diǎn) 兼容性不好/nSelect the Force Field: From /usr/local/gromacs/share/gromacs/top:n 1: AMBER03 force field (Duan et al., J. Comp. Chem. 24, 1999-2012, 2003)n 2: AMBER94 force field (Cornell et al., JACS 117, 5

8、179-5197, 1995)n 3: AMBER96 force field (Kollman et al., Acc. Chem. Res. 29, 461-469, 1996) n4: AMBER99 force field (Wang et al., J. Comp. Chem. 21, 1049-1074, 2000)n 5: AMBER99SB force field (Hornak et al., Proteins 65, 712-725, 2006)n 6: AMBER99SB-ILDN force field (Lindorff-Larsen et al., Proteins

9、 78, 1950-58, 2010) n 7: AMBERGS force field (Garcia & Sanbonmatsu, PNAS 99, 2782-2787, 2002)n 8: CHARMM27 all-atom force field (with CMAP) - version 2.0 n 9: GROMOS96 43a1 force fieldn10: GROMOS96 43a2 force field (improved alkane dihedrals) n11: GROMOS96 45a3 force field (Schuler JCC 2001 22 1

10、205) n12: GROMOS96 53a5 force field (JCC 2004 vol 25 pag 1656)n13: GROMOS96 53a6 force field (JCC 2004 vol 25 pag 1656) n14: OPLS-AA/L all-atom force field (2001 aminoacid dihedrals)n15: DEPRECATED Encad all-atom force field, using full solvent chargesn16: DEPRECATED Encad all-atom force field, usin

11、g scaled-down vacuum chargesn17: DEPRECATED Gromacs force field (see manual) n18: DEPRECATED Gromacs force field with hydrogens for NMR pdb2gmx-f1AKI.pdb-o1AKI_processed.gro-waterspce-f蛋白質(zhì)名稱-o坐標(biāo)water水分子類型Step One: Prepare the Topology#include“oplsaa.ff/forcefield.itp“立場(chǎng)文件;Namenrexcl包含的分子名稱Protein_A3

12、atoms每個(gè)原子的坐標(biāo)、電荷、質(zhì)量、類型信息;nrtyperesnrresidueatomcgnrchargemasstypeBchargeBmassB;residue1LYSrtpLYSHq+2.01opls_2871LYSN1-0.314.0067;qtot-0.32opls_2901LYSH110.331.008;qtot0.033opls_2901LYSH210.331.008;qtot0.364opls_2901LYSH310.331.008;qtot0.695opls_293B1LYSCA10.2512.011;qtot0.94Step Two: Examine the Topo

13、logyStep Three: Defining the Unit Cell & Adding Solvent1. Define the box dimensions using editconf.2. Fill the box with water using genbox.editconf -f 1AKI_processed.gro -o 1AKI_newbox.gro -c -d 1.0 -bt cubic-c 居中 d 盒子邊緣離質(zhì)心的距離 bt 盒子類型genbox -cp 1AKI_newbox.gro -cs spc216.gro -o 1AKI_solv.gro -p

14、topol.top-cs 水分子類型Step Four: Adding Ionsgrompp -f ions.mdp -c 1AKI_solv.gro -p topol.top -o ions.tpr-f 輸入mdp文件 o生成tpr文件mdp 即molecule dynamics parameter文件，起控制動(dòng)力學(xué)模擬過(guò)程的作用genion -s ions.tpr -o 1AKI_solv_ions.gro -p topol.top -pname NA -nname CL -nn 8-pname 陽(yáng)離子類型 nname 陰離子類型 nn 離子數(shù)目Step Five: Energy Mini

15、mizationgrompp -f minim.mdp -c 1AKI_solv_ions.gro -p topol.top -o em.tprmdrun -v -deffnm em-v 輸出每步的運(yùn)算信息 deffnm 定義輸出文件的名稱em.log: EM過(guò)程的記錄文件em.edr: 二進(jìn)制能量文件em.trr: 二進(jìn)制軌跡文件em.gro: 能量最小化后的結(jié)構(gòu)Step Five: Energy Minimization能量分析：g_energy -f em.edr -o potential.xvgStep Six: Equilibration目的：1.使蛋白質(zhì)分子周?chē)娜軇┖碗x子達(dá)到平衡

16、狀態(tài),防止整個(gè)體系坍塌；2.先等溫使得溶劑分子達(dá)到既定的模擬溫度；3.再等壓使得整個(gè)體系的密度達(dá)到均衡一致；grompp -f nvt.mdp -c em.gro -p topol.top -o nvt.tpr（等溫恒容過(guò)程）mdrun -deffnm nvtg_energy -f nvt.edrStep Six: Equilibrationgrompp -f npt.mdp -c nvt.gro -t nvt.cpt -p topol.top -o npt.tpr（等溫恒壓過(guò)程）mdrun -deffnm nptg_energy -f npt.edr -o pressure.xvg（分析壓力

17、）g_energy -f npt.edr -o density.xvg（分析密度）Step Eight: Production MDgrompp -f md.mdp -c npt.gro -t npt.cpt -p topol.top -o md_0_1.tpr mdrun -deffnm md_0_1mdrun -deffnm md_0_1mpirun -np X mdrun_mpi -deffnm md_0_1（并行）Step Nine: Analysistrjconv -s md_0_1.tpr -f md_0_1.xtc -o md_0_1_noPBC.xtc -pbc mol -ur

18、 compact-pbc周期性邊界條件 -xtc文件壓縮后的坐標(biāo)文件g_rms -s md_0_1.tpr -f md_0_1_noPBC.xtc -o rmsd.xvg -tu ns-tu 時(shí)間單位nsg_rms -s em.tpr -f md_0_1_noPBC.xtc -o rmsd_xtal.xvg -tu ns與結(jié)晶結(jié)構(gòu)相比整個(gè)體系的RMSD值g_gyrate -s md_0_1.tpr -f md_0_1_noPBC.xtc -o gyrate.xvg回轉(zhuǎn)半徑計(jì)算，代表整個(gè)蛋白質(zhì)體系的緊致程度，評(píng)價(jià)體系是否穩(wěn)定的指標(biāo)。Step Nine: AnalysisStep Nine: An

19、alysisngmx f md.trr (or md.xtc) s md.tpr（GROMACS自帶圖形分析查看模塊）Step Nine: Analysismake_ndx f xxx.pdb o xxx.ndx（體系分組）g_confrms f1 1OMB.pdb f2 md.gro o fit.pdb（疊合結(jié)構(gòu)并輸出RMSD值）g_rmsf -f xxx.xtc s xxx.tpr b e o xxx.xvg ox xxx.pdb（均方根波動(dòng)）-b開(kāi)始時(shí)間 e結(jié)束時(shí)間 ox 輸出開(kāi)始時(shí)間到結(jié)束時(shí)間的平均PDB結(jié)構(gòu)g_hbond f xxx.xtc s xxx.tpr num xxx.xvg輸出氫鍵的數(shù)目 r0.35nm 角度小于30trjconv f xxx.xtc s xxx.tpr o xxx.pdb dump xxx在特定的時(shí)間點(diǎn)輸出該時(shí)間點(diǎn)的pdb結(jié)構(gòu)文件 Ste