蛋白質(zhì)間分子動(dòng)力學(xué)模擬及數(shù)據(jù)分析課件

蛋白質(zhì)間分子動(dòng)力學(xué)模擬及數(shù)據(jù)分析1可編輯課件PPT蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和對(duì)接 在進(jìn)行模擬之前，我們首先要獲得的是蛋白的結(jié)合配體后的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，蛋白和配體復(fù)合物如果已經(jīng)被測(cè)出來(lái)那是最好不過(guò)的了，但是如果沒(méi)有，就需要我們用軟件將蛋白質(zhì)與其配體進(jìn)行對(duì)接。蛋白質(zhì)間的對(duì)接常用的軟件有Zdock，GRAMM，Hex等， 以上的三種軟件都有本地版和在線(xiàn)版，簡(jiǎn)單的直接用在線(xiàn)版，提交兩個(gè)蛋白的結(jié)構(gòu)之后，網(wǎng)站進(jìn)行計(jì)算后將結(jié)果發(fā)給我們。還有一種極端情況是我們所研究的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)沒(méi)有被測(cè)出來(lái)，只有該蛋白的氨基酸序列。在這種情況下，在對(duì)接前我們可以將該蛋白的氨基酸序列提交給I-TASSERonlie（也分為本地版和在線(xiàn)版）來(lái)預(yù)測(cè)出該蛋白的結(jié)構(gòu)。2可編輯課件PPT1、模擬所需要的軟件 NAMD，Ambertools，VMD。 NAMD為執(zhí)行模擬的軟件； Ambertools提供所需力場(chǎng)和進(jìn)行結(jié)合能等的計(jì)算； VMD為成像和分析軟件，將模擬軌跡進(jìn)行圖像呈現(xiàn)2、模擬所需要文件 對(duì)接的復(fù)合物結(jié)果（pbd格式）模擬軟件及文件3可編輯課件PPT準(zhǔn)備工作4可編輯課件PPT一、特殊氨基酸處理原理: 半胱氨酸(Cys)有兩種存在形態(tài),有的是兩個(gè)半胱氨酸通過(guò)二硫鍵相連,有的則是自由的,兩種半胱氨酸在力場(chǎng)文件中是用不同的unit來(lái)表示的,這相當(dāng)于是兩個(gè)完全不同的氨基酸,需要手動(dòng)更改蛋白質(zhì)文件中半胱氨酸的名字。組氨酸(His)有若干種質(zhì)子態(tài),和半胱氨酸一樣,也需要查閱文獻(xiàn)確定它的質(zhì)子態(tài),并更改殘基名稱(chēng)步驟： （1）對(duì)于Cys,通過(guò)查閱文獻(xiàn)確定其形態(tài),橋連的要用CYX,自由的用CYS （2）對(duì)于His,把原始pdb文件或做了相關(guān)突變的準(zhǔn)原始pdb文件提交到PDB2PQRwebserver,在生成的文件里查找各個(gè)HIS的pKa值,根據(jù)pKa值與pH的大小關(guān)系決定質(zhì)子化狀態(tài)。即,pH>pKa,去質(zhì)子化,改為HID或HIE;pH<pKa,質(zhì)子化,改為HIP。5可編輯課件PPT二、去除蛋白質(zhì)中的H和其他雜成分原理: Ambertools自帶的leap程序是處理蛋白質(zhì)文件的,他可以讀入PDB格式的蛋白質(zhì)文件,根據(jù)已有的力場(chǎng)模板為蛋白質(zhì)賦予鍵參數(shù)和靜電參數(shù)。PDB格式的文件有時(shí)會(huì)帶有氫原子和孤對(duì)電子的信息,但是在這種格式下氫原子和孤對(duì)電子的命名不是標(biāo)準(zhǔn)命名,力場(chǎng)模板無(wú)法識(shí)別這種不標(biāo)準(zhǔn)的命名,因此需要將兩者的信息刪除。除了刪除氫和孤對(duì)電子,還應(yīng)該把文件中的結(jié)晶水、乙酸等分子刪除,這些分子的信息常常集中在文件的尾部,可以直接刪除。處理過(guò)之后的蛋白質(zhì)文件,只包括各氨基酸殘基和小分子配體的重原子信息,模擬需要的氫原子和水分子將在leap中添加。步驟:輸入如下命令:grep-v'^.............H'complex.pdb>complex_NoH.pdb#刪除H6可編輯課件PPT三、生成模擬需要的拓?fù)湮募妥鴺?biāo)文件原理: 用NAMD進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬需要坐標(biāo)和拓?fù)湮募?坐標(biāo)文件記錄了各個(gè)質(zhì)點(diǎn)所座落的坐標(biāo),拓?fù)湮募涗浟苏麄€(gè)體系各質(zhì)點(diǎn)之間的鏈接狀況、力參數(shù)電荷等信息。這兩個(gè)文件是由Ambertools中的leap程序生成的。步驟：按以下過(guò)程在終端中輸入:tleap>sourceleaprc.ff12SB#amber力場(chǎng)的所有氨基酸參數(shù)都存儲(chǔ)在庫(kù)文件里,所以打開(kāi)leap第一件事便是調(diào)入庫(kù)文件.>loadAmberparamsfrcmod.ionsjc_tip3p#載入tip3p水模型中的力場(chǎng)>list#可以用list命令看看庫(kù)里都有什么,羅列的就是庫(kù)里面的unit,包括20種氨基酸、糖以及核酸還有一些常見(jiàn)離子的參數(shù)>comp=loadpdbcomplex_NoH.pdb#載入復(fù)合物pdb文件>solvateboxcompTIP3PBOX10.0#加入waterbox,TIP3PBOX是選擇的水模板名稱(chēng),10.0是水箱子的半徑>addionscompNa+0(或是Cl-)#平衡電荷>saveamberparmcompcomplex_water.prmtopcomplex_water.inpcrd#生成最終的拓?fù)湮募妥鴺?biāo)文件>quitambpdb-pcomplex_water.prmtop<complex_water.inpcrd>final.pdb#final為自己命名,將拓?fù)湮募妥鴺?biāo)文件聯(lián)合生成一個(gè)pdb文件,可以用看圖軟件打開(kāi)確定水盒子的坐標(biāo)7可編輯課件PPT開(kāi)始模擬8可編輯課件PPT一、確定水盒子坐標(biāo) 打開(kāi)vmd,載入final.pdb文件,在Extensions里的Tk/Tcl中依次輸入:

seteveryone[atomselecttopall]

measureminmax$everyone#修改NAMD配置文件中的cellBasisVector

measurecenter$everyone#修改NAMD配置文件中的cellOrigin二、確定所需文件是否完全 所需文件包括：complex_water.prmtop,complex_water.inpcrd,run.conf #run.conf為NAMD的配置文件，本次模擬設(shè)置的參數(shù)全部在里面。三、運(yùn)行NAMD 在終端下輸入：

charmrunnamd2+p12complex.conf>run.log& #12為運(yùn)行的進(jìn)程數(shù)tailrun.log

9可編輯課件PPT數(shù)據(jù)分析前面的所有工作只是開(kāi)始，最重要的是數(shù)據(jù)的分析處理重要的方法后面會(huì)給出用到這種方法的參考論文10可編輯課件PPT

RMSD

RMSD可以用于確定復(fù)合物在模擬過(guò)程中的穩(wěn)定性。分子動(dòng)力學(xué)模擬過(guò)程中，各個(gè)分子都處于動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，因此整個(gè)系統(tǒng)處于不停的變化當(dāng)中。模擬過(guò)程的初始階段，各個(gè)原子之間的距離還沒(méi)有找到一個(gè)平衡點(diǎn)，因此整個(gè)系統(tǒng)將處于運(yùn)動(dòng)比較劇烈的的狀態(tài)。然后隨著模擬的進(jìn)行，原子間的相互作用將達(dá)到平衡狀態(tài)。因此RMSD將趨近于平緩。如圖，每條曲線(xiàn)都代表一種蛋白或一種蛋白復(fù)合物的RMSD變化。此外，如果一個(gè)蛋白在結(jié)合配體過(guò)程中會(huì)發(fā)生劇烈的結(jié)構(gòu)變化，其RMSD也會(huì)有所體現(xiàn)。VMD有計(jì)算RMSD的工具11可編輯課件PPTRMSF RMSF是計(jì)算單個(gè)氨基酸在模擬過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)變化。有些蛋白在結(jié)合配體的過(guò)程中會(huì)發(fā)生很明顯的結(jié)構(gòu)變化，甚至于“開(kāi)合”運(yùn)動(dòng)，通過(guò)RMSF的計(jì)算，我們可以找到蛋白質(zhì)上這些運(yùn)動(dòng)劇烈的氨基酸。VMD有計(jì)算RMSF的工具。

論文參考：北京工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文《蛋白質(zhì)與配體相互作用機(jī)理的分子模擬研究》第四章by劉明吉林大學(xué)博士學(xué)位論文《幾種重要蛋白分子的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究》第四章by徐鈺12可編輯課件PPT結(jié)合能的相關(guān)計(jì)算 結(jié)合能可以用于確定受體和配體是否能夠結(jié)合，還可以用來(lái)比較受體和不同配體結(jié)合能力的不同。對(duì)于結(jié)合能的計(jì)算我們用的是Ambertools里面的MMPBSA.py 原理和更詳細(xì)過(guò)程參見(jiàn)：/tutorials/advanced/tutorial3/py_script/ 步驟： (1)生成mdcrd文件 在終端中輸入以下命令：

cptrajcomplex_water.prmtop >trajincomplex.dcd >trajoutcomplex.mdcrd >go （2）生成無(wú)水的prmtop 在終端中輸入以下一條命令：

ante-MMPBSA.py-pcomplex_water.prmtop-ccomplex.prmtop-r receptor.prmtop-lligand.prmtop-s':WAT,Na+,Cl-'-m':1-85' #1-85為受體的氨基酸編號(hào)范圍13可編輯課件PPT （3）計(jì)算焓（結(jié)合自由能） 在終端下運(yùn)行下面一條命令：

MMPBSA.py-O-immpbsa.in-oFINAL_RESULTS_MMPBSA.dat-spcomplex_water.prmtop-cpcomplex.prmtop-rpreceptor.prmtop-lpligand.prmtop-y*.mdcrd& (4)計(jì)算熵 在終端下運(yùn)行下面一條命令：

MMPBSA.py-O-immpbsa.in-oFINAL_RESULTS_MMPBSA.dat-spcomplex_water.prmtop-cpcomplex.prmtop-rpreceptor.prmtop-lpligand.prmtop-y*.mdcrd& #焓和熵的運(yùn)行命令是一樣的，兩者的區(qū)別在于配置文件mmpbsa.in里的內(nèi)容不同

（5）結(jié)合能的最終結(jié)果 結(jié)合能=焓的結(jié)果-熵的結(jié)果 論文參考：《ComputationalStudiesandPeptidomimeticHumanp53–MDM2Complex》byHaizhenZhongandHeatherA.Carlson

14可編輯課件PPT自由能分解和丙氨酸掃描 自由能分解通過(guò)計(jì)算單個(gè)氨基酸對(duì)總的結(jié)合自由能的貢獻(xiàn)來(lái)確定氨基酸的重要性；而甘氨酸掃描則是將對(duì)單個(gè)氨基酸突變成丙氨酸，然后計(jì)算突變前后總結(jié)合自由能的變化來(lái)確定氨基酸的重要性。 自由能分解和丙氨酸掃描的具體步驟與自由能的計(jì)算類(lèi)似：/tutorials/advanced/tutorial3/py_script/

論文參考：《HIV蛋白酶與抑制劑的結(jié)合自由能計(jì)算》by段莉莉，張慶剛《MolecularMechanismoftheAffinityInteractionsbetweenProteinAandHumanImmunoglobulinG1RevealedbyMolecularSimulations》byBoHuang,Fu-FengLiu,Xiao-YanDong,andYanSun

15可編輯課件PPTSecondarystructure 通過(guò)對(duì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的分析，能夠研究模擬過(guò)程中單個(gè)氨基酸的二級(jí)結(jié)構(gòu)變化。VMD分析中的Timeline可做 論文參考：《TransientstabilityofthehelicalpatternofregionF19–L22oftheN-terminaldomainofp53:Amoleculardynamicssimulationstudy》byL.MichelEspinoza-Fonseca,Jose?G.Trujillo-Ferrara

16可編輯課件PPTDistance 計(jì)算兩個(gè)原子/殘基間的距離在模擬過(guò)程中的變化情況?？捎糜谘芯康孜锱c酶的解離，蛋白的開(kāi)合運(yùn)動(dòng)等 論文參考：《HomologymodellingofhumanDHCR24(seladin-1)andanalysisofitsbindingpropertiesthroughmoleculardockinganddynamicssimulations》byAlessandroPedretti,ElisabettaBocci,Roberto