【《面向多糖化合物的分子对接算法设计》3100字】

面向多糖化合物的分子对接算法设计目录TOC\o"1-3"\h\u24796面向多糖化合物的分子对接算法设计 117641.1.基于多糖化合物分子空间结构提出的改进方向 1146891.2.新增分子对接技术中的能量参数 2124461.3.基于柔性分子对接技术提出的改进方法 4270041.4.评分函数中添加CHI能量函数 5基于多糖化合物分子空间结构提出的改进方向多糖是由多个单糖分子失水、缩合而成，是一类分子结构复杂且庞大的糖类物质。结构单位之间以苷键相连接，常见的苷键有α-1，β-1，4-和α-1，6-苷键。结构单位可以连成直链，也可以形成支链，直链一般以α-1，4-苷键（如淀粉）和β-1，4-苷键（如纤维素）连成；支链中链与链的连接点常是α-1，6-苷键。图21糖苷键由于连接单糖的两个或三个可旋转的糖苷键具有一定的灵活性，其连接角度受到了由碳水化合物特定的立体电子和溶剂决定的一个定义良好的构象子集−溶质相互作用，从而在现实生活中仅存在固定角度的糖苷键。而分子对接技术目的在于预测大分子和配体之间的各种非共价相互作用模式，并根据结合能或分数对结果进行排序，在对接中使用的能量函数是各种非共价键相互作用（即静电、范德华、氢键和疏水相互作用）的总和。而这种能量函数仅考虑到非共价键相互作用，导致对接结果出现不正常的糖苷角，使得对接结果出现不自然的结构扭曲。基于目前对接技术出现的结构扭曲问题，需要参考多糖化合物自身的空间结构特性进行调整，由于对接过程中难以实时控制对接模型的三维结构，因此需要选择可以量化的数值对模型进行修正，建立一个约束范围，超离这一范围值的构象视作没有现实参考性，直接抛弃这部分构象，从而降低筛选过程中的压力。依据糖苷键翻转过程中释放能量的特点，选择以能量作为参考值，对模型进行修正。新增分子对接技术中的能量参数本文实验通过AutoDockVina开展，调用Vina环境下的分子对接技术，参照MoalIH，ChaleilR等人提出的使用SwarmDock柔性蛋白质-蛋白质对接方法对接蛋白质的实用指南，其中概述了在决定对接是否可能成功时需要考虑的因素、结构输入的准备、对接姿势的生成、对接姿势的分析和排序，以及使用外部数据验证模型的方式[13]。由于适用于广泛配体的对接算法无法结合配体特定的构象能量，因此造成了实际对接结果中出现糖苷角扭曲问题。选择以能量作为切入点，通过引入外部数据实现惩罚机制，以此减少不合理的对接构象。根据低聚糖的糖苷扭转角值量化低聚糖的构象特性，已开发了一组碳水化合物固有（CHI）能量函数，CHI能量函数预测的相对能量反映了蛋白质数据库中单糖-蛋白质复合物调查确定的糖苷键构象分布[14]。图22实验证实CHI能量函数预测的相对能量反映碳水化合物的糖苷扭转角分布根据已有的低聚糖结构，CHI能量函数可用于估算糖苷键相对于其最低能量构象的任何扭曲所产生的能量。通过实验证明，大多数识别低聚糖的蛋白质选择低能的糖苷键构象，这说明偏向低能连锁构象的选择应该是提高正确姿势预测的可能性[15]。由于蛋白质往往依靠疏水相互作用驱使折叠成能量最低的状态，因而构建低能构象成为筛选对接构象的重要参考因素。以CHI能量函数作为基础，引入两个可调参数，即影响CHI能量惩罚大小的CHI能量权重项（CHI_系数）和否定低于指定值的CHI能量惩罚的CHI截止项（CHI_截止）[16]，通过这两个参数的约束来保证生成的构象能量不会超过一定范围值。CHI能量权重项通过加强糖苷键能量在能量函数中的权重系数，增强分子对接中对于糖苷键能量偏好的比重，CHI系数对超出CHI能量曲线局部极小值的扭转施加了更高的惩罚，从而减少了对接期间非理想低聚糖构象的产生，提高在对接过程中生产出符合现实糖苷键能量需求的对接结果的概率。在对接过程中，低聚糖可能会因诱导拟合而发生构象变化，结构出现稳定的情况，从而导致糖苷键偏离理想的低能值[17]。使用接近势能最小值（由CHI_截止项定义）的平底CHI势能，可以在没有内能惩罚的情况下进行诱导拟合。设置CHI截止项作为最低阀值，能量高于此值会出现构象不稳定的情况，则所得对接结果需要被舍弃。图23引入CHI能量系数后糖苷角的原始VC曲线基于柔性分子对接技术提出的改进方法分子对接方法根据不同的简化程度大致可以分为三类：1.刚性对接：研究体系的构象不发生变化，仅改变分子的空间位置与姿态；2.半柔性对接：允许在一定范围内变化，但通常会固定大分子的构象，小分子构象的调整也可能受到一定程度的限制；3.柔性对接：允许研究体系的构象自由变化。柔性分子对接技术常应用于精确研究分子之间的识别情况，由于允许对接体系的构象变化，变量随着体系的原子数呈几何级数增长，可以提高对接准确性但计算量非常大[18]。柔性分子对接技术在对接过程中采用基于分子力学和分子动力学的分子对接方法，保证研究体系的构象可以自由变化，能够以各种对接角度进行自由对接。现有的应用于多糖化合物的分子对接技术广泛采用柔性对接方法，而在实际对接结果中，打分函数评分较高的对接结果往往并不具有实际可行性。其原因在于多糖化合物对接时不同的对接角度会产生不同的空间结构，造成因界面分子间的相互作用而产生的界面结构的变化，也没有对刚性对接的结构进行界面的构象搜索，评分函数常常忽视其不正确的结合能和姿势而给出错误的评分排序[19]。计算机虚拟模拟时采用了全部的对接角度，而实际多糖化合物之间的糖苷角有固定的角度限制和能量约束，这些条件在现有的对接技术中并未列入参考项，导致对接结果产生不正常的糖苷角。柔性对接技术中通过随机组合产生大量的对接构象，而后通过评分函数对这些构象进行打分，根据打分情况判断构象的可行性程度。随机产生的对接构象中很多不符合现实多糖化合物的结构特点，但是柔性对接技术中现有的评分函数并不能有效判断结构是否合理，因此，需要根据多糖化合物的界面结构特性来修正柔性对接技术，提升能量约束条件在评分机制中的重要性，实现通过能量约束限制空间结构的目的。评分函数中添加CHI能量函数本文实验通过AutoDockVina开展，使用vina环境下的已有的评分函数，并进行修正。利用AutoDockVina会自动计算栅格地图，并以对用户透明的方式对结果进行聚类的功能特点[20]，对比化展示修正前后的评分结果。AutodockVina的打分接近于机器学习的形式，打分函数中含有两个高斯函数项，一个线性相关的疏水作用项，一个线性相关的氢键项，一个罚分项，最后将代表分子柔性的旋转键数目分布到前面5项中。在运算过程中没有用LJ势计算范德华力，没有静电相互作用[21]。图24有代表性的分子对接方法及其评价函数小分子自动对接程序的性能在概念上分为对接能力、评分能力、排名能力和筛选能力，分别侧重于对接程序的晶体位姿预测、亲和力预测、配体排名和数据库筛选能力。基准测试表明，不同的对接程序可以在单个基准测试中脱颖而出，这表明程序使用的评分函数可以针对特定任务进行优化[22]。姿势生成误差通常被量化为对接软件生成的姿势几何形状与所考虑蛋白质共结晶的同一分子几何形状之间的差异，要调整这种误差，可以采用重新对接的姿势（而不是共同结晶的姿势）校准评分函数。通过这种方式，可以直接了解Vina生成的蛋白质配体姿势与其结合亲和力之间的关系，使得测试集的性能更接近于预测绑定亲和力的性能[23]。图25不同糖苷角对应的能量不同糖类分子内部糖苷键旋转时会产生能量，CHI能量函数将相对能量分配给糖苷键的扭转角，CHI能量分布与蛋白质中糖苷扭转角的分布一致。参考聚糖中连接单糖的多个糖苷键的实际糖苷角，根据其定义良好的构象子集-溶质相互作用特点，将对应的能量函数作为评价指标之一。先前关于碳水化合物对接的研究已经通过重新校准现有术语或包含模拟蛋白质特定特征的附加功能生成了定制的评分功能−碳水化合物相互作用。参考包