蛋白质间分子动力学模拟及数据分析课件

1、蛋白质间分子动力学模拟及数据分析,1,学习交流PPT,蛋白质的结构和对接,在进行模拟之前，我们首先要获得的是蛋白的结合配体后的复合物结构，蛋白和配体复合物如果已经被测出来那是最好不过的了，但是如果没有，就需要我们用软件将蛋白质与其配体进行对接。蛋白质间的对接常用的软件有Zdock，GRAMM，Hex 等， 以上的三种软件都有本地版和在线版，简单的直接用在线版，提交两个蛋白的结构之后，网站进行计算后将结果发给我们。还有一种极端情况是我们所研究的蛋白质的结构没有被测出来，只有该蛋白的氨基酸序列。在这种情况下，在对接前我们可以将该蛋白的氨基酸序列提交给I-TASSER onlie（也分为本地版和在线

2、版）来预测出该蛋白的结构。,2,学习交流PPT,1、模拟所需要的软件 NAMD，Ambertools，VMD。 NAMD为执行模拟的软件； Ambertools提供所需力场和进行结合能等的计算； VMD为成像和分析软件，将模拟轨迹进行图像呈现 2、模拟所需要文件 对接的复合物结果（pbd格式）,模拟软件及文件,3,学习交流PPT,准备工作,4,学习交流PPT,一、特殊氨基酸处理 原理: 半胱氨酸(Cys)有两种存在形态,有的是两个半胱氨酸通过二硫键相连,有的则是自由 的,两种半胱氨酸在力场文件中是用不同的 unit 来表示的,这相当于是两个完全不同的氨基酸,需要手动更改蛋白质文件中半胱氨酸的名

3、字。组氨酸(His)有若干种质子态,和半胱氨酸一样,也需要查阅文献确定它的质子态,并更改残基名称 步骤： （1）对于Cys,通过查阅文献确定其形态,桥连的要用 CYX,自由的用 CYS （2）对于His,把原始pdb文件或做了相关突变的准原始pdb文件提交到PDB2PQR web server, 在生成的文件里查找各个HIS的pKa值,根据pKa值与pH的大小关系决定质子化状态。即,pHpKa, 去质子化,改为HID或HIE;pHpKa,质子化,改为HIP。,5,学习交流PPT,二、去除蛋白质中的H和其他杂成分 原理: Ambertools 自带的 leap 程序是处理蛋白质文件的,他可以读入

4、PDB格式的蛋白质文件,根据已有的力场模板为蛋白质赋予键参数和静电参数。PDB 格式的文件有时会带有氢原子和孤对电子的信息,但是在这种格式下氢原子和孤对电子的命名不是标准命名,力场模板无法识别这种不标准的命名,因此需要将两者的信息删除。除了删除氢和孤对电子,还应该把文件中的结晶水、乙酸等分子删除,这些分子的信息常常集中在文件的尾部,可以直接删除。处理过之后的蛋白质文件,只包括各氨基酸残基和小分子配体的重原子信息,模拟需要的氢原子和水分子将在 leap中添加。 步骤: 输入如下命令: grep -v .H complex.pdb complex_NoH.pdb #删除H,6,学习交流PPT,三、

5、生成模拟需要的拓扑文件和坐标文件 原理: 用 NAMD进行分子动力学模拟需要坐标和拓扑文件,坐标文件记录了各个质点所座落的坐标,拓扑文件记录了整个体系各质点之间的链接状况、力参数电荷等信息。这两个文件是由Ambertools中的leap 程序生成的。 步骤： 按以下过程在终端中输入: tleap source leaprc.ff12SB #amber力场的所有氨基酸参数都存储在 库文件里,所以打开 leap 第一件事便是调入库文件. loadAmberparams frcmod.ionsjc_tip3p #载入tip3p水模型中的力场 list #可以用 list 命令看看库里都有什么,罗列的

6、就是库里面的 unit,包 括 20 种氨基酸、糖以及核酸还有一些常见离子的参数 comp=loadpdb complex_NoH.pdb #载入复合物pdb文件 solvatebox comp TIP3PBOX 10.0 #加入waterbox,TIP3PBOX 是选择的水模板名 称,10.0 是水箱子的半径 addions comp Na+ 0 (或是Cl-)#平衡电荷 saveamberparm comp complex_water.prmtop complex_water.inpcrd #生成最终的拓扑文件和坐标文件 quit ambpdb -p complex_water.prmto

7、p final.pdb #final为自己命名,将拓扑文件和坐标文件联合生成一个pdb文件,可以用看图软件打开确定水盒子的坐标,7,学习交流PPT,开始模拟,8,学习交流PPT,一、确定水盒子坐标 打开vmd,载入final.pdb文件,在Extensions 里的Tk/Tcl中依次输入: set everyone atomselect top all measure minmax $everyone #修改NAMD配置文件中的cellBasisVector measure center $everyone #修改NAMD配置文件中的cellOrigin 二、确定所需文件是否完全 所需文件包括

8、：complex_water.prmtop,complex_water.inpcrd,run.conf #run.conf为NAMD的配置文件，本次模拟设置的参数全部在里面。 三、运行NAMD 在终端下输入： charmrun namd2 +p 12 complex.conf run.log & #12为运行的进程数 tail run.log,9,学习交流PPT,数据分析,前面的所有工作只是开始，最重要的是数据的分析处理 重要的方法后面会给出用到这种方法的参考论文,10,学习交流PPT,RMSD,RMSD可以用于确定复合物在模拟过程中的稳定性。分子动力学模拟过程中，各个分子都处于动态的运动过程

9、，因此整个系统处于不停的变化当中。模拟过程的初始阶段，各个原子之间的距离还没有找到一个平衡点，因此整个系统将处于运动比较剧烈的的状态。然后随着模拟的进行，原子间的相互作用将达到平衡状态。因此RMSD将趋近于平缓。如图，每条曲线都代表一种蛋白或一种蛋白复合物的RMSD变化。此外，如果一个蛋白在结合配体过程中会发生剧烈的结构变化，其RMSD也会有所体现。VMD有计算RMSD的工具,11,学习交流PPT,RMSF,RMSF是计算单个氨基酸在模拟过程中的运动变化。有些蛋白在结合配体的过程中会发生很明显的结构变化，甚至于“开合”运动，通过RMSF的计算，我们可以找到蛋白质上这些运动剧烈的氨基酸。VMD有

10、计算RMSF的工具。 论文参考：北京工业大学博士学位论文蛋白质与配体相互作用机理的分子模拟研究第四章 by 刘明 吉林大学博士学位论文几种重要蛋白分子的分子动力学模拟研究第四章 by 徐钰,12,学习交流PPT,结合能的相关计算,结合能可以用于确定受体和配体是否能够结合，还可以用来比较受体和不同配体结合能力的不同。对于结合能的计算我们用的是Ambertools里面的MMPBSA.py 原理和更详细过程参见： 步骤： (1) 生成mdcrd文件 在终端中输入以下命令： cptraj complex_water.prmtop trajin complex.dcd trajout complex.m

11、dcrd go （2）生成无水的prmtop 在终端中输入以下一条命令： ante-MMPBSA.py -p complex_water.prmtop -c complex.prmtop -r receptor.prmtop -l ligand.prmtop -s :WAT,Na+,Cl- -m :1-85 #1-85为受体的氨基酸编号范围,13,学习交流PPT,（3）计算焓（结合自由能） 在终端下运行下面一条命令： MMPBSA.py -O -i mmpbsa.in -o FINAL_RESULTS_MMPBSA.dat -sp complex_water.prmtop -cp comple

12、x.prmtop -rp receptor.prmtop -lp ligand.prmtop -y *.mdcrd& (4)计算熵 在终端下运行下面一条命令： MMPBSA.py -O -i mmpbsa.in -o FINAL_RESULTS_MMPBSA.dat -sp complex_water.prmtop -cp complex.prmtop -rp receptor.prmtop -lp ligand.prmtop -y *.mdcrd& #焓和熵的运行命令是一样的，两者的区别在于配置文件mmpbsa.in里的内容不同 （5）结合能的最终结果 结合能=焓的结果-熵的结果 论文参考：

13、Computational Studies and PeptidomimeticHuman p53MDM2 Complexby Haizhen Zhong and Heather A. Carlson,14,学习交流PPT,自由能分解和丙氨酸扫描,自由能分解通过计算单个氨基酸对总的结合自由能的贡献来确定氨基酸的重要性；而甘氨酸扫描则是将对单个氨基酸突变成丙氨酸，然后计算突变前后总结合自由能的变化来确定氨基酸的重要性。 自由能分解和丙氨酸扫描的具体步骤与自由能的计算类似： 论文参考：HIV蛋白酶与抑制剂的结合自由能计算by 段莉莉，张庆刚 Molecular Mechanism of the A

14、ffinity Interactions between Protein A and Human Immunoglobulin G1 Revealed by Molecular Simulations by Bo Huang, Fu-Feng Liu, Xiao-Yan Dong, and Yan Sun,15,学习交流PPT,Secondary structure,通过对二级结构的分析，能够研究模拟过程中单个氨基酸的二级结构变化。VMD分析中的Timeline可做 论文参考：Transient stability of the helical pattern of region F19L22

15、 of the N-terminal domain of p53: A molecular dynamics simulation study by L.Michel Espinoza-Fonseca, Jose G. Trujillo-Ferrara,16,学习交流PPT,Distance,计算两个原子/残基间的距离在模拟过程中的变化情况。可用于研究底物与酶的解离，蛋白的开合运动等 论文参考：Homology modelling of human DHCR24 (seladin-1) and analysis of its binding properties through molecular docking and dynamics sim