蛋白質間分子動力學模擬及數據分析蛋白質間分子動力學模擬及數據分析蛋白質的結構和對接

在進行模擬之前，我們首先要獲得的是蛋白的結合配體后的復合物結構，蛋白和配體復合物如果已經被測出來那是最好不過的了，但是如果沒有，就需要我們用軟件將蛋白質與其配體進行對接。蛋白質間的對接常用的軟件有Zdock，GRAMM，Hex等， 以上的三種軟件都有本地版和在線版，簡單的直接用在線版，提交兩個蛋白的結構之后，網站進行計算后將結果發(fā)給我們。還有一種極端情況是我們所研究的蛋白質的結構沒有被測出來，只有該蛋白的氨基酸序列。在這種情況下，在對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版）來預測出該蛋白的結構。蛋白質的結構和對接 在進行模擬之前，我們首先要獲得的是蛋白的1、模擬所需要的軟件

NAMD，Ambertools，VMD。

NAMD為執(zhí)行模擬的軟件；

Ambertools提供所需力場和進行結合能等的計算；

VMD為成像和分析軟件，將模擬軌跡進行圖像呈現2、模擬所需要文件 對接的復合物結果（pbd格式）模擬軟件及文件1、模擬所需要的軟件模擬軟件及文件準備工作準備工作一、特殊氨基酸處理原理:

半胱氨酸(Cys)有兩種存在形態(tài),有的是兩個半胱氨酸通過二硫鍵相連,有的則是自由的,兩種半胱氨酸在力場文件中是用不同的unit來表示的,這相當于是兩個完全不同的氨基酸,需要手動更改蛋白質文件中半胱氨酸的名字。組氨酸(His)有若干種質子態(tài),和半胱氨酸一樣,也需要查閱文獻確定它的質子態(tài),并更改殘基名稱步驟： （1）對于Cys,通過查閱文獻確定其形態(tài),橋連的要用CYX,自由的用CYS

（2）對于His,把原始pdb文件或做了相關突變的準原始pdb文件提交到PDB2PQRwebserver,在生成的文件里查找各個HIS的pKa值,根據pKa值與pH的大小關系決定質子化狀態(tài)。即,pH>pKa,去質子化,改為HID或HIE;pH<pKa,質子化,改為HIP。一、特殊氨基酸處理二、去除蛋白質中的H和其他雜成分原理: Ambertools自帶的leap程序是處理蛋白質文件的,他可以讀入PDB格式的蛋白質文件,根據已有的力場模板為蛋白質賦予鍵參數和靜電參數。PDB格式的文件有時會帶有氫原子和孤對電子的信息,但是在這種格式下氫原子和孤對電子的命名不是標準命名,力場模板無法識別這種不標準的命名,因此需要將兩者的信息刪除。除了刪除氫和孤對電子,還應該把文件中的結晶水、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。處理過之后的蛋白質文件,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H二、去除蛋白質中的H和其他雜成分三、生成模擬需要的拓撲文件和坐標文件原理:

用NAMD進行分子動力學模擬需要坐標和拓撲文件,坐標文件記錄了各個質點所座落的坐標,拓撲文件記錄了整個體系各質點之間的鏈接狀況、力參數電荷等信息。這兩個文件是由Ambertools中的leap程序生成的。步驟：按以下過程在終端中輸入:tleap>sourceleaprc.ff12SB#amber力場的所有氨基酸參數都存儲在庫文件里,所以打開leap第一件事便是調入庫文件.>loadAmberparamsfrcmod.ionsjc_tip3p#載入tip3p水模型中的力場>list#可以用list命令看看庫里都有什么,羅列的就是庫里面的unit,包括20種氨基酸、糖以及核酸還有一些常見離子的參數>comp=loadpdbcomplex_NoH.pdb#載入復合物pdb文件>solvateboxcompTIP3PBOX10.0#加入waterbox,TIP3PBOX是選擇的水模板名稱,10.0是水箱子的半徑>addionscompNa+0(或是Cl-)#平衡電荷>saveamberparmcompcomplex_water.prmtopcomplex_water.inpcrd#生成最終的拓撲文件和坐標文件>quitambpdb-pcomplex_water.prmtop<complex_water.inpcrd>final.pdb#final為自己命名,將拓撲文件和坐標文件聯(lián)合生成一個pdb文件,可以用看圖軟件打開確定水盒子的坐標三、生成模擬需要的拓撲文件和坐標文件開始模擬開始模擬一、確定水盒子坐標 打開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，本次模擬設置的參數全部在里面。三、運行NAMD

在終端下輸入：

charmrunnamd2+p12complex.conf>run.log& #12為運行的進程數tailrun.log

一、確定水盒子坐標數據分析前面的所有工作只是開始，最重要的是數據的分析處理重要的方法后面會給出用到這種方法的參考論文數據分析前面的所有工作只是開始，最重要的是數據的分析處理

RMSD

RMSD可以用于確定復合物在模擬過程中的穩(wěn)定性。分子動力學模擬過程中，各個分子都處于動態(tài)的運動過程，因此整個系統(tǒng)處于不停的變化當中。模擬過程的初始階段，各個原子之間的距離還沒有找到一個平衡點，因此整個系統(tǒng)將處于運動比較劇烈的的狀態(tài)。然后隨著模擬的進行，原子間的相互作用將達到平衡狀態(tài)。因此RMSD將趨近于平緩。如圖，每條曲線都代表一種蛋白或一種蛋白復合物的RMSD變化。此外，如果一個蛋白在結合配體過程中會發(fā)生劇烈的結構變化，其RMSD也會有所體現。VMD有計算RMSD的工具

RMSD

RMSD可以用于確定復合物在模擬過程中的穩(wěn)定性RMSF RMSF是計算單個氨基酸在模擬過程中的運動變化。有些蛋白在結合配體的過程中會發(fā)生很明顯的結構變化，甚至于“開合”運動，通過RMSF的計算，我們可以找到蛋白質上這些運動劇烈的氨基酸。VMD有計算RMSF的工具。

論文參考：北京工業(yè)大學博士學位論文《蛋白質與配體相互作用機理的分子模擬研究》第四章by劉明吉林大學博士學位論文《幾種重要蛋白分子的分子動力學模擬研究》第四章by徐鈺RMSF RMSF是計算單個氨基酸在模擬過程中的運動變化。有結合能的相關計算

結合能可以用于確定受體和配體是否能夠結合，還可以用來比較受體和不同配體結合能力的不同。對于結合能的計算我們用的是Ambertools里面的MMPBSA.py

原理和更詳細過程參見：/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范圍結合能的相關計算 結合能可以用于確定受體和配體是否能夠結合，

（3）計算焓（結合自由能） 在終端下運行下面一條命令：

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

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

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

（3）計算焓（結合自由能）自由能分解和丙氨酸掃描

自由能分解通過計算單個氨基酸對總的結合自由能的貢獻來確定氨基酸的重要性；而甘氨酸掃描則是將對單個氨基酸突變成丙氨酸，然后計算突變前后總結合自由能的變化來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算類似：/tutorials/advanced/tutorial3/py_script/

論文參考：《HIV蛋白酶與抑制劑的結合自由能計算》by段莉莉，張慶剛

《MolecularMechanismoftheAffinityInteractionsbetweenProteinAandHumanImmunoglobulinG1RevealedbyMolecularSimulations》byBoHuang,Fu-FengLiu,Xiao-YanDong,andYanSun

自由能分解和丙氨酸掃描 自由能分解通過計算單個氨基酸對總的結Secondarystructure

通過對二級結構的分析，能夠研究模擬過程中單個氨基酸的二級結構變化。VMD分析中的Timeline可做 論文參考：《TransientstabilityofthehelicalpatternofregionF19–L22oftheN-terminaldomainofp53:Amoleculardynamicssimulationstudy》byL.MichelEspinoza-Fonseca,Jose?G.Trujillo-Ferrara

Secondarystructure 通過對二級結構的分Distance

計算兩個原子/殘基間的距離在模擬過程中的變化情況?？捎糜谘芯康孜锱c酶的解離，蛋白的開合運動等 論文參考：《HomologymodellingofhumanDHCR24(seladin-1)andanalysisofitsbindingpropertiesthroughmoleculardockinganddynamicssimulations》byAlessandroPedretti,ElisabettaBocci,RobertoMaggi,GiulioVistoli

吉林大學博士學位論文《幾種重要蛋白分子的分子動力學模擬研究》第四章by徐鈺Distance 計算兩個原子/殘基間的距離在模擬過程中的變LigPlus LigPlus是將蛋白質的立體結構變?yōu)槠矫娼Y構并顯示出配體與受體間有相互作用的殘基的軟件。

論文參考：吉林大學博士學位論文《幾種重要蛋白分子的分子動力學模擬研究》第三章by徐鈺LigPlus LigPlus是將蛋白質的立體結構變?yōu)槠矫娼Y知識回顧KnowledgeReview祝您成功！知識回顧KnowledgeReview祝您成功！

蛋白質間分子動力學模擬及數據分析蛋白質間分子動力學模擬及數據分析蛋白質的結構和對接

在進行模擬之前，我們首先要獲得的是蛋白的結合配體后的復合物結構，蛋白和配體復合物如果已經被測出來那是最好不過的了，但是如果沒有，就需要我們用軟件將蛋白質與其配體進行對接。蛋白質間的對接常用的軟件有Zdock，GRAMM，Hex等， 以上的三種軟件都有本地版和在線版，簡單的直接用在線版，提交兩個蛋白的結構之后，網站進行計算后將結果發(fā)給我們。還有一種極端情況是我們所研究的蛋白質的結構沒有被測出來，只有該蛋白的氨基酸序列。在這種情況下，在對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版）來預測出該蛋白的結構。蛋白質的結構和對接 在進行模擬之前，我們首先要獲得的是蛋白的1、模擬所需要的軟件

NAMD，Ambertools，VMD。

NAMD為執(zhí)行模擬的軟件；

Ambertools提供所需力場和進行結合能等的計算；

VMD為成像和分析軟件，將模擬軌跡進行圖像呈現2、模擬所需要文件 對接的復合物結果（pbd格式）模擬軟件及文件1、模擬所需要的軟件模擬軟件及文件準備工作準備工作一、特殊氨基酸處理原理:

半胱氨酸(Cys)有兩種存在形態(tài),有的是兩個半胱氨酸通過二硫鍵相連,有的則是自由的,兩種半胱氨酸在力場文件中是用不同的unit來表示的,這相當于是兩個完全不同的氨基酸,需要手動更改蛋白質文件中半胱氨酸的名字。組氨酸(His)有若干種質子態(tài),和半胱氨酸一樣,也需要查閱文獻確定它的質子態(tài),并更改殘基名稱步驟： （1）對于Cys,通過查閱文獻確定其形態(tài),橋連的要用CYX,自由的用CYS

（2）對于His,把原始pdb文件或做了相關突變的準原始pdb文件提交到PDB2PQRwebserver,在生成的文件里查找各個HIS的pKa值,根據pKa值與pH的大小關系決定質子化狀態(tài)。即,pH>pKa,去質子化,改為HID或HIE;pH<pKa,質子化,改為HIP。一、特殊氨基酸處理二、去除蛋白質中的H和其他雜成分原理: Ambertools自帶的leap程序是處理蛋白質文件的,他可以讀入PDB格式的蛋白質文件,根據已有的力場模板為蛋白質賦予鍵參數和靜電參數。PDB格式的文件有時會帶有氫原子和孤對電子的信息,但是在這種格式下氫原子和孤對電子的命名不是標準命名,力場模板無法識別這種不標準的命名,因此需要將兩者的信息刪除。除了刪除氫和孤對電子,還應該把文件中的結晶水、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。處理過之后的蛋白質文件,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H二、去除蛋白質中的H和其他雜成分三、生成模擬需要的拓撲文件和坐標文件原理:

用NAMD進行分子動力學模擬需要坐標和拓撲文件,坐標文件記錄了各個質點所座落的坐標,拓撲文件記錄了整個體系各質點之間的鏈接狀況、力參數電荷等信息。這兩個文件是由Ambertools中的leap程序生成的。步驟：按以下過程在終端中輸入:tleap>sourceleaprc.ff12SB#amber力場的所有氨基酸參數都存儲在庫文件里,所以打開leap第一件事便是調入庫文件.>loadAmberparamsfrcmod.ionsjc_tip3p#載入tip3p水模型中的力場>list#可以用list命令看看庫里都有什么,羅列的就是庫里面的unit,包括20種氨基酸、糖以及核酸還有一些常見離子的參數>comp=loadpdbcomplex_NoH.pdb#載入復合物pdb文件>solvateboxcompTIP3PBOX10.0#加入waterbox,TIP3PBOX是選擇的水模板名稱,10.0是水箱子的半徑>addionscompNa+0(或是Cl-)#平衡電荷>saveamberparmcompcomplex_water.prmtopcomplex_water.inpcrd#生成最終的拓撲文件和坐標文件>quitambpdb-pcomplex_water.prmtop<complex_water.inpcrd>final.pdb#final為自己命名,將拓撲文件和坐標文件聯(lián)合生成一個pdb文件,可以用看圖軟件打開確定水盒子的坐標三、生成模擬需要的拓撲文件和坐標文件開始模擬開始模擬一、確定水盒子坐標 打開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，本次模擬設置的參數全部在里面。三、運行NAMD

在終端下輸入：

charmrunnamd2+p12complex.conf>run.log& #12為運行的進程數tailrun.log

一、確定水盒子坐標數據分析前面的所有工作只是開始，最重要的是數據的分析處理重要的方法后面會給出用到這種方法的參考論文數據分析前面的所有工作只是開始，最重要的是數據的分析處理

RMSD

RMSD可以用于確定復合物在模擬過程中的穩(wěn)定性。分子動力學模擬過程中，各個分子都處于動態(tài)的運動過程，因此整個系統(tǒng)處于不停的變化當中。模擬過程的初始階段，各個原子之間的距離還沒有找到一個平衡點，因此整個系統(tǒng)將處于運動比較劇烈的的狀態(tài)。然后隨著模擬的進行，原子間的相互作用將達到平衡狀態(tài)。因此RMSD將趨近于平緩。如圖，每條曲線都代表一種蛋白或一種蛋白復合物的RMSD變化。此外，如果一個蛋白在結合配體過程中會發(fā)生劇烈的結構變化，其RMSD也會有所體現。VMD有計算RMSD的工具

RMSD

RMSD可以用于確定復合物在模擬過程中的穩(wěn)定性RMSF RMSF是計算單個氨基酸在模擬過程中的運動變化。有些蛋白在結合配體的過程中會發(fā)生很明顯的結構變化，甚至于“開合”運動，通過RMSF的計算，我們可以找到蛋白質上這些運動劇烈的氨基酸。VMD有計算RMSF的工具。

論文參考：北京工業(yè)大學博士學位論文《蛋白質與配體相互作用機理的分子模擬研究》第四章by劉明吉林大學博士學位論文《幾種重要蛋白分子的分子動力學模擬研究》第四章by徐鈺RMSF RMSF是計算單個氨基酸在模擬過程中的運動變化。有結合能的相關計算

結合能可以用于確定受體和配體是否能夠結合，還可以用來比較受體和不同配體結合能力的不同。對于結合能的計算我們用的是Ambertools里面的MMPBSA.py

原理和更詳細過程參見：/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范圍結合能的相關計算 結合能可以用于確定受體和配體是否能夠結合，

（3）計算焓（結合自由能） 在終端下運行下面一條命令：

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

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

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

（3）計算焓（結合自由能）自由能分解和丙氨酸掃描

自由能分解通過計算單個氨基酸對總的結合自由能的貢獻來確定氨基酸的重要性；而甘氨酸掃描則是將對單個氨基酸突變成丙氨酸，然后計算突變前后總結合自由能的變化來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算類似：/tutorials/advanced/tutorial3/py_script/

論文參考：《HIV蛋白酶與抑制劑的結合自由能計算》by段莉莉，張