量子化學方法對生物體系的研究以及蛋白質折疊.pdf

1、由于蛋白質體系非常大，一般含有幾千個原子以上，關于生物大分子的研究方法一般采用建立在原子-原子成對相互作用勢基礎上的經(jīng)典力場方法。目前常用的分子力學方法有:AMBER，CHARMM，OPLS，GROMOS等等，分子力學方法將復雜的作用勢用鍵伸縮勢能，鍵角彎曲勢能，二面角扭轉勢能，庫侖靜電勢能和范德華作用勢的模型來描述，其中的各項參數(shù)是根據(jù)量子力學或者實驗數(shù)據(jù)擬合而來的。由于分子力場簡易性，它可以直接和快速的計算分子之間的相互作用，已成功

2、的應用于各類分子體系的研究。但是，這些力場方法存在重大的缺陷，由于生物分子一般處于溶液環(huán)境，在水溶液中極化的效應是非常顯著的。在分子力學計算中將電子運動忽略，將系統(tǒng)的能量視為原子核位置的函數(shù)，自然不能處理有很強電子效應的體系，比如不能描述鍵的斷裂和形成，重要的是它一般不包括極化的影響。
　　只有量子化學理論能夠克服傳統(tǒng)分子力場的缺陷。然而由于計算條件的限制，處理像蛋白質這樣的生物大分子，直接運用量子化學方法是不可能的。為了把量子化

3、學方法運用到蛋白質或其他的生物大分子中，在過去的幾十年里發(fā)展了多種線性標度的量子化學方法，主要有分而治之方法(D&C)，調整密度矩陣近似方法(ADMA)，分塊的分子軌道方法(FMO)，以及本文使用的分子碎片共軛帽方法(MFCC)。
　　MFCC方法是一套基于電子結構局域性的分子切割方法。這個方法是把蛋白質體系分為以氨基酸為基礎的片段，然后在斷開的地方接上適當?shù)男》肿踊鶊F，即共軛帽。引入帽子滿足如下條件:第一是保持原來切開前共價鍵的

4、性質，第二是能夠模仿被切掉的原來片段的電子結構的性質。這樣對大分子的計算拆分成若干對分子片段的計算，通過簡單的加減法還原大分子的性質。MFCC方法是完全線性標度的，可以用量子化學從頭算來計算各個片段的物理量，整個蛋白質的物理量由各個片段的物理量組合而得到。MFCC方法計算量與系統(tǒng)的大小嚴格的成正比，其數(shù)值計算可以很容易地并行化，大大提高計算效率。現(xiàn)已成功地應用于蛋白質電荷密度、蛋白質能量、配體在蛋白質靶點的位置優(yōu)化、蛋白質和藥物的相互作

5、用以及導體模型的蛋白質溶劑化和藥物設計等的計算。
　　本論文工作分為六大部分:第一部分用MFCC方法研究了HIV-1蛋白酶與橋梁水分子(W301)之間的相互作用能；第二部分用MFCC和導體極化連續(xù)模型(MFCC-CPCM)方法研究了W301水分子對HIV-1蛋白酶與配體復合體自由能的貢獻；第三部分將 MFCC和泊松-波爾茲曼溶劑化模型(PB Model)結合起來，擬合蛋白質的原子電荷(Polarized protein-speci

6、fic charge--PPC)，使每一個原子都處于真實的環(huán)境中。通過對六個蛋白系統(tǒng)的研究證明了用該方法進行分子動力學模擬比用傳統(tǒng)的AMBER分子力場模擬蛋白質的結構更加穩(wěn)定；第四部分:極化的蛋白質專一性電荷(PPC)穩(wěn)定模擬中蛋白質天然態(tài)結構；第五部分:用副本交換分子動力學(REMD)方法研究色氨酸籠(Trp-cage)蛋白折疊。第六部分:實時擬合 PPC加速蛋白質折疊。本論文的主要研究內容和結果如下:
　　一、MFCC方法研究

7、HIV-1蛋白酶與水分子的相互作用能
　　我們用MFCC方法將 HIV-1蛋白酶在肽鍵位置切開，在每一個切斷點插入一對共軛帽(CH3CO-CH3NH-)得到了198個加了帽子的氨基酸片段和196個共軛帽分子。分別用HF，B3LYP和MP2方法在6-31+G*基組下進行計算，我們的結果顯示:(1)W301和B鏈中50號異亮氨酸形成的氫鍵強于和A鏈中50號異亮氨酸形成的氫鍵。(2)W301也和A鏈中的25號去質子化的天冬氨酸有相互作用

8、，此相互作用是長程的偶極離子間的相互作用，然而 W301和B鏈中的25號質子化的天冬氨酸沒有如此的相互作用。(3)W301與藥物(ABT-538)形成的氫鍵強于和50號異亮氨酸形成的氫鍵。(4)W301與 HIV-1蛋白酶中A鏈和B鏈形成的相互作用能是非常接近的。
　　二、MFCC-CPCM方法研究了W301水分子對HIV-1蛋白酶與配體復合體自由能的貢獻
　　我們用分子碎片共軛帽(MFCC)和導體極化連續(xù)介質模型(CPCM

9、)結合起來研究蛋白質溶劑化能。在本文中，MFCC-CPCM方法研究了W301水分子對HIV-1蛋白酶和ABT-538復合體自由能的貢獻。MFCC方法用來計算氣象中水分子和HIV-1蛋白酶的相互作用能，MFCC-CPCM方法用來計算靜電相的溶劑化能，非靜電相溶劑化能通過用表面積方法(SA)來計算，并且熵變通過正則模態(tài)分析(Normal mode analysis)獲得。與傳統(tǒng)的MM-PBSA方法相比，我們方法顯式的包含了極化作用并且我們的

10、結果和先前用熱力學積分方法計算的自由能符合的很好，證明了301水分子在HIV-1蛋白酶和藥物的作用中起了非常重要的作用。
　　三、極化的蛋白質專一性電荷(PPC)穩(wěn)定模擬中的蛋白質內部氫鍵
　　由于在傳統(tǒng)的分子力場中每個氨基酸中的各原子電荷是固定的，很難正確描述極化的影響。我們將 MFCC和泊松-波爾茲曼溶劑化模型(PB Model)結合起來，擬合蛋白質的原子電荷(PPC)，PPC能夠正確代表蛋白質的靜電極化狀態(tài)并且可以對天

11、然態(tài)附近的結構提供精確的靜電相互作用。當進行動力學模擬時候，PPC只是簡單替換掉 AMBER電荷，其它參數(shù)保存不變。我們用PPC替換 AMBER電荷對6個蛋白質體系進行動力學模擬發(fā)現(xiàn)，在整個動力學模擬過程中PPC計算出的氫鍵的占有率和氫鍵的數(shù)目比 AMBER計算出的高，并且在AMEBR力場下一些蛋白質內部的氫鍵被破壞，這些破壞的氫鍵引起了一些二級結構的變性，但是用PPC氫鍵和二級結構很好的保留，蛋白質的結構更加穩(wěn)定。
　　四、PP

12、C穩(wěn)定模擬中蛋白質天然態(tài)結構
　　先前的工作發(fā)現(xiàn)，用PPC計算 decoy(假的天然態(tài))能量比天然態(tài)能量要高，也就是天然態(tài)能量是最低的，但是用AMBER力場發(fā)現(xiàn)天然態(tài)能量不是最低的。所以我們對那些蛋白質進行分子動力學模擬，我們發(fā)現(xiàn)，從天然態(tài)結構出發(fā)，AMBER會使結構走向 decoy結構，而 PPC則不會。主要原因是用AMBER進行動力學模擬過程中，氫鍵的打斷引起了局部蛋白結構大的改變，從而引起了整體蛋白結構的變化。但是PPC進行

13、動力學模擬蛋白質內部氫鍵保存非常好。
　　五、副本交換方法研究Trp-cage蛋白折疊和去折疊熱力學行為
　　我們分別用AMEBR96和AMBER03力場和普適的波恩模型(igb1和igb5)來研究Trp-cage的折疊和去折疊過程。蛋白質的熱力學行為對溶劑模型和分子力場是非常敏感的。我們發(fā)現(xiàn)當用FF96/igb5，從去折疊模擬中計算的熔解溫度和實驗值(315K)非常接近，但是在折疊模擬中卻不能收斂。當用FF03/igb5時

14、，無論從折疊還是去折疊模擬，給出了過分穩(wěn)定的動力學結果，計算的熔解溫度是345K，并且在兩種模擬過程中顯示了相似的自由能面。當用FF96/igb1，F(xiàn)F03/igb1在我們50ns的模擬時間內結果很難收斂。
　　六、實時擬合PPC加速蛋白質折疊
　　目前的PPC是從固定的結構中計算獲得的，更確切的說是從天然態(tài)結構，它僅僅反映相空間中很小部分的電荷分布。對于大規(guī)模運動，比如蛋白質折疊，它也許并不合適了。所以我們發(fā)展了一套實時擬

15、合電荷的方法用來研究2I9M小蛋白的折疊。我們分別用AMBER電荷和實時擬合 PPC對2I9M(PDB entry)蛋白進行了30ns的動力學模擬，從線狀結構開始，用實時擬合 PPC方法，蛋白質在6.3ns成功的折疊到天然態(tài)結構，然而 AMBER在30ns的動力學模擬中沒有任何折疊態(tài)出現(xiàn)。
　　隨著 MFCC方法不斷完善，我們相信我們的MFCC方法和其他線性標度的量子化學方法在研究生物體系中扮演越來越重要的角色，并且我們將線性標度