量子化學(xué)方法對(duì)生物體系的研究以及蛋白質(zhì)折疊.pdf

1、由于蛋白質(zhì)體系非常大，一般含有幾千個(gè)原子以上，關(guān)于生物大分子的研究方法一般采用建立在原子-原子成對(duì)相互作用勢(shì)基礎(chǔ)上的經(jīng)典力場(chǎng)方法。目前常用的分子力學(xué)方法有:AMBER，CHARMM，OPLS，GROMOS等等，分子力學(xué)方法將復(fù)雜的作用勢(shì)用鍵伸縮勢(shì)能，鍵角彎曲勢(shì)能，二面角扭轉(zhuǎn)勢(shì)能，庫侖靜電勢(shì)能和范德華作用勢(shì)的模型來描述，其中的各項(xiàng)參數(shù)是根據(jù)量子力學(xué)或者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合而來的。由于分子力場(chǎng)簡易性，它可以直接和快速的計(jì)算分子之間的相互作用，已成功

2、的應(yīng)用于各類分子體系的研究。但是，這些力場(chǎng)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(yīng)是非常顯著的。在分子力學(xué)計(jì)算中將電子運(yùn)動(dòng)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(qiáng)電子效應(yīng)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(xué)理論能夠克服傳統(tǒng)分子力場(chǎng)的缺陷。然而由于計(jì)算條件的限制，處理像蛋白質(zhì)這樣的生物大分子，直接運(yùn)用量子化學(xué)方法是不可能的。為了把量子化

3、學(xué)方法運(yùn)用到蛋白質(zhì)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(biāo)度的量子化學(xué)方法，主要有分而治之方法(D&C)，調(diào)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(jié)構(gòu)局域性的分子切割方法。這個(gè)方法是把蛋白質(zhì)體系分為以氨基酸為基礎(chǔ)的片段，然后在斷開的地方接上適當(dāng)?shù)男》肿踊鶊F(tuán)，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(jià)鍵的

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

5、用以及導(dǎo)體模型的蛋白質(zhì)溶劑化和藥物設(shè)計(jì)等的計(jì)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(dǎo)體極化連續(xù)模型(MFCC-CPCM)方法研究了W301水分子對(duì)HIV-1蛋白酶與配體復(fù)合體自由能的貢獻(xiàn)；第三部分將 MFCC和泊松-波爾茲曼溶劑化模型(PB Model)結(jié)合起來，擬合蛋白質(zhì)的原子電荷(Polarized protein-speci

6、fic charge--PPC)，使每一個(gè)原子都處于真實(shí)的環(huán)境中。通過對(duì)六個(gè)蛋白系統(tǒng)的研究證明了用該方法進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬比用傳統(tǒng)的AMBER分子力場(chǎng)模擬蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定；第四部分:極化的蛋白質(zhì)專一性電荷(PPC)穩(wěn)定模擬中蛋白質(zhì)天然態(tài)結(jié)構(gòu)；第五部分:用副本交換分子動(dòng)力學(xué)(REMD)方法研究色氨酸籠(Trp-cage)蛋白折疊。第六部分:實(shí)時(shí)擬合 PPC加速蛋白質(zhì)折疊。本論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)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(gè)切斷點(diǎn)插入一對(duì)共軛帽(CH3CO-CH3NH-)得到了198個(gè)加了帽子的氨基酸片段和196個(gè)共軛帽分子。分別用HF，B3LYP和MP2方法在6-31+G*基組下進(jìn)行計(jì)算，我們的結(jié)果顯示:(1)W301和B鏈中50號(hào)異亮氨酸形成的氫鍵強(qiáng)于和A鏈中50號(hào)異亮氨酸形成的氫鍵。(2)W301也和A鏈中的25號(hào)去質(zhì)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(hào)質(zhì)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(qiáng)于和50號(hào)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(duì)HIV-1蛋白酶與配體復(fù)合體自由能的貢獻(xiàn)
　　我們用分子碎片共軛帽(MFCC)和導(dǎo)體極化連續(xù)介質(zhì)模型(CPCM

9、)結(jié)合起來研究蛋白質(zhì)溶劑化能。在本文中，MFCC-CPCM方法研究了W301水分子對(duì)HIV-1蛋白酶和ABT-538復(fù)合體自由能的貢獻(xiàn)。MFCC方法用來計(jì)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(jì)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(jì)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(jié)果和先前用熱力學(xué)積分方法計(jì)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(zhì)專一性電荷(PPC)穩(wěn)定模擬中的蛋白質(zhì)內(nèi)部氫鍵
　　由于在傳統(tǒng)的分子力場(chǎng)中每個(gè)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(jié)合起來，擬合蛋白質(zhì)的原子電荷(PPC)，PPC能夠正確代表蛋白質(zhì)的靜電極化狀態(tài)并且可以對(duì)天

11、然態(tài)附近的結(jié)構(gòu)提供精確的靜電相互作用。當(dāng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)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(duì)6個(gè)蛋白質(zhì)體系進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)動(dòng)力學(xué)模擬過程中PPC計(jì)算出的氫鍵的占有率和氫鍵的數(shù)目比 AMBER計(jì)算出的高，并且在AMEBR力場(chǎng)下一些蛋白質(zhì)內(nèi)部的氫鍵被破壞，這些破壞的氫鍵引起了一些二級(jí)結(jié)構(gòu)的變性，但是用PPC氫鍵和二級(jí)結(jié)構(gòu)很好的保留，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。
　　四、PP

12、C穩(wěn)定模擬中蛋白質(zhì)天然態(tài)結(jié)構(gòu)
　　先前的工作發(fā)現(xiàn)，用PPC計(jì)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(chǎng)發(fā)現(xiàn)天然態(tài)能量不是最低的。所以我們對(duì)那些蛋白質(zhì)進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，我們發(fā)現(xiàn)，從天然態(tài)結(jié)構(gòu)出發(fā)，AMBER會(huì)使結(jié)構(gòu)走向 decoy結(jié)構(gòu)，而 PPC則不會(huì)。主要原因是用AMBER進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬過程中，氫鍵的打斷引起了局部蛋白結(jié)構(gòu)大的改變，從而引起了整體蛋白結(jié)構(gòu)的變化。但是PPC進(jìn)行

13、動(dòng)力學(xué)模擬蛋白質(zhì)內(nèi)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(xué)行為
　　我們分別用AMEBR96和AMBER03力場(chǎng)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(zhì)的熱力學(xué)行為對(duì)溶劑模型和分子力場(chǎng)是非常敏感的。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)用FF96/igb5，從去折疊模擬中計(jì)算的熔解溫度和實(shí)驗(yàn)值(315K)非常接近，但是在折疊模擬中卻不能收斂。當(dāng)用FF03/igb5時(shí)

14、，無論從折疊還是去折疊模擬，給出了過分穩(wěn)定的動(dòng)力學(xué)結(jié)果，計(jì)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(dāng)用FF96/igb1，F(xiàn)F03/igb1在我們50ns的模擬時(shí)間內(nèi)結(jié)果很難收斂。
　　六、實(shí)時(shí)擬合PPC加速蛋白質(zhì)折疊
　　目前的PPC是從固定的結(jié)構(gòu)中計(jì)算獲得的，更確切的說是從天然態(tài)結(jié)構(gòu)，它僅僅反映相空間中很小部分的電荷分布。對(duì)于大規(guī)模運(yùn)動(dòng)，比如蛋白質(zhì)折疊，它也許并不合適了。所以我們發(fā)展了一套實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)擬合 PPC對(duì)2I9M(PDB entry)蛋白進(jìn)行了30ns的動(dòng)力學(xué)模擬，從線狀結(jié)構(gòu)開始，用實(shí)時(shí)擬合 PPC方法，蛋白質(zhì)在6.3ns成功的折疊到天然態(tài)結(jié)構(gòu)，然而 AMBER在30ns的動(dòng)力學(xué)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(biāo)度的量子化學(xué)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(biāo)度