（物理化学专业论文）abeemσπmm—应用于蛋白质体系的模拟与分子对接的研究.pdf

学位论文独创性声明 幽jllllllll111111111 1 11 1 1 1 i l l l l ill y 17 9 5 116 t i l l ! 本人承诺：所呈交的学位论文是本人在导师指导下所取得的研究成果。论文中除特别加以标注和 致谢的地方外，不包含他人和其他机构已经撰写或发表过的研究成果，其他同志的研究成果对本人的 启示和所提供的帮助，均已在论文中做了明确的声明并表示谢意。 学位论文作者签名： 毯亟叁 学位论文版权的使用授权书 本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定，及学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交复印件或磁盘，允许论文被查阅和借阅。本文授权 辽宁师范大学，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库并进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后使用本授权书。 学位论文作者签名：磊奴叁指导教师签名：盔墨丝垒 签名日期：年月日 辽宁师范大学硕士学位论文 摘要 本文利用a b e e m o g 浮动电荷力场( a b e e m o r r m m ) 对d e rf2 、s a r s c o vm a i n p r o t e a s e 、p l a s m i n o g e n 、a s c a r i st r y p s i ni n h i b i t o r 和m e t h i a n y l t r n as y n t h e t a s e 六种蛋白 质体系，在2 9 8 k 的真空条件下进行分子动力学模拟研究中，并将模拟计算所得的蛋白 质中各类原子的位置( 包括c a 原子、骨架原子( c ，c a ，n ，o ) 、重原子以及侧链原子) 、 键长、键角、二面角值以及回旋半径值，分别与实验晶体结构数据和a m b e r 力场的模 拟结果对比，表现出很好的一致性。这表明a b e e m 0 7 i 舢m 能够通过分子力学模拟得到 了与实验结构十分接近的蛋白质结构。 此外，我们进一步将a b e e m o n m m 应用到重组人纤溶酶原k r i n g l e1 结构域( k lp g ) 与e - a m i n o c a p r o i ca c i d ( e a c a ) 、t r a n s 一4 - ( a m i n o m e t h y l ) c y c l o h e x a n e 1 一c a r b o x y l i ca c i d ( a m c h a ) 、l l y s i n e ( l y s ) 、7 - a m i n o h e p t a n o i ca c i d ( 7 - a h a ) 和b e n z y l a m i n e 五种配体的半 柔性对接计算中。通过对接计算所得的复合物k 1 p g e a c a 和k l p g a m c h a 的结构分 析，我们可以得出，对接后的复合物结构很接近实验晶体结构。通过对复合物中的配体 和受体分别在单独存在下、模拟所得的复合物及晶体结构中的电荷分布的分析表明： a b e e m 硎m m 模型能够非常合理地描述受体与配体之间的静电极化现象。此外通过对 五种配体( a m c h a 、e a c a 、l y s 、7 - a h a 和b e n z y l a m i n e ) 与k l p g 结合能的计算，得 出五种配体与k l p g 结合能力的大小顺序为：a m c h a e a c a 7 - a h a l y s b e n z y l a m i n e 这与实验中测得五种配体与k l p g 的平衡结合常数k a 值大小顺序相一致。 这表明：利用a b e e m 硎m m 模型能够很好地应用到的蛋白质结构和性质的研究中，并 进一步应用到新的药物分子设计当中。 关键词：a b e e m o n 浮动电荷力场；分子对接；氢键；结合能；电荷分布 a b e e m0 姒一应用于蛋白质体系的模拟与分子对接的研究 a b e e m o n m mm o d e l a p p l i e dt ot h es t u d yo f s i m u l a t i o n so fp r o t e i n s y s t e m sa n d m a c u l a rd o c k i n g a b s t ra c t t h ea b e e m 筛f l u c t u a t i n gc h a r g ef o r c ef i e l d ( a b e e m o n m m ) b ea p p l i e dt os t u d ) , t h e s t r u c t u r a la n dp r o p e r t i e so ft h ed e rf2 ，s a r s c o vm a i np r o t e a s e ，p l a s m i n o g e n ，a s c a r i s t r y p s i ni n h i b i t o ra n dm e t h i a n y l t r n as y n t h e t a s ei n2 9 8 ku n d e rv a c u u mc o n d i t i o n sf o r m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n w eh a v eo b t a i n e dt h a tt h ep o s i t i o no fa 1 1a t o m s ( i n c l u d i n gt h e c aa t o m s ，b a c k b o n ea t o m s ( c ，c a ，n ，o ) ，h e a v ya t o m sa n ds i d ec h a i na t o m s ) ，b o n dl e n g t h b o n da n g l e d i h e d r a la n g l ea n dt h er a d i io fg y r a t i o nv a l u eb yt h em e t h o do fm e c h a n i c d v n a m i c ss i m u l a t i o n a n dt h r o u g hc o m p a r e dt h ec r y s t a ls t r u c t u r ew i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a a n ds i m u l a t i o nr e s u l t so fa m b e rf o r c ef i e l d t h er e s u l t ss h o wg o o dc o n s i s t e n c y a n d i n d i c a t et h a tt h er e s u l t so fm o l e c u l a rd y n a m i cs i m u l a t i o n sb va b e e m a 兀m ma r ev e r yc l o s e t ot h ep r o t e i ns t r u c t u r a lo fe x p e r i m e n t i na d i a t i o n t h es e m i f l e x i b l e d o c k i n gs t u d i e s h a v eb e e n p e r f o r m e d i no r d e rt o u n d e r s t r a n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h er e c o m b i n a n tk r i n g l e1d o m a i no fh u m a np l a s m i n o g e n a n df i v e l i g a n d s( 8 一a m i n o c a p r o i c a c i d ( e a c a ) ，t r a n s - 4 - ( a m i n o m e t h y l ) c y c l o h e x a n e 一1 一c a r b o x y l i ca c i d ( a m c h a ) ，l - l y s i n e ( l y s ) ，7 - a m i n o h e p t a n o i ca c i d ( 7 - a h a ) a n db e n z y l a m i n e lb ym e a n so fa b e e m o 兀m m t h er e s u l t ss h o wt h a t t h es i m u l a t e ds t r u c t u r e i sv e r yc l o s et ot h ec r y s t a ls t r u c t u r e t h ec a l c u l a t e db i n d i n ge n e r g yo ff i v ec o m p l e x e si s a m c h a e a c a 7 a h a l y s b e n z y l a m i n e w h i c hi si na g r e e m e n tw i t ht h ev a l u eo f t h e e q u i l i b r i u m a s s o c i a t i o nc o n s t a n t ( k a ) f r o m e x p e r i m e n t t h i s i n d i c a t e st h a t a b e e m o 兀m mm o d ec a nb ea p p l i e dt ot h es t u d yo ft h ep r o t e i ns t r u c t u r ea n dp r o p e r t y a n d f u r t h e ra p p l i e dt ot h ed e s i g no fn e wd r u gm o l e c u l e k e yw o r d s ：a b e e m o n m m ；m o l e c u l a rd o c k i n g ；h y d r o g e nb o n d ；b i n d i n ge n e r g y ； c h a r g ed i s t r i b u t i o n ； i i 辽宁师范大学硕士学位论文 目录 摘 要i a b s t r a c t i i l 绪 论1 2 基本理论3 2 1 分子力学一3 2 2 分子力场作用项的一般式3 3a b e e m a g 浮动电荷力场应用于蛋白质体系的研究1 0 3 1a b e e m a 7 【浮动电荷力场模型1 0 3 1 1a b e e m 弧m m 模型简介1 0 3 1 2a b e e m 僦m m 模型的能量表达形式1 0 3 2a b e e m 硎m m m d 对蛋白质体系的分子动力学模拟研究1 1 3 2 1 模拟方法一11 3 2 2 蛋白质d e rf2 、m e t h i a n y l t r n a 、s y n t h e t a s e 和p l a s m i n o g e n 的模拟结 构与实验结构的对比1 2 3 3 小结1 9 4a b e e m a g 浮动电荷力场应用于药物分子对接的计算2 0 4 1 分子对接简介2 0 4 2a b e e m a 兀浮动电荷力场应用于人血纤溶酶原k r i n g l e1 结构域与其抑制剂的对 接研究2l 4 2 1 模型体系与计算方法2 1 4 3k l p g 与配体e a c a 和a m c h a 的对接计算2 3 4 3 1 结合能的计算2 3 4 3 2 结构分析2 4 4 3 - 3 电荷分析2 7 4 4 五种配体与k l p g 的结合能2 8 4 5 小结2 9 结论31 参考文献3 2 致 射3 6 辽宁师范大学硕士学位论文 1 绪论 蛋白质是一切生命的物质基础，它几乎参与了一切的生命活动。在所有生命体内的 蛋白质都是由2 0 多种不同的氨基酸按照一定顺序和数量结合而成。在人体内，蛋白质 的种类达到l o 万种以上。因为它们之间在结构上存在着很大的差别，所以不同的蛋白 质具有不同的功能特性。并同时存在于一切生命活动之中，进而产生了生命的多样性和 复杂性。但是对于生命体中的各种蛋白质的结构及各自所具有的功能的认识仍然是一个 具有挑战性的课题，并且已经成为药物化学、生命科学等前沿科学的研究热点。 目前，已有大量的实验手段( 如：核磁共振，x 光衍射等等。】) 被应用到蛋白质 和各种复合物的结构、功能及性质的研究。但采用理论计算的方法，从电子水平去深度 研究和预测各种大的生物分子的结构及功能，仍然是科学界中一个普遍的难题。今天， 在这一领域被广泛采用的理论计算方法为以量子力学为基础的从头计算法1 4 , 5 1 。这种计算 方法虽然能够得到精确的计算结果，但是，由于它的计算过程非常复杂，在计算过程中一 需要耗费大量的计算机时，根本无法满足对原子数目达到成千上万的生物大分子体系的 研究。因此，发展一种较为准确的、快速的理论计算方法就变得十分必要。随着计算机 水平和相关理论的不断成熟，一种以分子力学的核心是分子力1 6 印】场逐步得发展起来， 并且已经成为研究蛋白质和复合物的功能结构的主要方法。对于早期的分子力场，它们 大多采用固定点电荷的形式，在计算过程中忽略了体系中的静电极化现象和原子问的电 荷转移，因此，对于影响了计算的准确性。所以发展一种能够充分体现分子中的原子间 的电荷极化的电子转移的极化力场便成为了各种力场发展的焦点。 今天，除了采用分子力场的方法去研究蛋白质的功能与性质之外，判断和证明生物 蛋白质与生物小分子或小配体之间的结合方式及作用机理也是另外一个重要的组成部 分。虽然，在这一领域已有大量的实验手段被采用，并且已经得到了大量复合物的结构 和部分功能。但是，这些实验手段仍然存在一定的局限性。那就是利用实验手段很难在 很短的时间内去正确的预测出蛋白质配体复合物的结构和对大量配体进行筛选，并且 在预测蛋白质复合物的结构和相互作用过程中的能量变化的计算，这些都是采用实验手 段很难克服的难题。这也使得我们去发展一个既快速又准确的理论计算方法变的十分必 要。 随着分子力场的不断发展，各种有关与药物设计的方法层出不穷，其中分子对接方 法已经成为了领域的重要方法之一。目前有大量的分子对接方法都是采用以系统中质点 的随机运动，并结合统计力学的几率分配原理，得到体系的统计及热力学质料的方法， 例如：蒙特卡罗方法f l0 。这些方法的缺点在于他们通过计算只能得到统计的平均值， a b e e io 删一应用于蛋白质体系的模拟与分子对接的研究 却无法合理地描述体系中的动态信息。相比之下，分子动力学模拟方法| 1 二垮l 是以牛顿力 学原理为基础而发展起来的理论计算方法。在模拟计算中，体系中的各个粒子的运动都 有这正确的物理依据。因此，该方法具有更高的准确性，并且可同时获得体系的动态信 息和热力学资料。因此，在以杨等人”“一l 提出的原子键电负性均衡方法( a b e e m ) 的 基础上建立起来的a b e e m 0 7 【浮动电荷力场就变得尤为重要，因为该力场与大多数固定 电荷力场相比，其电荷位点既包括原子中心区域，又加入了体系中的化学键以及原子上 的孤对电子区域，并且能够快速、准确地计算出体系在随外势变化下，各原子上的电荷 分布。该方法已经成功应用到水、多肽分子、离子水溶液以及蛋白质体系的理论计算中， 并通过与实验数据相比较也验证了我们计算的的正确性。因此，本文在前人的基础上， 将其应用到蛋白质体系的结构及性质的研究中，并进一步蛋白质与配体之间的分子对接 计算中，探索复合物的构象关系及在对接过程中的能量变化。 辽宁师范大学硕士学位论文 2 基本理论 2 1 分子力学 分子力学方法f 2 0 纠1 ( m o l e c u l a rm e c h a n i c s ，m m ) 起源于1 9 世纪7 0 年代左右，它是在 经典力学的计算方法的基础上发展起来的。它根据b o r n o p p e n h e i m e r 近似原理，在计算 过程中忽略了电子的运动，将体系的能量看作是相关于原子核位置的函数。对于具体的 分子力场，它们融合了大量的参数，这些参数大多数是可以通过量子力学计算或实验方 法手段得到。这种以牛顿力学为基础的方法与量子力学相比，分子力学的计算过程要简 单的多，它可以在较短时间内快速获得体系的各种性质，并且可以应用原子数达到成千 上万的生物大分子的理论研究中。因此，由分子力学方法的计算结果已经几近高水平的 量子力学的计算结果相接近，但其所消耗的计算机时远远小于量子力学的计算时间。所 以该方法方法已经常被广泛地应用到大的生物大分子的结构、性质以及药物、团簇体系 的合成、研发等的研究当中。 2 2 分子力场作用项的一般式 对于大的生物分子体系，大多数分子力场将体系的总能量设定为动能与势能之和， 并且通常将分子的总的势函数如，分解成键长伸缩能最。，、键角弯曲能风。n d 、二面角扭 曲能巨。肿范德华相互作用能日d ”静电相互作用能e l e c 和耦合相互作用丘。幅。等能量 之和，具体表示方法如公式( 2 1 ) ： e m m = e s 仃+ e b 。d + e t 。r s + e ，d w + e 。l 。+ e c r 。 ( 2 1 ) 对于具有更高精确度的力场势函数而言，耦合相互作用项反。主要包括键长伸缩 与键角弯曲的交叉项、二面角扭曲与键长伸缩的交叉等项， 对于分子中发生相互作用的原子之间所形成化学键，化学键的键长也是在随着化学 环境的变化而在其平衡位置附近呈小幅度的上下波动，此种作用的势能可用键长伸缩振 动项能表示。而键长伸缩势能最简单的表示方法则是在平衡位置处做t a y l o r 展开，例如： 化学键a b 的伸缩振动能便可以用公式2 2 来描述： e a r ( 胪喵a b ) - 即) + 篆( 胪一铲) + 吉筹( 胪一舻) 2 ( 2 2 ) 其中群曰表示键a b 的平衡键长。因为在通常情况下以o ) 项等于零。而在求一阶微 商时，式中第二项也为零，所以化学键a b 的伸缩振动能也可以用谐振势能函数表示， 具体公式如下： e s 仃( 尺爿矗一尺? 口) = k a b ( r 爿占一尺? 口) ：= k a b ( a r 爿占) 2 ( 2 3 ) 一_ a b e e mo 删一应用于蛋白质体系的模拟与分子对接的研究 其中俨表示键a b 的力常数。 如果体系的张力很大，那么用谐振函数计算所得到的结果与实验值相比就会出现很 大的偏差。这就需要对谐振函数进行修正，最简单的方法就是加入高阶项以校正非谐振 动所引起的误差： e 。( r 爿曰) = 七? 曰( a r 4 8 ) ：+ 七? 矗( j r 一口) 3 + 七? b ( 尺爿曰) 4 + 七? 矗( z x 9 4 8 ) 5 ( 2 4 ) 当然，如果加入高阶项就需要确定更多的参数。此外，键长伸缩振动势能函数的多 极展开也不能带来正确的极限行为，立方非谐振常数屯通常为负值，如果泰勒展开在立 方项截断，则键长较大时能量值则趋向于负值，而四次项常数缸通常为正值，如果在四 次项截断键长较大时能量趋向于正值。因此，利用这样的函数求势能的极小值，如果初 始结构不好就不会得到正确的几何构型。化学键伸缩趋近无限大的正确极限是化学键的 断裂，也就是能量趋近于离解能，正确描述这一极限的函数为m o r s e 势能函数【2 2 】： e m o , 。( r 一占) = d e 删一胪一2 e 刮霄札舻 ( 2 5 ) 其中d 表示离解能，a s h 和力常数，七( 口= 而) 相关的参数。 与键长伸缩振动类似，同样胡克定律或是简谐振动也可以用来描述键角的弯曲振 动，即： e 蜘= k b 。d ( p 一吼) 2 ( 2 6 ) 其中。为力常数，卿o o 分别表示键角及平衡键角。每一个角度对势能的贡献也 是用力常数和平衡键角表示的，如果在平衡位置处弯曲一个角度需要的能量较小，则力 常数的值也相应较小。对于张力比较大的有机化合物与没有张力的有机化合物之间，键 角可最大相差1 5 0 ，在这种情况下，非谐振动现象不明显 2 3 2 4 】。当键角过小时，如含有 三元环或四元环的化合物，非谐振震动的现象就非常很明显，这时就需要对谐振模型进 行相应的修正。与键长的伸缩振动项类似，加入高阶项可提高力场的精确性，即： k 。= 。( o - o o ) 2 【卜k 。( o - o o ) - k 。( o - o o ) 2 一氏( o - o o ) 3 】 ( 2 7 ) 一般情况下，键角的弯曲振动主要可以分为两类，一类是平面内振动，另一类是平 面外振动。如羰基碳中的氧原子为了减轻键角的扭曲振动，所以存在平面外弯曲振动， 这表示此时兀键会发生扭曲，因而，我们可以在势能函数的表达式中加入平面外的振动 势能项。它主要包括以下三种方法：第一，可以定义一个非常规扭曲振动( i m p r o p e rt o r s i o n ) 势；第二，根据平面外原子与平面内原子形成的键与该平面夹角的简谐势来计算；第三， 通过模拟计算得到的平面外原子与平面相背离的高度的简谐势来得到。在这三种方法 中，被广泛应用的为第一种方法，因为它容易被包含在常规的双面角扭曲振动( p r o p e r t o r s i o n ) 势中。 辽宁师范大学硕士学位论文 若分子中存在连续相键连的四个原子a b c d ，那么二面角( t o r s i o n a la n g l e ) 就可以 表示为指键a b 和c d 组成的角烈如图2 1 所示) ，角度缈的取值范围为 0 0 ，3 6 0 0 或 1 8 0 0 ，1 8 0 0 。二面角扭曲势能与键长的伸缩振动和键角的弯曲振动有显著的不同。首 先，此能量函数的表达式为以国为周期的周期性函数：也就是当二面角国旋转3 6 0 0 时和 0 0 时的能量值相等。其次，二面角的扭曲势能相对较低，因而，在计算过程中，所得到 的二面角值非常容易偏离最低能量结构的二面角值。因此，在对体系结构的研究中，二 面角扭曲势能就变得非常重要。显然，用对国的t a y l o r 展开的方法来描述能量是错误的， 为了给出周期性变化的描述，通常可以将民鸺写成f o u r i e r 形式： 三雠( c o ) = ：e o s ( n r o ) ( 2 8 ) d 三 n c o , t o r s i o n a la n g l e ) b 图2 1 双曲角扭盐定义 f i g 2 1d i s t o r t i o na n g l eh y p e r b o l i cd e f i n i t i o n 当f 1 时旋转周期为3 6 0 0 ，f 2 时旋转周期为1 8 0 。，以3 时周期为1 2 0 0 ，等等。虼 表示绕键b c 旋转的势垒的大小。 范德华( v a nd e rw a a l s ) 相互作用是一种非常重要的分子间的非键相互作用，通常 情况下用符号来反d w 来表示。v a nd e rw a a l s 相互作用主要是用来描述非键连的两个原 子间的吸引和排斥作用，它与静电相互作用一起被称为非键相互作用。e d w 也可以被理 解为与由原子电荷引起的静电相互作用以外的非键作用。通常情况下，当原子间距离较 大时，反d w 趋近于零；而当原子间距离较小时，e d w 表示出较大的排斥作用。在量子力 学中，这主要是由两个原子之间的电子云相互重叠，带负电荷的电子相互排斥所引起的。 然而，在一定的距离时，这两个电子云之间又由于电子相关效应而存在着较弱的吸引作 a b e e do 删一应用于蛋白质体系的模拟与分子对接的研究 用，这种吸引作用是由诱导的偶极偶极相互作用所7 1 起的。满足这种关系的一般方程 形式为： 比以彻) _ 。如肋) 一高 q 9 ) 从理论上说，排斥作用的精确表达式是不存在的，但是，它仅要求当r 趋向于无 穷大时，排斥作用趋近于零，并且它要比r - 6 更快地趋近于零。能够满足以上要求的势 能形式便是l e n n a r d j o n e s ( l j ) 势能函数l 二5 1 ，具体表达式为： 砒2 创l 亿聊 l e i l l l a r d j o n e s l 2 6 形式的势能函数中有两个可调的参数：碰撞直径嘲势阱深度g 。 l e n n a r d j o n e s 势能函数也可以表示为： e u c ，= s i ( 等) 1 一2 ( 等 6 f 2 - t ， 其中，表示最小能量距离，因为能量对原子核间距离的一阶微分等于零，因此， 可以很容易的得到表达式：6 - q 厄o ，这些参数的具体图形表示如图2 2 所示。 攀 递 & o l _ i 下 口 一一妙 女l l 移 s o 争鱼嘲蝴嚼 图2 2l e n n a r d j o n e s 势能函数 f i g 2 2l e n n a r d j o n e sp o t e n t i a le n e r g yc u r v e l e n n a r d j o n e s 势能函数的特点是：对于相互吸引部分的能量值随着，击的变化而变 化，而相互排斥部分的能量值随着，。2 的变化，具体情况如图2 3 所示。 一6 一 辽宁师范大学硕士学位论文 图2 3 由排斥部分( r - 1 2 ) 和吸引部分( 一) 构成的l e n n a r d j o n e s 势能曲线 f i g 2 3b yt h ee x c l u s i o no fp a r to ft h e ( r - 12 ) a n da t t r a c ts o m e ( 卜6 ) c o n s i s t i n go fl e n n a r d j o n e sp o t e n t i a l e n e r g yc u r v e 但是在实践中人们发现，l j 6 1 2 势能函数当原子间距离较大时，其数值下降的太快。 在计算一些有机小分子时准确性较低。但是，目前l j 6 1 2 形式的势能函数仍然别广发 地应用在大的生物分子体系的模拟中。除了l j 6 1 2 形式的势能函数形式之外，在计算 排斥相互作用时，也可以采用不同次幂的形式，因而v a i ld e rw a a l s 相互作用的一般形式 可以写为： 。 咐庵l 点( 小志( 训 仁切 当胛1 2 ，m6 时就是l e n n a r d j o n e s 势能函数。 从电子水平来分析，排斥作用是由电子的波函数重叠产生的，而随着在空间上逐渐 远离原子核，电子云的密度表现为随指数的形式降低( 如：氢原子的精确波函数就是指 数函数) 。其应用最为广泛的是“指数r 6 形式的目d w 相互作用，其表达形式如下： e 协( 厂) = a e 一一与 ( 2 1 3 ) 其中么、b 和c 为参数，除此之外，有时v a nd e rw a a l s 相互作用能也可以表达成更 复杂的形式，如公式( 2 1 4 ) 所示： 啪阳l 去p 4 ( ) 一旦o c - 6 蚓 ( 2 1 4 ) 其中和椭物理意义与公式( 2 11 ) 相同，口为自由选择的参数。 日d w 的第三种表达形式是用m o r s e 势能函数的表示方法，在长程相互作用中，m o r s e 势能函数不包含，项，但它实际上却包含了，8 ，| 1 0 等项。用来描述反d w 的m o r s e 势 能函数中d 和缓远比晟仃中的小，而且平衡键长要相对长一些。 a b e t g do 删一应用于蛋白质体系的模拟与分子对接的研究 以上三种描述反d w 的函数方程的主要区别在于近程相互作用中的排斥部分，虽然 l e n n a r d j o n e s 和指数一6 势能函数都过高地估计了近程的排斥作用，同时还存在着近程 “反转( i n v e r t i n g ) ”问题。但是从化学角度考虑这些问题似乎都变得无关紧要，因为当能量 超过1 0 0 k c a l m o l 。时就足以破坏原子间化学键，因此在实际的计算中几乎不涉及该部分 的计算。 静电相互作用是另一种非常重要的非键相互作用，这种相互作用主要是分子内部的 正电荷部分和负电荷部分的相互作用。在一个分子中，由于不同的原子之间的结构不同， 所以导致了不同的原子有着不同的电荷分布，目前应用到电荷分布的表征和计算的的方 法主要有两种。一种方法是将电荷分配在原子上，这种方法叫做电荷法。另一种方法是 在键上分配一定的偶极矩，这种方法叫做偶极矩法。虽然这两种方法在计算有机小分子 时的结果和效率相似，但用于大的生物分子体系时，偶极矩法不仅要计算电荷与电荷之 间的相互作用，而且还要考虑电荷与偶极的相互作用。因此，该方法在应用于大的生物 分子体系时表现的过于耗时，因此，目前应用的较为广泛的方法为点电荷法，他是利 用利用经验规则或量子化学计算来确定所有原子上的电荷分布，计算速度较快。具体的 静电相互可以用库仑势能函数( c o u l o m bp o t e n t i a l ) 表示： 昝警 ( 2 1 5 ) 口 其中袁示介电常数，原子电荷q 是可以处理为拟合参数。 传统的静电相互作用仅包括两体之间的作用。然而对于极化体系而言，三体的相互 作用则非常重要。三体相互作用是由于第三个原子的静电极化作用导致了两个相互作用 的原子的电荷发生改变，“多体”效应可以采用原子的极化来模拟。由于极化作用的计算 增加了计算机时，因此极化作用在使用中受到了很大的限制。这也导致了现代分子力学 对极化体系的计算中大多忽略极化作用，因此这也是现代分子力学中的一个主要缺陷。 因此，一些力场为了降低计算机时，在计算极化体系时所选取电荷参数通常考虑了平均 的极化作用，使得原子上的电荷要大于孤立的分子中原子上的电荷分布。 对于不同元素来说，电负性大的元素比电负性小的元素有着更强的吸电子能力，并 且在分子中产生不均衡的电荷分布。这种不均衡电荷分布可以用多种方式来表达，一种 比较普遍的方法是在整个分子内进行部分电荷的重排，这些电荷可以用来描述分子中的 静电作用。如果把电荷限制在原子核周围，这种模型通常被称之为部分电荷模型或净电 荷模型。在不同分子或同一分子不同部分之间的静电相互作用可用库仑定律来描述，具 体公式如下： 一8 一 辽宁师范大学硕士学位论文 ，：争挚墨生( 2 1 6 ) 智篙4 # 8 0 r , j 另一种计算大分子体系的间静电相互作用的方法是中心多极展开法。该方法是将整 个分子视为一个整体，利用分子的电次极来计算静电相互作用。分子的各电次极分别为： 零次极：分子所带的电荷，二次极：分子的偶极( d i p o l e ) ，四次极：分子的四极( q u a d r u p o l e ) ， 八次极：分子的八极( o c t o p o l e ) 等。通常最重要的是分子不小于零的最低次极。 在方程( 2 1 ) 中的前五项，普遍存在的通常的力场能量表达式中。最后一项& 。，为 前面各项的相互耦合势能项。反巾。通常可以写成单个坐标的t a y l o r 展开式。在所有的 耦合相互作用中最重要的为键长和键角的耦合，对于分子a b c 中键长和键角的耦合可 以表示为： e 州6 。耐= k a b e ( 8 爿胛一甜盯) ( ( r 4 占一芎b ) + ( ，从。一栌) ) ( 2 1 7 ) 类似的其它耦合相互作用也可以表示为： e s 挑驴= k a c ( 尸朋一占) p 盯一栌) e j 。d b e 积= k a b c n 旧a 跃一e ：b ? 、 婶b c d 一8 ；n 、) e s t r 娜= k a b c d ( r 朋一留口) c o s ( n o ) 爿肋) ( 2 1 8 ) e 咖引= k 册1 撇一8 ) c o s ( n o 嬲j 。、) e h e l d ，h 。d = k a 跃d 婶a 一e ：掀、) 敬d 一9 d ) e o s ( n c o a 改d 、) a b e e m0 蹦一应用于蛋白质体系的模拟与分子对接的研究 3a b e e mo 丌浮动电荷力场应用于蛋白质体系的研究 蛋白质是人类生存所必需的物质之一，它几乎参与了一切的生命活动和生命过程。 因此，人类对蛋白质的结构与功能性质的研究已经成为了生命科学的研究重点。随着科 学技术的不断进步，人类也逐步认识到蛋白质在各种生命活动中所扮演的重要角色。因 此，人类开始应用一切可能的办法去揭示蛋白质的真实结构以及在生命活动中所表现出 来的功能特性。今天，随着核磁共振、x 光衍色、电子衍射等实验手段的不断引入，已 经有大量的蛋白质和复合物的结构被获得。但是发展一种能够在很短时间内，能够准确 地获得各种生物大分子的结构、性质以及在生命过程中的是如何发挥其生理功能的方法 仍然是一个具有很大现实意义的课题。所以一种以牛顿力学为基础发展起来的分子力场 逐渐受到人们的重视。因为该方法不但计算结果准确，而且能够同时获得体系的动态信 息和热力学资料。而且对比目前应用较为广泛的量子力学计算方法，其应用范围更广。 但是，目前所流行的大多数分子力场都采用了固定电荷的形式无法在计算中体现体系中 的电子转移和电荷极化现象。因此，在该部分我将采用a b e e m o l r 浮动电荷力场模型对 蛋白质体系进行研究。因为该力场在计算过程中所考虑的电荷位点既包括原子中心区域 ，又加入了体系中的化学键以及原子上的孤对电子区域，同时又能够很好地体现体系中 的电子转移和电荷极化现象，所以与其他固定电荷力场相比具有很大的优越性。 3 1a b e e m0 氕浮动电荷力场模型 3 1 1a b e e m0 丌m m 模型简介 以密度泛函理论防2 7 】为基础的电负性均衡方法( e e m ) 与分子力学( m m ) 相结合而建 立起来的浮动电荷模型近几年逐步被人们所认识。它克服了各种固定电荷力场不能在计 算过程中体现体系中的电子转移和静电极化现象的弊端。因此杨等人提出的原子键电 负性均衡方法( a t o m b o n de l e c t r o n e g a t i v i t ye q u a l i z a t i o nm e t h o d ，a b e e m ) 也受到了广泛 重视。这种方法可以同时计算原子、化学键和孤对电子的电荷及其对几何构型的依赖， 并且已经成功应用于单个有机分子、性质以及电荷的计算。并都得到了令人满意的结果。 3 1 2a b e e mo 豇m m 模型的能量表达形式 e 研，删= k 。( r - r e ) 2 + ( 秒一) 2 + 每【1 + c o s ( 刀矽一) b o n d a n g l e s i o r , ；j o n + 哪_ c o s 2 0 ) + 屯( 孚) 】+ 4 乃毛【( 一( 孚) 6 】) ( 3 1 ) 辽宁师范大学硕士学位论文 a b e e m o 兀仆压m 模型应用于蛋白质体系的能量表达式如公式3 1 所示。体系总的势能由 键伸缩、键角弯陆、二面角扭转势能、非共面扭转项势能、静电库仑势能和l e n n a r d j o n e s 势能项等项组成。其中，觑和幻分别表示键伸缩和键角弯曲势能的力常数；厂和秒分别 表示实际的键长和键角值。和表示平衡键长和键角值。么表示二面角扭转势能 ，z 项的展开力常数，矽为实际二面角值，2 为二面角周期值，伪二面角相角。v 表示非共 面扭转势能项的展开力常数。其中静电势能项中的岛o 5 7 ，为a b e e m o 7 c m m 模型中 静电相互作用总的协调因子。口，和q 贝0 是通过原子键电负性均衡方法( a b e e m 吼) 计 算得到的，对于l e n n a r d j o n e s 势能项中原子对f 和，的势能参数等于两个原子势能参数 的几何平均。关于势能函数式( 1 ) 中，硬自由度的参数，如键长、键角相对二面角参 数有很好的转移性，因此我们直接取自o p l s a a i ，f 28 】固定电荷力场的势能参数；二面角 参数，静电势能项和l e n n a r d j o n e s 势能项前的系数岛f 和力以及计算电荷的参数取自以 前发表的相关论文陟3 4 】。 3 2 a b e e m 僦m m m d 对蛋白质体系的分子动力学模拟研究 蛋白质分子是由各种氨基酸脱水缩合而成的大分子体系。不同的蛋白质都有着不同 的空间结构，也正是因为这种在空间构象上的差异，所以不同的蛋白质才拥有着不同的 功能特性。并同时存在于各种生命活动之中。因此，我们只有深入地认识和理解蛋白质 的真实结构和功能性质，才能够真正地理解蛋白质在各种生命活动过程中所起的发挥的 作用。 今天，人们已经应用了大量的实验手| 3 工如】段去探索蛋白质的真实结构与功能。但是 从理论的方面对蛋白质的研究仍处于起步阶段。并且由于该方法简单、可靠而且能够预 测出很多实验所不能得到的性质，而受到了越来越多人的重视。其中采用力场方法对蛋 白质进行研究已经成为了该领域的一个热点。这种方法相对于其他理论计算方法，不仅 快速、准确，而且所能研究的体系也大大地超过了其它方法。因此，分子力场在生物大 分子体系的研究中发挥着不可替代的作用。然而，一个力场的好坏对研究结果的好坏有 着十分重要的影响。而应用力场对蛋白质体系进行分子动力学模拟所得结构与实验值对 比结果的好坏是衡量一个力场优劣的重要标准。 3 2 1 模拟方法 本部分我们分别选取d e rf2 、s a r s c o vm a i np r o t e a s e 、p l a s m i n o g e n 、a s c a r i s t r y p s i ni n h i b i t o r 、m e t h i a n y l t r n a 、s y n t h e t a s e 和o m e g a c o n o t o x i nm v i i a 六种物质作为研 究对象。结构均取自于蛋白质晶体数据库( p d b ：l a h k 、2 k 7 x 、l b 2 i 、l a t a 、1 m e a 和1 d w 4 a b e e mo 丌删一应用于蛋白质体系的模拟与分子对接的研究 ) 。这四个体系所含有的原子数分别为1 9 8 0 、1 8 5 2 、1 3 2 7 、9 1 2 、3 9 4 和3 5 3 个。在进行 分子动力学模拟之前，首先，我们通过a b e e m 0 7 【浮动电荷力场将各体系删去晶体水分 子，并加上氢原子坐标。然后利用v e r l e t n 蛙法积分运动方程在真空条件下进行分子动 力学模拟。在模拟过程中，我们采用b e r e n d s e n 热浴法，将体系的模拟温度控制在2 9 8 k ，选取的积分步长为1 0f s ，且每隔l p s 保存一次坐标文件。为了加快计算速度，在模拟 过程中采用的截断半径为0 9 n m ，并利用开关函数调节非键连相互作用。对于所有体系 ，我们都进行了1 0 0 0 p s 的分子动力学模拟，并收集5 0 0 p s 以后的坐标文件进行结构分析。 3 2 2 蛋白质d e rf2 、m e t h i a n y l t r n a 、s y n t h e t a s e 禾l ：l p l a s m i n o g e n 模拟结构与实验结 构的对比 ( 1 ) 蛋白质中的键长、键角和二面角的均方根偏差的分析 通过分子动力学模拟得到的蛋白质结构与实验测得的晶体结构符合得好坏是评价 一个极化力场的优劣的重要标准。通常情况下，假定一个力场在动力学模拟或优化