粗粒化的弹性网络模型

1、粗粒化的弹性网络模型第1页，共15页，2022年，5月20日，8点43分，星期二Elastic Network Model of ProteinsENMOuter membrane protein F (OmpF) in E.coli三聚体的一个亚基第2页，共15页，2022年，5月20日，8点43分，星期二Elastic Network Model of ProteinsENM共价键的LinkENM的Linktopological network of protein与距离（几乎）无关，只与是否存在共价键连接有关第3页，共15页，2022年，5月20日，8点43分，星期二Elastic Ne

2、twork Model of ProteinsENM第4页，共15页，2022年，5月20日，8点43分，星期二Elastic Network Model of ProteinsENMENM的连边决定于距离第5页，共15页，2022年，5月20日，8点43分，星期二Coarse-grained Elastic Network ModelsENM，根据研究者关注对象的尺度不同，其基本节点也可以是不同尺度的“粒子”：原子（M.M. Tirion, PRL1996，第一个ENM of Protein）原子簇（如刚性原子簇弹性网络模型）氨基酸残基的中心，氨基酸残基的大型侧链中心（粗粒化的ENM of

3、Protein，K. Hinsen, Proteins1998）蛋白质亚基的质量中心（高度复杂的蛋白质复合体，如病毒衣壳）第6页，共15页，2022年，5月20日，8点43分，星期二Why use ENM?情况1：复杂而细致的模型是不必要的，也是极耗计算量的！依据ENM，利用粗粒化方法，可以大大减小计算量，特别是连续计算一组过渡态的时候（用于研究蛋白质及其它高分子内部亚基间的相对运动、分子构象转变confor-mational transition如转动、弯折等动态过程）。情况2：实验数据不足以构建精细的模型。第7页，共15页，2022年，5月20日，8点43分，星期二How and wher

4、e ENM works?骨架结构，特别是nodes的坐标源于微观实验测量，如X-ray衍射、NMR等；QM/MM计算，从ab initio计算到半经验计算。内力作用的处理方式则源于宏观科学类似于传统的宏观材料科学中的方法，如连续介质材料弹性力学中的有限元方法。ENM的本质在符合第一性原理计算结果的热力学平衡态构型基础上的多自由度系统简谐振动模型第8页，共15页，2022年，5月20日，8点43分，星期二How and where ENM works?ENM的本质在符合第一性原理计算结果的热力学平衡态构型基础上的多自由度系统简谐振动模型蛋白质分子内部亚基之间的相对运动蛋白质分子间的相对运动不能处

5、理蛋白的细节变化如某个残基被水解酶剪切，或者新合成的线性肽链折叠成蛋白质，酶活性中心的氧化还原等等第9页，共15页，2022年，5月20日，8点43分，星期二EN的低频简正模EN内部相对运动（至少大尺度运动）的特征量在粗粒化处理之后没有明显改变。It has been shown that functionally important conformational changes of proteins can be described by the low frequency normal modes （低频简正模）which are robust and insensitive to hi

6、gher coarse-graining.预测蛋白转动、弯折等构象转变的方法：低维度上的简正模式运动+三维各向同性的随机扰动第10页，共15页，2022年，5月20日，8点43分，星期二应用实例：蛋白各氨基酸残基的涨落振幅Coarse-grained ENM精确定量预测振幅还是有欠缺的，特别是预测较极端的振幅。Coarse-grained ENM可以比较准确的预测哪些残基有较大涨落振幅，哪些残基的涨落振幅较小。红线为实验值第11页，共15页，2022年，5月20日，8点43分，星期二应用实例：蛋白质的最低频简正模Phosphatase Cdc25B最低频简正模下各残基的振幅第12页，共15页，2022年，5月20日，8点43分，星期二Anisotropic (Elastic) Network ModelANM事实上就是Anisotropic ENMA.R. Atilgan et al., Anisotropy of fluctuation dynamics of proteins with an elastic network model, Biophys. J. 80, 505 (2001)第13页，共15页，2022年，5月20日，8点43分，星期二Deformable Elastic Network分子主要在哪