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一自由能计算分类二MM/PBSA的基本原理三MM/PBSA的研究进展及所需要的研究手段四应用�GlnBP的分子动力学模拟和自由能计算Freeenergyperturbation(FEP)ThermodynamicsIntegation(TI)TheoreticsimulationCompleteempiricalfunctionAtomiccontactenergymodelHydrophilicpairsmodelEmpiricalmethodBindingfreeenergycalculation一一自由能计算分类自由能计算分类P.A.Kollman,I.Massova,C.Reyes,etal.,Acc.Chem.Res.2000,33:889一一自由能计算分类自由能计算分类自由能计算自由能计算经典计算方法�FEP经典计算方法�FEP半经验计算方法�LIE半经验计算方法�LIE基于主方程方法�MM-PBSA基于主方程方法�MM-PBSA准确,计算量大,速度慢准确,计算量大,速度慢计算量小,普适性差计算量小,普适性差准确,普适性广准确,普适性广药物设计中应用较广药物设计中应用较广二二MMMM--PBSAPBSA方法基本原理方法基本原理bindingGaquaquaquABAB�������ABABbindinggassolvsolvsolvGGGGG���������(0.005420.92)XXXXsolvPBSAdelphiGGGSASA��������int()gasgasraelevdwgasGHTSEEETS�������������PB/SAGB/SA1111()22()ijijijgbijijijwijqqqqWGBrfr�������������方法把溶剂看成一个连续的介质�用�表示。第一项是真空能量�第二项为溶剂化能�fgb�平滑系数�依赖原子半径和原子间距离rij等��w�溶剂的介电常数�水�80�溶质�1�。把溶剂用一个均匀介电常数的无穷连续介质代替�可把分子体系分为两个区域�Region1�蛋白质内部��region2�蛋白质外部�溶剂区�。Region1满足Poission方程,Region2满足Poisson-Boltzmann(PB)方程。本工作用到的格点间距为0.5Å�溶质介电常数为1�溶剂介电常数为80。(PB方法�利用经验公式�G(nb)=0.00532×SASA+0.92kcal/mol来计算非极性溶剂化自由能。(SA方法�三三MM/PBSAMM/PBSA的研究进展及所需要的研究手段的研究进展及所需要的研究手段◎研究进展1.预测受体和配体的结合自由能•WangJetal.anewansatzispresentedthatcombinesmoleculardynamicssimulationswithMMPBSA(MolecularMechanicsPoisson-Boltzmann/surfacearea)torankthebindingaffinitiesof12TIBO-likeHIV-1RTinhibitors.Theabsoluteones,whichhavearoot-mean-squaredeviationof1.0kcal/mol(themaximumerroris1.89kcal/mol).•JWang,PMorin,WWang,PAKollman.J.Am.Chem.Soc.2001,123,5221-52302�预测蛋白和蛋白之间的结合自由能•WeiWangetalcalculationsfreeenergyofdimeroftheHIVproteaseusingMM/PBSA.TheyexaminedthedominantnegativeinhibitionoftheHIVPRbyamutatedformoftheproteaseandfoundrelativedimerizationfreeenergiesofhomo-andhetero-dimerizationconsistentwithexperimentaldata.Theyalsodevelopedarapidscreeningmethod,whichwascalledthevirtualmutagenesismethodtoconsiderothermutationswhichmightstabilizenon-wild-typeheterodimers.Usingthisapproach,TheyconsideredthemutationsnearthedimerinterfacewhichmightcausedominantnegativeinhibitionoftheHIVPR.•WeiWang1andPeterA.Kollman1,2*J.Mol.Biol.(2000)303,567582三三MM/PBSAMM/PBSA的研究进展及所需要的研究手段的研究进展及所需要的研究手段三三MM/PBSAMM/PBSA的研究进展及所需要的研究手段的研究进展及所需要的研究手段3.预测蛋白质和核酸之间的结合自由能Reyes和Kollman采用MM/PBSA计算了U1A和RNA之间的结合自由能。由于U1A和RNA在形成复合物的过程中结构发生了很大的变化�因此要考虑该变化对结合能的影响。△G=G(A)(complex)-G(A)(monomer)◎研究手段1.Gauss2.Deiphi3.Msms4.AMBER三三MM/PBSAMM/PBSA的研究进展及所需要的研究手段的研究进展及所需要的研究手段GlnBP的分子动力学模拟和自由能计算••••5.1•GlnBP是大肠杆菌透性酶系统中一个极其重要的细胞外液底物专一性结合蛋白�对于细胞外液中Gln的运输和传递是至关重要。•Gln进入大肠杆菌细胞外液时�迅速与GlnBP高效结合�结合后�GlnBP构象闭合�随后GlnBP-Gln复合物迅速被细胞膜上的渗透酶系统的其他蛋白成分所识别�以完成Gln的运输。•目前解析出来GlnBP晶体结构有2个,张开状态下的1GGG单体�226残基��闭合状态下的1WDN复合物�226+Gln底物�。5.25.2工作思路工作思路�1�GlnBP与底物Gln结合过程中起关键作用的残基关键作用的残基信息��2�结合自由能的计算结合自由能的计算以及结合的主要驱动力�结合的主要驱动力��3�GlnBP两条铰链�两条铰链�8585--89,18189,181--185185��在结合Gln时的功能�5.35.3计算过程计算过程GlnBP-Gln�1WDN�的MD模拟1GGG1GGG1WDN1WDN对比分析两个体系铰链区�85-89�181-185�的氢键以及二面角变化GlnBP(1GGG)的MD模拟用氢键和GBSA能量分解获得关键残基的结合能信息用MM-PBSA方法计算GlnBP与Gln的结合自由能�并获得结合的主要驱动力5.45.4结果与讨论结果与讨论体系1WDN和1GGG铰链区参与形成的氢键DonorAcceptorFreq.(1WDN)/%Freq.(1GGG)/%Tyr185-OH-HHAsp157-OD297.250Thr70-OG1-HG1Gln183-OE185.008.00Gln183-NE2-HE22Glu181-O80.750Tyr85-OH-HHAsp28-OD174.0095.75Ser88-OG-HGTyr185-OH72.7510.00Tyr213-OH-HHTyr85-O077.00体系1WDN和1GGG铰链区10个残基的主链二面角1WDN/(°)1GGG/(°)Residue_dihedralmeanstd.meanstd.Tyr85_φ�PHI�-154.098.89-102.8225.64Tyr85_ψ�PSI�-26.3721.37-19.3514.62Tyr86_φ�PHI�-120.2525.22-144.4216.78Tyr86_ψ�PSI�131.4218.81145.4515.12Lys87_φ�PHI�-101.2323.53-104.9627.40Lys87_ψ�PSI�134.719.19101.0541.13Ser88_φ�PHI�-151.469.77-98.2845.19Ser88_ψ�PSI�-173.377.40156.5423.53Gly89_φ�PHI�-156.7911.23171.1718.01Gly89_ψ�PSI�-174.7413.45-178.9713.48Glu181_φ�PHI�40.4611.0846.987.89Glu181_ψ�PSI�64.1011.4840.4010.28Ala182_φ�PHI�-52.4810.47-70.8615.65Ala182_ψ�PSI�128.8711.29153.6812.88Gln183_φ�PHI�-152.169.79-146.7911.63Gln183_ψ�PSI�174.479.13165.5223.23Gln184_φ�PHI�-136.8910.67-125.5021.50Gln184_ψ�PSI�150.1910.92138.8711.60Tyr185_φ�PHI�-108.1012.60-87.2014.44Tyr185_ψ�PSI�155.917.59148.318.81铰链区85-89参与构象开合,铰链区181-185体现在结合Gln各能量项对结合自由能的贡献�kJ/mol�RECEPTORLIGANDCOMPLEXITEMmeanstd.meanstd.meanstd.DELTAELE-25506.19227.48-64.256.90-26156.85227.18-586.12VDW-3685.84110.023.552.59-3764.76110.90-82.47INT18984.31169.00101.7412.4619086.05169.460.00GAS-10207.77248.1741.0513.33-10835.61246.71-668.88PBSUR273.872.5911.370.42272.492.51-12.79PBCAL-11939.08255.48-232.498.07-11588.13286.14583.44PBSOL-11665.2110.98-221.128.07-11315.64291.56570.65PBELE-37445.28180.66-296.746.35-37744.98205.78-2.97PBTOT-21872.98254.94-180.0312.50-22151.24296.03-98.23TSTOT10498.6622.99135.060.0810563.9117.96-69.81�Gbindcomput.-28.43�Gexper.-33.56自由能计算值与实验值基本吻合疏水相互作用是结合的主要驱动力5.45.4结果与讨论结果与讨论体系1WDN体系中GlnBP和底物Gln之间形成的氢键DonorAcceptorDistance/nmAngle/(°)Freq./%Arg75-NH1-HH12Gln-OC0.275(0.008)165.96(7.26)99.25Gln-N-H1Gly68-O0.281(0.009)156.89(10.52)87.25Gln-N-H2Asp157-OD20.282(0.009)156.78(11.17)77.50Arg75-NH2-HH22Gln-OC0.284(0.009)164.48(8.42)75.75Gly119-N-HGln-O0.285(0.008)165.64(9.63)67.25Gln-N-H3Thr70-OG10.287(0.007)163.40(8.36)63.50Gln-NE2-HE21Ala67-O0.287(0.008)160.85(9.74)62.005.45.4结果与讨论结果与