第四章-蛋白质-蛋白质复合物结构的预测及分析

第四章蛋白质-蛋白质复合物结构的预测及分析(一)一、分子对接原理二、蛋白质复合物结构预测的意义三、蛋白质复合物结构预测的方法四、ZDOCK的使用五、蝎毒素-钾通道的对接六、正在发展的蛋白质对接技术分子对接的原理1、分子对接的理论基础2、分子对接方法的分类3、分子对接方法中的重要问题4、小分子-蛋白质对接1、分子对接的理论基础最初思想---“锁和钥匙”的关系：一把钥匙开一把锁空间形状上要互相匹配分子对接的要求形状的匹配能量的匹配结合能力由△Gbind决定waterRLRLLRLRLR两个重要的原则互补性：空间结构和电学性质的互补性预组织：受体与配体在识别前，将受体中容纳配体的环境组织得愈好，其溶剂化能力愈低，则识别效果愈佳，形成的复合物愈稳定。分子对接的原理1、分子对接的理论基础2、分子对接方法的分类3、分子对接方法中的重要问题4、小分子-蛋白质对接分子对接方法的分类刚性对接(蛋白质-蛋白质)半柔性对接(小分子柔性)柔性对接(计算时间昂贵)刚性对接研究体系的构象不发生变化，常用于较大的研究体系(蛋白质-蛋白质、蛋白质-核酸)半柔性对接在对接过程中，研究体系尤其是小分子配体的构象允许在一定范围内变化(小分子柔性，大分子刚性。在药物设计及数据库搜索中常用)柔性对接在对接过程中，研究体系的构象是可以自由变化的(一般用于精确考察分子之间的识别情况。由于在计算过程中体系的构象是可自由变化的，因此柔性对接过程需要耗费较长的计算时间)。分子对接的原理1、分子对接的理论基础2、分子对接方法的分类3、分子对接方法中的重要问题4、小分子-蛋白质对接分子对接方法中的重要问题分子对接的目的：配体-受体的最佳结合位置问题：如何找到最佳的结合位置及如何评价对接分子之间的结合强度？问题1：如何找到最佳的结合位置广泛采用优化算法：遗传算法、模拟退火、人工神经网络、付里叶变换等。问题2：如何评价对接分子之间的结合强度？△Gbind=△Hgas-T△S-△GAsolv-△GBsolv+△GABsolv△Hgas:分子力学的方法△Gsolv:准确计算还存在一定的问题T△S：最难的问题(normal-modeanalysis---正交模式分析,1955---费时)TheLowestBindingFreeEnergy∆GwaterRLRLLRLRLR分子对接的原理一、分子对接的理论基础二、分子对接方法的分类三、分子对接方法中的重要问题四、小分子-蛋白质对接小分子-蛋白质对接DockingSoftwaresDOCK:(Kuntzetal.1982)-----WidelyusedDOCK4.0(Ewing&Kuntz1997)------WidelyusedAutoDOCK(Goodsell&Olson1990)AutoDOCK3.0(Morrisetal.1998)FlexX:(Rareyetal.1996)GLIDE:(Friesneretal.2004)CDOCKER(Wuetal.2003)CombiDOCK(Sunetal.1998)DIVALI(Clark&Ajay1995)GEMDOCK(Yang&Chen2004)约10种程序已商业化优点先导药物的高通量虚拟筛选先导药物的计算机辅助设计与改造药物与靶标相互作用分子机制的阐明一、分子对接原理二、蛋白质复合物结构预测的意义三、蛋白质复合物结构预测的方法四、蛋白质复合物对接研究进展五、ZDOCK的原理与使用六、案例：蝎毒素-钾通道的对接蛋白质组学研究目标人类蛋白质-蛋白质相互作用网络(Cell,2005)Motivation•Biologicalactivitydependsonthespecificrecognitionofproteins.•Understandproteininteractionnetworksinacell•Yieldinsighttothermodynamicsofmolecularrecognition•Theexperimentaldeterminationofprotein-proteincomplexstructuresremainsdifficult.蛋白质-蛋白质复合物空间结构预测预测活性区域解释实验现象阐明分子机制合理实验设计加速蛋白质结构与功能关系研究四大优点一、分子对接原理二、蛋白质复合物结构预测的意义三、蛋白质复合物结构预测的方法四、蛋白质复合物对接研究进展五、ZDOCK的原理与使用六、案例：蝎毒素-钾通道的对接WhatisProteinDocking?RLProteindockingisthecomputationaldeterminationofproteincomplexstructurefromindividualproteinstructures.LR蛋白质-蛋白质对接的一般流程一、分子对接原理二、蛋白质复合物结构预测的意义三、蛋白质复合物结构预测的方法四、蛋白质复合物对接研究进展五、ZDOCK的原理与使用六、案例：蝎毒素-钾通道的对接重点:蛋白质的柔性希望更多的人从事蛋白质对接方法的应用研究!一、分子对接原理二、蛋白质复合物结构预测的意义三、蛋白质复合物结构预测的方法四、蛋白质复合物对接研究进展五、ZDOCK的原理与使用六、案例：蝎毒素-钾通道的对接MainreferencesZDOCKRDOCKZDOCK的基本原理FastFourierTransformRLYCorrelationXIFFTFFTFFTSurfaceInteriorBindingSiteZDOCK的使用1.准备两个蛋白质的空间结构(PDB文件)2.人工删除PDB文件中所有氢原子的坐标（能否编个小程序自动删除？）NoHatoms3.分别对两个蛋白PDB文件进行处理命令格式：./mark_surPDBnew_PDB电荷半径面积ACE类型ACE:atomiccontactenergy4.蛋白质-蛋白质对接命令格式：./ZDOCK–Rreceptor.pdb–Lligand.pdb–odock.out5.蛋白质-蛋白质复合物结构命令格式：./create.pldock.out程序默认会产生2000个候选蛋白质-蛋白质复合物结构。./ZDOCK–Rreceptor.pdb–Lligand.pdb–odock.out–N1000（1000个结构）注意事项：所有PDB文件要与zdock、create.pl、dock.out等文件在同一个文件夹下。6.蛋白质-蛋白质对接的优化命令格式：./block.plprotein_s.pdbbk.txtprotein_sb.pdb2122232425编辑文件bk.txt残基编号氨基酸残基21-25不作为功能残基。文件格式的变化ZDOCKRDOCKCHARMM平台一、分子对接原理二、蛋白质复合物结构预测的意义三、蛋白质复合物结构预测的方法四、蛋白质复合物对接研究进展五、ZDOCK的原理与使用六、案例：蝎毒素-钾通道的对接InteractionbetweenScyTXandSKCa2channelTable:EffectofScyTxandmodifiedScyTxon125I-apaminand125I-[Tyr2]ScTXbindingtoratbrainmembranesandontaeniacoilcontractionsBiochem.,1992,31:648-654ExperimentallyBiologicalData问题：在蛋白质结构水平上是如何相互作用？第一步：蛋白质空间结构准备SpatialStructuresScyTx:1SCYSKCa2channel:直接下载(25个构象)结构模建第二步：结构-功能的分析His31Arg13Arg6Lys20,Lys25Lys30,Glu27BiologicalExperimentalData----ShownbyaFigure活性区域SKCa通道孔区附近带电荷残基的空间分布E334,R335,H337,D338,D341,D364???HowtoInteract?---1stScreening♦ZDOCK♦MDSimulationwithAMBER7♦AnalysisofClustering第三步：删除PDB中氢原子（手动）第四步.分别对两个蛋白PDB文件进行处理命令格式：./mark_surPDBnew_PDB第五步蛋白质-蛋白质对接的优化命令格式：./block.plprotein_s.pdbbk1.txtprotein_sb.pdbHis31Arg13Arg6Lys20,Lys25Lys30,Glu27bk1.txt262728残基编号一行一号第五步蛋白质-蛋白质对接的优化命令格式：./block.plprotein_s.pdbbk2.txtprotein_sb.pdb活性区域bk2.txt123…396397398残基编号一行一号第六步.蛋白质-蛋白质对接./ZDOCK–RSKCa2.pdb–Ltoxin.pdb–odock.out–N1000第七步蛋白质-蛋白质复合物结构命令格式：./create.pldock.out由于ZDOCK属于刚性对接程序，为改善对接效果，25个毒素构象均被用来进行对接，共产生25000个候选复合物结构第八步.1000个结构的平均结构的计算./suppose–mean*.pdb(当前目录下所有PDB文件）第九步.不同结构与平均结构的RMSD计算./suppose–mat–cmp–mean*.pdb(当前目录下所有PDB文件、所有原子的RMSD）聚类分析四种可能的键合模式分子动力学模拟第四章蛋白质-蛋白质复合物结构的预测及分析(二)一、蛋白质-蛋白质复合物结构稳定性的分子动力学模拟二、蛋白质-蛋白质相互作用的自由能三、计算机辅助丙氨酸扫描技术四、蛋白质-蛋白质相互识别的分子机制一、蛋白质-蛋白质复合物结构稳定性的分子动力学模拟1、分子动力学模拟的初步介绍2、AMBER软件简介3、蛋白质结构的稳定性模拟分子动力学分子动力学求解的是随时间变化的分子的状态、行为和过程。按照分子瞬时运动状态，求解每一个原子的牛顿运动方程和每一原子的位置和速度，并从这一运动轨迹中计算得到各种性质。牛顿分子动力学iiiiirmamF..==)(rVFii−∇=kkPprHr∂∂=•),(kkrprHp∂∂−=•),(iiikvmimpr==•……分子动力学模拟——硬件和软件主流软件：CHARMM,AMBER,GROMOSAMBER简介分子力场和力场参数ZTFVZpZTZSZElnlnlnlnln−=∂∂−=+∂∂−=∂−∂=ββββ生物大分子体系：量子统计力学无法求解薛定鄂方程配分函数力场函数：通过建立函数近似处理E:内能；S:熵；p:压强；F:自由能AMBER8forcefield调用力场xleap-fleaprc.ff94trx=loadpdbtrx.pdbbondtrx.35.SGtrx.32.SGsaveamberparmtrxtrx.toptrx.crdquittrx.top文件内容trx.crd文件内容SanderImportantinputfile能量最小化catmdinminimizestructure&cntrlimin=1,maxcyc=100,cut=300.0,igb=2,saltcon=0.2,gbsa=1,ntpr=10,ntx=1,ntb=0,&endkeepallatomsfrozen5.0RES1108ENDENDsander-O-imdin\-ctrx.crd-ptrx.top-reftrx.crd-otrx.min.out-rtrx.rsttrx.min.out文件内容平衡---分子动力学模拟&cntrlimin=0,ntc=2,ntf=2,cut=12.0,igb=2,saltcon=0.2,gbsa=1,ntpr=50,nstlim=5000,dt=0.002,ntt=1,tempi=0.0,temp0=300.0,tautp=1.0,n