蛋白質(zhì)靜電勢的量子化學計算

1、蛋白質(zhì)靜電勢的量子化學計算    2012-08-04     論文導讀:運用分子碎片共軛帽基團II方法進行了多腫瘤抑制基因P16的靜電勢和電荷密度的全量子力學計算。 計算使用了Gaussian03程序包,在B3LYP/6-31G*水平上進行,計算提供了P16基因106個格點上的靜電勢和電荷密度的量子力學結(jié)果。計算的成功對與P16有關(guān)的癌癥的抑制提供.    運用分子碎片共軛帽基團II方法進行了多腫瘤抑制基因P16的靜電勢和電荷密度的全量子力學計算。計算使用了Gaussian

2、03程序包,在B3LYP/6-31G*水平上進行,計算提供了P16基因106個格點上的靜電勢和電荷密度的量子力學結(jié)果。計算的成功對與P16有關(guān)的癌癥的抑制提供非常有用的指導。言生物大分子的許多物理化學性質(zhì),例如蛋白質(zhì)的化學結(jié)構(gòu)、動力學性質(zhì)以及溶劑效應等都與它們的靜電勢和電荷密度密切相關(guān),因此蛋白質(zhì)電荷密度和靜電勢的全量子力學計算對計算生物物理和生物化學而言是一個巨大的挑戰(zhàn)。過去二十幾年的時間里,許多科學工作者致力于發(fā)展一種有效的精確的方法來計算大系統(tǒng)的靜電勢和電荷密度。目前使用的主要方法有混合量子力學/分子力學方法(QM/MM)、線性標度半經(jīng)驗量子化學方法( linear-scalingsem

3、iemirical quantum chemistry)和碎片分子軌道(fragmentmolecular orbitalmethod, FMO)方法等。盡管這些方法在許多方面取得了成功,但仍然存在局限性。最近應用到生物分子量子力學計算的一種有效方法是分子碎片共軛帽基團方法(molecular fraction-ationwith conjugate caps,MFCC),這一方法中蛋白質(zhì)被分解成氨基酸碎片,這些獨立碎片的尾端被罩上帽子。這些獨立的碎片被適當?shù)靥幚韽亩ＷC截斷處化學鍵的性質(zhì)保持不變。蛋白質(zhì)的靜電勢和電荷密度可以由這些蛋白質(zhì)碎片的相應物理量通過適當?shù)慕M合得到。MFCCII方法在M

4、FCC方法的基礎(chǔ)上做了改進,MFCCII方法與分子的大小成線性標度,這使得這種方法可以很容易地并且更有效地應用于蛋白質(zhì)分子。這一方法對生物學的許多領(lǐng)域,例如藥物開發(fā)方面,產(chǎn)生了很大的影響。P16蛋白是一種周期蛋白依賴激酶(cyclin-de-pendentkinase,CDK)抑制劑,它通過與CDK4的特異的結(jié)合來抑制該蛋白激活酶的活性,從而減慢細胞周期,抑制細胞增殖;當P16蛋白不能正常表達時,它不能競爭結(jié)合CDKs來阻止細胞分裂,此時細胞周期蛋白D (cyclin D)表達過度,這樣就導致細胞增生異常,分裂旺盛,從而引發(fā)腫瘤。研究證實,P16是胃癌、膽囊惡性腫瘤、乳腺癌等癌癥鑒別診斷的重要

5、指標之一。并且P16分子量較小,可以很容易地用于基因診斷和治療。因此, P16在腫瘤的臨床治療方面發(fā)揮著重要并且關(guān)鍵的作用。本文用MFCCII方法來計算P16的靜電勢和電荷密度。理論和方法MFCCII方法首先用一個兩體體系來說明這一方法。假設一個體系由A和B兩個部分組成,記為A-B,在此系統(tǒng)中引入一成對分子C*-C,稱為共軛帽分子,則A-B系統(tǒng)可以看作A-C、C*-B和共軛帽分子C*-C三個子系統(tǒng)組成。共軛帽中的C部分忠實地代表B對A部分分子軌道的影響, C*部分忠實地代表A對B部分分子軌道的影響。系統(tǒng)整體的靜電勢可以由下列關(guān)系式來表達: A和B分別為戴帽子的片段A(A-C)和B(C*-B)的

6、靜電勢,cc是共軛帽(C*-C)的靜電勢。方程(1)可以很容易地推廣到聚合體,例如:含有N個碎片的蛋白質(zhì)體系它的靜電勢由下式給出:以上兩個方程為MFCC方法的基本方程,在此基礎(chǔ)上,MFCCII方法給出了一些校正來提高MFCC方法數(shù)字計算的精確度,對MFCCII方法而言,校正后的靜電勢由下式給出:原始結(jié)構(gòu)P16是一個包含146個氨基酸和2393個原子的蛋白質(zhì)。其氨基酸序列是MET-ALA-LYS-LYSSER。在我們的研究中,將此鏈在每一個C-N化學鍵處斷開,插入一個共軛帽分子CH2R1CO-NHCH2R2,其中R1和R2是兩個相鄰氨基酸的邊鏈,以此來構(gòu)成帶帽子的氨基酸碎片。共軛帽分子如圖1所示

7、。圖1共軛帽分子圖沿P16鏈切開的位置如圖2所示。圖2沿P16鏈斷開的位置(虛豎線)P16的原始輸入文件來自蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(PDBID 1Z8S),這是關(guān)于P16最新的結(jié)構(gòu)文件。由于蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中的文件缺少氫原子,因此,我們應用Amber9. 011程序包中一個重要程序"leap"來添加,由"leap"程序添加的氫原子的位置有時是不正確的,我們使用Amber9. 0程序包中另一個重要程序"sander"來做動力學模擬進行校正。為了取得精確度和效率的平衡,我們用Gaussi-an03程序包在B3LYP/6-31G*水平上進行了計算,計算中

8、選擇了一個長方體盒子模型,這一盒子的X、Y、Z軸的中心分別位于-2. 206、3. 278、1. 585 處,沿空間X、Y、Z方向各取100個計算格點,即將盒子分成100×100×100個格點,沿X、Y、Z軸的步長分別為0. 61、0. 49、0. 41 ,我們首先計算了每一個碎片和共軛帽分子的靜電勢和電荷密度,接著應用方程(3)和(4)來得到整個蛋白質(zhì)的靜電勢和電荷密度。結(jié)果和討論計算得到了106個格點上的靜電勢和電荷密度,我們分別用4組三維等靜電勢圖和等電荷密度圖來形象表示靜電勢和電荷密度在空間的分布。P16的靜電勢如圖3所示。注:灰色代表正的靜電勢,黑色代表負的靜電勢

9、圖3P16靜電勢等勢面圖P16的靜電勢圖與其分子的物理化學性質(zhì)密切相關(guān),可以提供分子靜電性質(zhì)的準確、客觀和直觀的圖象。靜電勢圖中不同的顏色分別代表正負不同的靜電能,灰色代表的靜電能正值區(qū)域易發(fā)生親電型反應,而黑色代表的靜電能負值區(qū)域易發(fā)生親核型進攻;同時不同靜電勢能數(shù)值大小反映出它們反應活性的差異,靜電勢能絕對值越大,反應活性越強;通過比較分子的負電勢能區(qū)域,可以判斷生物化學反應可能的活性中心,并可以對親電進攻的反應性作出預測,它為藥物-受體相互作用機制的探討、酶活性部位的分析等,提供一個非常有用的工具,在藥物分子、生物大分子的計算中有著廣泛的應用。圖4P16電荷密度等密度圖的電荷等密度圖較為全面給出了原子周圍電子分布的情況,即形象直觀又簡潔生動,可以準確描繪其分子中原子的位置和分子的尺寸,對分子微觀結(jié)構(gòu)的分析和理解具有重要作用;同時不同原子單位的電荷等密度圖還反映了分子結(jié)構(gòu)的不同信息。圖4中的a和b圖是較低閾值的等密度圖,它們反映了分子的外貌和表面性質(zhì),而c和d圖是較高閾值的等密度圖,它們反映了分子框架和成鍵的性質(zhì)。結(jié)論本文我們基于MFCCII方法計算了多腫瘤抑制基因蛋白P16的靜電勢和電荷密度,這種方法不同于以往的方法,對涉及生物大分子體系的兩個基本物理量進行了全量子力學計算,因而有更高的精確度。在這一方法中,P16被分成許多小碎片,并被罩上合適的帽子,體系總