蛋白質(zhì)靜電勢(shì)的量子化學(xué)計(jì)算

1、蛋白質(zhì)靜電勢(shì)的量子化學(xué)計(jì)算    2012-08-04     論文導(dǎo)讀:運(yùn)用分子碎片共軛帽基團(tuán)II方法進(jìn)行了多腫瘤抑制基因P16的靜電勢(shì)和電荷密度的全量子力學(xué)計(jì)算。 計(jì)算使用了Gaussian03程序包,在B3LYP/6-31G*水平上進(jìn)行,計(jì)算提供了P16基因106個(gè)格點(diǎn)上的靜電勢(shì)和電荷密度的量子力學(xué)結(jié)果。計(jì)算的成功對(duì)與P16有關(guān)的癌癥的抑制提供.    運(yùn)用分子碎片共軛帽基團(tuán)II方法進(jìn)行了多腫瘤抑制基因P16的靜電勢(shì)和電荷密度的全量子力學(xué)計(jì)算。計(jì)算使用了Gaussian

2、03程序包,在B3LYP/6-31G*水平上進(jìn)行,計(jì)算提供了P16基因106個(gè)格點(diǎn)上的靜電勢(shì)和電荷密度的量子力學(xué)結(jié)果。計(jì)算的成功對(duì)與P16有關(guān)的癌癥的抑制提供非常有用的指導(dǎo)。言生物大分子的許多物理化學(xué)性質(zhì),例如蛋白質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)以及溶劑效應(yīng)等都與它們的靜電勢(shì)和電荷密度密切相關(guān),因此蛋白質(zhì)電荷密度和靜電勢(shì)的全量子力學(xué)計(jì)算對(duì)計(jì)算生物物理和生物化學(xué)而言是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。過(guò)去二十幾年的時(shí)間里,許多科學(xué)工作者致力于發(fā)展一種有效的精確的方法來(lái)計(jì)算大系統(tǒng)的靜電勢(shì)和電荷密度。目前使用的主要方法有混合量子力學(xué)/分子力學(xué)方法(QM/MM)、線性標(biāo)度半經(jīng)驗(yàn)量子化學(xué)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(yīng)用到生物分子量子力學(xué)計(jì)算的一種有效方法是分子碎片共軛帽基團(tuán)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(dú)立碎片的尾端被罩上帽子。這些獨(dú)立的碎片被適當(dāng)?shù)靥幚韽亩ＷC截?cái)嗵幓瘜W(xué)鍵的性質(zhì)保持不變。蛋白質(zhì)的靜電勢(shì)和電荷密度可以由這些蛋白質(zhì)碎片的相應(yīng)物理量通過(guò)適當(dāng)?shù)慕M合得到。MFCCII方法在M

4、FCC方法的基礎(chǔ)上做了改進(jìn),MFCCII方法與分子的大小成線性標(biāo)度,這使得這種方法可以很容易地并且更有效地應(yīng)用于蛋白質(zhì)分子。這一方法對(duì)生物學(xué)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(guò)與CDK4的特異的結(jié)合來(lái)抑制該蛋白激活酶的活性,從而減慢細(xì)胞周期,抑制細(xì)胞增殖;當(dāng)P16蛋白不能正常表達(dá)時(shí),它不能競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合CDKs來(lái)阻止細(xì)胞分裂,此時(shí)細(xì)胞周期蛋白D (cyclin D)表達(dá)過(guò)度,這樣就導(dǎo)致細(xì)胞增生異常,分裂旺盛,從而引發(fā)腫瘤。研究證實(shí),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(biāo)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(lái)計(jì)算P16的靜電勢(shì)和電荷密度。理論和方法MFCCII方法首先用一個(gè)兩體體系來(lái)說(shuō)明這一方法。假設(shè)一個(gè)體系由A和B兩個(gè)部分組成,記為A-B,在此系統(tǒng)中引入一成對(duì)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(gè)子系統(tǒng)組成。共軛帽中的C部分忠實(shí)地代表B對(duì)A部分分子軌道的影響, C*部分忠實(shí)地代表A對(duì)B部分分子軌道的影響。系統(tǒng)整體的靜電勢(shì)可以由下列關(guān)系式來(lái)表達(dá): A和B分別為戴帽子的片段A(A-C)和B(C*-B)的

6、靜電勢(shì),cc是共軛帽(C*-C)的靜電勢(shì)。方程(1)可以很容易地推廣到聚合體,例如:含有N個(gè)碎片的蛋白質(zhì)體系它的靜電勢(shì)由下式給出:以上兩個(gè)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(lái)提高M(jìn)FCC方法數(shù)字計(jì)算的精確度,對(duì)MFCCII方法而言,校正后的靜電勢(shì)由下式給出:原始結(jié)構(gòu)P16是一個(gè)包含146個(gè)氨基酸和2393個(gè)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(gè)C-N化學(xué)鍵處斷開,插入一個(gè)共軛帽分子CH2R1CO-NHCH2R2,其中R1和R2是兩個(gè)相鄰氨基酸的邊鏈,以此來(lái)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(lái)自蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)(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(kù)中的文件缺少氫原子,因此,我們應(yīng)用Amber9. 011程序包中一個(gè)重要程序"leap"來(lái)添加,由"leap"程序添加的氫原子的位置有時(shí)是不正確的,我們使用Amber9. 0程序包中另一個(gè)重要程序"sander"來(lái)做動(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)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(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算中

8、選擇了一個(gè)長(zhǎng)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(gè)計(jì)算格點(diǎn),即將盒子分成100×100×100個(gè)格點(diǎn),沿X、Y、Z軸的步長(zhǎng)分別為0. 61、0. 49、0. 41 ,我們首先計(jì)算了每一個(gè)碎片和共軛帽分子的靜電勢(shì)和電荷密度,接著應(yīng)用方程(3)和(4)來(lái)得到整個(gè)蛋白質(zhì)的靜電勢(shì)和電荷密度。結(jié)果和討論計(jì)算得到了106個(gè)格點(diǎn)上的靜電勢(shì)和電荷密度,我們分別用4組三維等靜電勢(shì)圖和等電荷密度圖來(lái)形象表示靜電勢(shì)和電荷密度在空間的分布。P16的靜電勢(shì)如圖3所示。注:灰色代表正的靜電勢(shì),黑色代表負(fù)的靜電勢(shì)

9、圖3P16靜電勢(shì)等勢(shì)面圖P16的靜電勢(shì)圖與其分子的物理化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān),可以提供分子靜電性質(zhì)的準(zhǔn)確、客觀和直觀的圖象。靜電勢(shì)圖中不同的顏色分別代表正負(fù)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(yīng),而黑色代表的靜電能負(fù)值區(qū)域易發(fā)生親核型進(jìn)攻;同時(shí)不同靜電勢(shì)能數(shù)值大小反映出它們反應(yīng)活性的差異,靜電勢(shì)能絕對(duì)值越大,反應(yīng)活性越強(qiáng);通過(guò)比較分子的負(fù)電勢(shì)能區(qū)域,可以判斷生物化學(xué)反應(yīng)可能的活性中心,并可以對(duì)親電進(jìn)攻的反應(yīng)性作出預(yù)測(cè),它為藥物-受體相互作用機(jī)制的探討、酶活性部位的分析等,提供一個(gè)非常有用的工具,在藥物分子、生物大分子的計(jì)算中有著廣泛的應(yīng)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(jiǎn)潔生動(dòng),可以準(zhǔn)確描繪其分子中原子的位置和分子的尺寸,對(duì)分子微觀結(jié)構(gòu)的分析和理解具有重要作用;同時(shí)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(jì)算了多腫瘤抑制基因蛋白P16的靜電勢(shì)和電荷密度,這種方法不同于以往的方法,對(duì)涉及生物大分子體系的兩個(gè)基本物理量進(jìn)行了全量子力學(xué)計(jì)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