丙氨酸飽和多肽鏈折疊的分子動力學模擬

摘要：根據丙氨酸飽和多肽鏈的分子結構，定義了兩種不同的剛體結構，然后基于剛體動力學模型采用AMBER和AMOEBAPRO兩種力場對丙氨酸飽和多肽鏈的折疊進行分子模擬，并將結果同全原子模擬做了比較. 研究結果表明利用剛體動力學模型研究丙氨酸飽和多肽鏈的折疊不僅與剛體結構的劃分有關，還依賴于對力場的選擇。

關鍵詞：剛體動力學模型 丙氨酸飽和多肽鏈 蛋白質折疊 分子力場 分子模擬

蛋白質是生命體系中常見的復雜凝聚體，它不僅是構成自然界豐富物質形態的基石，還擔負著調節控制生命過程的任務，因此對蛋白質的結構預測是后基因組時代現代生物學研究的核心問題，具有極其重要的理論價值和應用價值。目前廣泛采用測定蛋白質結構的實驗方法有X射線衍射和核磁共振，但這些方法都有一定的局限性。在這種情況下，計算機模擬已經被廣泛用于研究生物系統的結構及運動狀態，如在應用于研究蛋白質折疊方面已經取得了大量的成果。但目前人們感興趣的許多生物現象都發生在毫秒甚至更長的時間內，而對某些較大生物體系的全原子模擬卻難于實現. 為了克服這一缺陷，許多方法被應用到分子動力學模擬中，如各種粗粒化模型等。粗粒化模擬固然能使計算速度較大提高，但卻失去了全原子模擬的計算精度，為了在計算速度和精度間達到合理的平衡，許多方法如剛體動力學模型被應用。剛體動力學模型的主要特點有：(1) 通過降低計算模擬的自由度和凍結高頻振動來提高計算速度；(2) 對剛體受力的計算是通過對組成原子受力的矢量運算完成，一定程度上保證了計算精度。

在對蛋白質折疊的分子模擬中，一般認為不易形成折疊結構的主要原因與力場的選擇或模擬時間有關，為此本文將剛體動力學模型應用于研究力場因素對蛋白質多肽體系在形成 螺旋結構過程中的影響，由于丙氨酸飽和多肽鏈具有很高的螺旋性質，并且在理解蛋白質結構方面起著非常重要的作用，所以它被廣泛的研究。本文選用的研究對象是17個丙氨酸的飽和多肽鏈. 它的N端和C端分別由兩個甲基(CH3)飽和。

1.模型和方法

1. 1 剛體動力學模型

本文把丙氨酸飽和多肽鏈劃分為兩種不同的多體（剛體，即原子集合）系統，這里以三個丙氨酸的飽和多肽鏈為例來說明這兩種剛體結構，如圖1所示. 圖中所有的肽平面和側鏈都被定義成為剛體，剛體間由化學鍵鏈接. 需要強調的是在結構I中，丙氨酸飽和多肽鏈末端的兩個甲基被單獨定義成為剛體，這是結構I和結構II間的唯一區別。

1. 2 模擬方法

本文中，筆者用TINKER軟件包進行了相關的分子動力學模擬.為了研究丙氨酸飽和多肽鏈折疊分子動力學模擬對力場的依賴性，本文采用了AMBER[11]和AMOEBAPRO[12]兩種力場。

1. 2. 1全原子模擬

17個丙氨酸的飽和多肽鏈的初始狀態是由TINKER生成的直鏈結構. 在隱性水條件下，采用全原子模型進行分子動力學模擬，分子動力學模擬在NVT系統下運行，溫度恒定為298K，考慮到模擬體系的尺寸，體系的預平衡時間為50ns，而本文進行分子動力學模擬的時間為200ns，在全原子模擬中，時間步長取為1fs，坐標文件每1ps保存一次。

圖1 兩種劃分丙氨酸飽和多肽鏈（以三個殘基為例）的結構示意圖. 剛體結構I中共有7個剛體，分別用“body + 1…7”表示，剛體結構II中有5個剛體，分別用“BODY + I…V”表示。

1. 2. 2剛體動力學模擬

為了執行剛體動力學模擬，在TINKER輸入文件中，筆者首先根據兩種劃分方式定義了不同的剛體結構，17個丙氨酸的飽和多肽鏈的結構I由37個剛體組成，而結構II則由35個剛體組成，這兩種剛體系統都能形成鏈狀的拓撲結構，為了與全原子模擬結果相比較，剛體動力學模擬同樣選定在NVT系綜下運行，溫度恒定為298K，模擬時間同樣取200ns，坐標文件每1ps保存一次，唯一的不同是剛體動力學模擬所采用的時間步長為2fs。

2.結果與討論

研究分子動力學模擬效率的一個常用量是計算相對于參考結構的均方根偏差(RMSD)。本文僅計算了丙氨酸飽和多肽鏈中所有重原子（即不考慮氫原子）相對于參考結構隨時間變化的均方根偏差，17個丙氨酸的飽和多肽鏈的標準 螺旋結構由SYBYL8.1生成，本文對所有丙氨酸飽和多肽鏈的模擬軌跡都與參考結構進行了比較研究。

首先筆者在表1中給出了針對17個丙氨酸飽和多肽鏈的所有分子動力學模擬軌跡的最小均方根偏差的值. 通過對分子動力學模擬軌跡均方根偏差的分析，我們發現在結構I的剛體動力學模擬中，在兩種力場下都沒有形成 螺旋結構. 而在結構II的剛體動力學模擬中，采用AMBER力場形成了螺旋結構，且在AMOEBAPRO力場中則沒有形成的螺旋結構。

基于結構II的剛體動力學模擬在50ns內就形成了穩定的折疊結構，相對于17個丙氨酸的飽和多肽鏈的參考結構，結構II的剛體動力學模擬得到了最小的均方根偏差值，而結構I的剛體動力學模擬卻得到了較大的均方根偏差值，需要特別指出的是這種現象只出現在AMBER力場中，對此筆者認為由于丙氨酸多肽鏈的末端是用兩個甲基飽和的，在剛體結構I中，末端的甲基被單獨定義為剛體，所以系統末端的運動相對靈活。筆者認為這也就是在AMBER力場中結構I的剛體動力學模擬不能得到折疊狀態的重要原因。

極化力場是可以更精確研究化學過程的新一代力場，為了測試剛體動力學模型在極化力場中對丙氨酸飽和多肽鏈的 折疊的分子模擬，本文選用了AMOEBAPRO力場來研究。圖2(b)給出了在AMOEBAPRO力場下，無論用全原子模擬還是用剛體動力學模擬，17個丙氨酸飽和多肽鏈在200ns內都不能形成螺旋結構。筆者認為這是由于AMOEBAPRO力場精細地計算分子體系內部原子間的相互作用，若想在基于剛體動力學模型的模擬中觀察到螺旋結構需要進行較長時間的分子模擬。

結論

本文基于剛體動力學模型選用了2種力場對17個丙氨酸飽和多肽鏈的折疊過程做了分子模擬，并將結果同全原子模擬進行了比較。研究結果表明用剛體動力學模型對丙氨酸飽和多肽鏈折疊的分子動力學模擬依賴于對力場的選擇，在AMBER力場中，剛體動力學模擬的結果要好于全原子模擬，需要注意的是在不同的力場中，不同剛體結構的定義也會對丙氨酸飽和多肽鏈的折疊產生影響。對剛體動力學模擬而言，AMBER力場是在兩端的甲基沒有被單獨定義為剛體結構的情況下，研究丙氨酸飽和多肽鏈折疊選用的最好力場。在AMORBAPRO力場下的剛體動力學模擬中沒有觀察到 螺旋結構的主要原因是力場自身特點的不同及模擬時間不夠，最后需要指出的是在本文中筆者僅討論力場及不同剛體結構的定義對研究蛋白質多肽體系折疊的影響，但對較大蛋白體系的研究有待于以后開展大量的研究。

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作者簡介：

王春樺（1986- ），女，吉林白山人，碩士研究生，遼寧師范大學物理與電子技術學院。