CN109903818B - 基于恒定pH分子动力学模拟的蛋白质质子化状态确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于分子动力学领域，具体涉及一种基于恒定pH分子动力学模拟的蛋白质质子化状态确定方法，计算参考化合物的ΔGelec,ref；根据模拟目标pH值设置合理的初始质子化状态；进行恒定pH的分子动力学模拟，限制蛋白质主链原子的位置；将质子化状态比例大于99%或者小于1%的氨基酸残基设置为不滴定，其它氨基酸残基滴定，进行常规恒定pH分子动力学模拟，将质子化状态比例大于90%或者小于10%的氨基酸残基设置为不滴定，其它氨基酸残基滴定，分别在pH‑0.5、pH‑0.2、pH、pH+0.2、pH+0.5的条件下进行恒定pH的分子动力学模拟；拟合Hill方程得出最终pKa；质子化状态可由pKa确定。本发明经过多个环节循序确定质子化状态，更快收敛，结果更准确。

Description

基于恒定pH分子动力学模拟的蛋白质质子化状态确定方法
技术领域
本发明属于分子动力学领域，具体涉及一种基于恒定pH分子动力学模拟的蛋白质质子化状态确定方法。
背景技术
分子动力学(MD)模拟是生物分子领域用来研究蛋白质的结构和功能的重要工具之一。对于生物体中的蛋白质，其结构和功能强烈依赖于其所处的pH环境。这种依赖主要是由可滴定氨基酸的主要质子化状态随着pH变化发生改变（主要是酸性和碱性氨基酸的侧链）引起的。这些残基的质子化状态对于蛋白体系的稳定性，蛋白体系与周围环境的相互作用，以及依赖于特定质子化状态的酸碱催化或者亲核反应的催化机制都有着深远影响。
目前确定质子化状态主要有基于经验的方法比如H++或者PROPKA，和基于动力学模拟的方法，比如恒定pH的分子动力学模拟。前者快速但是相对准确性较低，后者准确性相对较高但是较耗时。
恒定pH的分子动力学模拟在常规分子动力学模拟的基础上加入蒙特卡洛采样（MC），实现了从一套固定质子化状态的MD对构象和动量采样，结合贯穿整个MD过程中对固定构象使用MC对质子化状态进行采样。在MC采样这一步，随机选择一个滴定残基和它的新的质子化状态，这一质子化或者去质子化过程的转变自由能根据如下公式计算得到：
Figure 484646DEST_PATH_IMAGE002
其中kB是玻尔兹曼常数，T 是温度，pH 是指定的溶液 pH，pKa,ref是合适的参考化合物的pKa，ΔGelec是蛋白中滴定基团计算的自由能的静电项，ΔGelec,ref是参考化合物质子化状态转变自由能的静电项。这里引入一个已知pKa的参考化合物来计算。
由于在实际应用过程中，蛋白质中某些残基的瞬时pKa与其构象有着高度的相关性，二者相互影响。常规恒定pH方法模拟中蛋白质构象波动范围比常规MD大，因此模拟中会出现蛋白质局限在错误的质子化状态和相对高能的构象中的现象。
发明内容
为了更好地控制模拟的发展方向和提高结果的准确性，本发明提出了一套基于AMBER中的离散的恒定pH的分子动力学模拟方法来准确确定蛋白中质子化状态的流程方法。
具体技术方案为：
基于恒定pH分子动力学模拟的蛋白质质子化状态确定方法，包括以下步骤：
（1）计算参考化合物的ΔGelec,ref
AMBER定义了蛋白质中几种常见氨基酸残基参考化合物，如果模拟体系中有未定义的，需自行定义。
使用热力学积分方法计算参考化合物在GB溶剂化模型中可能质子化状态相互转变的自由能ΔG，则初步的ΔGelec,ref由ΔG-pKaRTln10给出；
为了给出一个较准确的ΔGelec,ref，需要对其进行校正：根据Henderson–Hasselbalch (HH)方程，在pH等于pKa时，质子化比例与去质子化比例相等。进行一个简单的常规CpHMD模拟，模拟参数设置应该与后面模拟尽量一致。设置模拟pH为参考化合物pKa,根据推导校正公式为ΔGelec,ref（校正后）=ΔGelec,ref（校正前）-lnK, 其中K为模拟中去质子化状态与质子化状态的比例：使用校正后的ΔGelec,ref对参考化合物在pH为pKa条件下模拟，其质子化状态与去质子化状态比例应该为1:1，否则需继续校正。
若参考化合物有多种质子化状态则需定义每种可能的质子化状态转变及其对应的ΔGelec,ref。
（2）根据模拟目标pH值设置合理的初始质子化状态。在目标pH值下限制蛋白中所有重原子的位置，进行一定时间的恒定pH的分子动力学模拟，统计模拟中所有可滴定氨基酸的质子化状态比例，将优势的质子化状态作为下一步初始的质子化状态。
（3）进行一定时间常规的恒定pH的分子动力学模拟,限制蛋白质主链原子的位置。统计模拟中所有滴定氨基酸的质子化状态比例，将质子化状态比例大于99%或者小于1%的氨基酸残基设置为不滴定，其质子化状态设置为占比多的质子化转改，其它氨基酸残基滴定，作为下一步的初始质子化状态。
（4）进行一定时间的常规恒定pH分子动力学模拟。统计模拟中所有滴定氨基酸的质子化状态比例，将质子化状态比例大于90%或者小于10%的氨基酸残基设置为不滴定，其它氨基酸残基滴定，作为下一步的初始质子化状态。
（5）分别在pH-0.5、 pH-0.2、 pH、 pH+0.2、pH+0.5的条件下进行恒定pH的分子动力学模拟。统计模拟中所有滴定氨基酸的随pH变化的质子化状态比例，拟合Hill方程得出最终pKa。质子化状态可由pKa确定。
本发明提供的基于恒定pH分子动力学模拟的蛋白质质子化状态确定方法，具有以下技术优势：
（1）给出了计算参考化合物ΔGelec,ref的校正方法。
（2）对于蛋白质中含有可滴定氨基酸较多的情况，常规恒定pH的分子动力学模拟方法非常耗时，收敛较慢。该方法经过多个环节循序确定质子化状态，后面滴定的氨基酸越来越少，计算耗时越来越短，相对更快收敛。
（3）确定质子化状态的氨基酸越来越多，滴定的氨基酸越来越少，结果更准确。
具体实施方式
结合实施例说明本发明的具体技术方案。
由于蛋白质中氨基酸的质子化状态很难通过实验测定，下面通过对比文献中其它研究的结果来说明其益处。
神经毒剂沙林与乙酰胆碱酯酶共价结合的复合物与小分子解毒剂HI6结合结构，其PDB编号为2WHP。已有大量文献对该结构进行研究，目的为了阐明HI6解毒的机理以及设计更高效的解毒剂。该蛋白质结构共含有548个氨基酸，模拟中滴定的氨基酸有天冬氨酸、谷氨酸、组氨酸、赖氨酸、酪氨酸。最近的一篇文献（Driant, T.; Nachon, F.; Ollivier,C.; Renard, P. Y.; Derat, E., On the Influence of the Protonation States ofActive Site Residues on AChE Reactivation: A QM/MM Approach. Chembiochem 2017,18 (7), 666-675.）指出解毒反应依赖于质子化的谷氨酸202，以及组氨酸447，而肟类解毒剂应为去质子化。在目标pH值为7的条件下，本实施例使用常规恒定pH的分子动力学模拟无法模拟出文中的质子化状态，而使用改进的恒定pH的分子动力学模拟流程得到了与文献一致的结果。
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE003
上表1中method 1是常规恒定pH分子动力学模拟的结果，method 2是本发明的流程。其它未在上表中显示的可滴定氨基酸均为常规质子化状态，即酸性氨基酸为去质子化，碱性氨基酸为质子化。可以看到method 2的pKa计算更接近于文献中报道的质子化状态。

Claims (2)

1.基于恒定pH分子动力学模拟的蛋白质质子化状态确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）计算参考化合物的ΔGelec,ref；使用热力学积分方法计算参考化合物在GB溶剂化模型中可能质子化状态相互转变的自由能ΔG，则初步的ΔGelec,ref由ΔG-pKaRTln10给出；
若参考化合物有多种质子化状态则需定义每种可能的质子化状态转变及其对应的ΔGelec,ref；
（2）根据模拟目标pH值设置合理的初始质子化状态；在目标pH值下限制蛋白质中所有重原子的位置，进行一定时间的恒定pH的分子动力学模拟，统计模拟中所有可滴定氨基酸的质子化状态比例，将优势的质子化状态作为下一步初始的质子化状态；
（3）进行一定时间常规的恒定pH的分子动力学模拟，限制蛋白质主链原子的位置；统计模拟中所有滴定氨基酸的质子化状态比例，将质子化状态比例大于99%或者小于1%的氨基酸残基设置为不滴定，其质子化状态设置为占比多的质子化转改，其它氨基酸残基滴定，作为下一步的初始质子化状态；
（4）进行一定时间常规的恒定pH的分子动力学模拟；统计模拟中所有滴定氨基酸的质子化状态比例，将质子化状态比例大于90%或者小于10%的氨基酸残基设置为不滴定，其它氨基酸残基滴定，作为下一步的初始质子化状态；
（5）分别在pH-0.5、pH-0.2、pH、 pH+0.2、pH+0.5的条件下进行恒定pH的分子动力学模拟；统计模拟中所有滴定氨基酸的随pH变化的质子化状态比例，拟合Hill方程得出最终pKa；质子化状态可由pKa确定。
2.根据权利要求1所述的基于恒定pH分子动力学模拟的蛋白质质子化状态确定方法，其特征在于，所述的步骤（1）中的ΔGelec,ref进行校正：根据Henderson–Hasselbalch方程，在pH等于pKa时，质子化比例与去质子化比例相等；进行常规CpHMD模拟，模拟参数设置与后面模拟尽量一致；设置模拟pH为参考化合物pKa,根据推导校正公式为：
ΔGelec,ref（校正后）=ΔGelec,ref（校正前）-lnK；
其中K为模拟中去质子化状态与质子化状态的比例；
使用校正后的ΔGelec,ref对参考化合物在pH为pKa条件下模拟，其质子化状态与去质子化状态比例为1:1，否则需继续校正。
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