【2.5.1.3】计算蛋白-配体的结合自由能

计算蛋白质-配体复合物(雌激素受体和雷洛昔芬)的结合自由能。

建立起始结构并运行模拟以获得平衡的系统。

我们将在此模拟中建模的系统是雌激素受体蛋白质和雷洛昔芬配体之间的蛋白质-配体复合物。 这是该组合系统的预先准备的pdb文件。

Estrogen_Receptor-Raloxifene.pdb

该结构包含雌激素受体蛋白以及称为Raloxifene的配体,该配体先前已与该蛋白对接,如下图所示:

该系统的构建方式与第1节 中的Ras-Raf系统类似。有关如何构建起始结构和运行模拟以获得平衡系统的说明,请参阅第1节第2节。请注意,您还必须使用前获取雷洛昔芬的正确参数。有关详细说明,请参见Sustiva教程(基本4)

MD模拟中使用MMPBSA.py计算结合自由能的重要文件是拓扑文件和mdcrd文件(Est_Rec_top_mdcrd.tgz

计算雌激素受体和雷洛昔芬的结合自由能

现在,我们将计算复合物,受体和配体的相互作用能和溶剂化自由能,并对结果求平均值,以获得结合自由能的估计值。请注意,在本教程的这一部分中,我们将不会计算熵对绑定的贡献,因此严格来说,我们的结果将不是真正的自由能,但可用于与类似系统进行比较。请参见第3.5节中的示例,该示例使用正态模式分析(Nmode)计算系统的熵贡献,或取消注释常规部分中的最后一行以使用AMBER中的ptraj模块执行准谐波熵计算。

为了进行比较,我们将同时使用MM-GBSA方法和MM-PBSA方法进行结合能计算。这是通过以下MMPBSA.py输入文件完成的:

mmpbsa.in

Input file for running PB and GB
&general
   endframe=50, keep_files=2,
/
&gb
  igb=2, saltcon=0.100,
/
&pb
  istrng=0.100,
/

MMPBSA.py的输入文件被设计为类似于AMBER的sander模块中使用的mdin文件的设置。 每个名称列表的开头均以&符号表示,后跟名称列表的名称。 此外,反斜杠(/)或’&end’可用于结束名称列表。 有关所有变量的完整列表,请参见琥珀色手册。 该输入文件分为三个名称列表:general,pb和gb。 通用名称列表旨在指定并非特定于计算的特定部分而是特定于所有部分的变量。 在这种设置中,雌激素受体是受体,雷洛昔芬是配体。 ‘endframe’变量设置了mdcrd的停止帧。 “&gb”和“&pb”名称列表的存在使脚本知道使用给定的输入值执行MM-GBSA和MM-PBSA计算。

$AMBERHOME/bin/MMPBSA.py -O -i mmpbsa.in -o FINAL_RESULTS_MMPBSA.dat -sp 1err.solvated.prmtop -cp complex.prmtop -rp receptor.prmtop -lp ligand.prmtop -y *.mdcrd

这将以交互方式运行脚本,并将计算进度打印到STDOUT,并将任何错误或警告打印到STDERR。最后,一旦计算完成,将打印计时,显示计算的每个步骤所花费的时间。

命令行参数可以使用shell识别的通配符(例如:*和? 适用于bash)。例如,命令行上的’-y * .mdcrd’告诉脚本读取工作目录中所有以’.mdcrd’结尾的文件,并将它们用作要分析的轨迹。

对于“ keep_files = 2”,以下是所有输出文件:pb_gb_output2.tgz

该脚本使用ptraj创建三个未溶剂化的mdcrd文件(复合物,受体和配体),这是在GB和PB计算期间分析的坐标。 * .mdout文件包含所有指定帧的能量。创建平均结构的PDB文件(通过RMS)对齐所有快照,以准备使用ptraj进行准谐波熵计算(如果需要)。 MMPBSA.py创建的所有文件都应以“ _MMPBSA_”开头,但最终输出文件除外。 FINAL_RESULTS_MMPBSA.dat

| Run on Thu Feb 11 12:44:26 EST 2010

|Input file:
|--------------------------------------------------------------
|Input file for running PB and GB
|&general
|   endframe=50, keep_files=2,
|/
|&gb
|  igb=2, saltcon=0.100,
|/
|&pb
|  istrng=0.100, 
|/
|--------------------------------------------------------------
|Solvated complex topology file:  1err.solvated.prmtop
|Complex topology file:           complex.prmtop
|Receptor topology file:          receptor.prmtop
|Ligand topology file:            ligand.prmtop
|Initial mdcrd(s):                1err_prod.mdcrd
|
|Best guess for receptor mask:   ":1-240"
|Best guess for  ligand  mask:   ":241"
|Ligand residue name is "RAL"
|
|Calculations performed using 50 frames.
|Poisson Boltzmann calculations performed using internal PBSA solver in sander.
|
|All units are reported in kcal/mole.
-------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------

GENERALIZED BORN:

Complex:
Energy Component            Average              Std. Dev.   Std. Err. of Mean
-------------------------------------------------------------------------------
VDWAALS                  -2013.3801               20.3021              2.8712
EEL                     -16938.6450               85.7631             12.1287
EGB                      -3507.0086               67.7839              9.5861
ESURF                       97.5448                1.3301              0.1881

G gas                   -18952.0251               88.1333             12.4639
G solv                   -3409.4639               67.7969              9.5879

TOTAL                   -22361.4889               47.1982              6.6748


Receptor:
Energy Component            Average              Std. Dev.   Std. Err. of Mean
-------------------------------------------------------------------------------
VDWAALS                  -1955.2272               19.2311              2.7197
EEL                     -16895.0354               85.5797             12.1028
EGB                      -3528.7276               68.3585              9.6673
ESURF                      101.2613                1.3071              0.1849


G gas                   -18850.2626               87.7138             12.4046
G solv                   -3427.4663               68.3710              9.6691

TOTAL                   -22277.7288               48.1057              6.8032


Ligand:
Energy Component            Average              Std. Dev.   Std. Err. of Mean
-------------------------------------------------------------------------------
VDWAALS                     -1.8595                2.0516              0.2901
EEL                         -5.5796                2.0333              0.2876
EGB                        -28.4863                0.6040              0.0854
ESURF                        4.4326                0.0462              0.0065


G gas                       -7.4391                2.8885              0.4085
G solv                     -24.0538                0.6058              0.0857

TOTAL                      -31.4929                5.0748              0.7177


Differences (Complex - Receptor - Ligand):
Energy Component            Average              Std. Dev.   Std. Err. of Mean
-------------------------------------------------------------------------------
VDWAALS                    -56.2934                2.9265              0.4139
EEL                        -38.0300                3.2114              0.4542
EGB                         50.2053                2.5869              0.3658
ESURF                       -8.1491                0.2589              0.0366


DELTA G gas                -94.3234                4.3449              0.6145
DELTA G solv                42.0562                2.5999              0.3677


 DELTA G binding =        -52.2672     +/-      2.4568                 0.3475
-------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------

POISSON BOLTZMANN:

Complex:
Energy Component            Average              Std. Dev.   Std. Err. of Mean
-------------------------------------------------------------------------------
VDWAALS                  -2013.3801               20.3021              2.8712
EEL                     -16938.6450               85.7631             12.1287
EPB                      -3329.1708               67.0354              9.4802
ECAVITY                     68.2656                0.5195              0.0735

G gas                   -18952.0251             7767.4837           1098.4881
G solv                   -3260.9052               67.0374              9.4805

TOTAL                    -5265.0831               49.0426              6.9357


Receptor:
Energy Component            Average              Std. Dev.   Std. Err. of Mean
-------------------------------------------------------------------------------
VDWAALS                  -1955.2272               19.2311              2.7197
EEL                     -16895.0354               85.5797             12.1028
EPB                      -3355.4746               67.3299              9.5219
ECAVITY                     70.1184                0.5285              0.0747

G gas                   -18850.2626             7693.7163           1088.0558
G solv                   -3285.3562               67.3320              9.5222

TOTAL                    -5279.4509               50.4067              7.1286


Ligand:
Energy Component            Average              Std. Dev.   Std. Err. of Mean
-------------------------------------------------------------------------------
VDWAALS                     -1.8595                2.0516              0.2901
EEL                         -5.5796                2.0333              0.2876
EPB                        -31.3364                0.6953              0.0983
ECAVITY                      3.1896                0.0288              0.0041

G gas                       -7.4391                8.3434              1.1799
G solv                     -28.1468                0.6959              0.0984

TOTAL                       56.0934                5.0476              0.7138


Differences (Complex - Receptor - Ligand):
Energy Component            Average              Std. Dev.   Std. Err. of Mean
-------------------------------------------------------------------------------
VDWAALS                    -56.2934                2.9265              0.4139
EEL                        -38.0300                3.2114              0.4542
EPB                         57.6402                3.0642              0.4333
ECAVITY                     -5.0423                0.1683              0.0238

DELTA G gas                -94.3234               18.8778              2.6697
DELTA G solv                52.5978                3.0688              0.4340



 DELTA G binding =        -41.7256     +/-      2.9618                 0.4189
-------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------

统计文件的开头包括日期/时间,基于给定值和文件的任何警告,mmpbsa.in文本,脚本使用的文件,分析的帧数以及哪个PB solver(如果有)用过的。统计信息文件的其余部分包括GB的所有平均能量,标准偏差和均值的标准误差,其后是PB。在每个部分之后,结合的ΔG随误差值一起给出。该文件中不同术语的含义如下:

VDWAALS = MM的van der Waals贡献。
EEL =由MM力场计算出的静电能。
EPB / EGB =分别由PB或GB计算得出的对溶剂化自由能的静电贡献。
ECAVITY =通过经验模型计算得出的对溶剂化自由能的非极性贡献。
DELTA G binding=根据上述条件计算得出的最终估计结合自由能。 (千卡/摩尔)

请注意,尚未报告总气相能,因为使用单轨方法,受体和配体的键合势项的值应恰好抵消了配合物的键合势项的值。如果能量未在允许的公差范围内消除,则会出现错误消息。

人们通常期望找到一种非常有利的静电能和一种不利的溶剂化自由能。这象征着人们必须使用的能量来使结合颗粒去溶剂化并对齐其结合界面。

从负的总结合自由能为-41.73 kcal / mol,我们可以清楚地看出,这是纯水中的一种有利的蛋白质-蛋白质复合物,但请记住,由于我们未估算出(不利于)熵对结合的贡献。请注意,PB方法给出的结合能略低,但仍表明这是一种有利的结合状态。

参考资料

个人公众号,比较懒,很少更新,可以在上面提问题,如果回复不及时,可发邮件给我: tiehan@sina.cn

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