粗粒化动力学模拟在膜蛋白研究中的应用.docVIP

 粗粒化动力学模拟在膜蛋白研究中的应用 郑博恺，罗施中 （北京化工大学生命科学与技术学院，北京市生物加工过程重点实验室，北京 100029） 摘要：近年来分子动力学模拟成为了研究膜蛋白的结构动力学性质的新方法，粗粒化动力学 模拟克服了传统全原子动力学模拟遇到的困难，其通过适当的简化全原子模型，降低了模拟 的计算量，减少了体系的自由度，提高了计算效率。可以用来研究更长时间跨度和更大体积 的膜蛋白体系，更深层次的了解膜蛋白的相互作用过程。 关键词：膜蛋白；分子动力学模拟；粗粒化 中图分类号：Q51 Application of Coarse-Grained molecular dynamics simulations in membrane protein research Zheng Bokai, Luo ShiZhong (Beijing Key Laboratory of Bioprocess, College of Life Science and Technology, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029; China) Abstract: In recent years, molecular dynamics simutlation have provided a new method to study the conformational dynamics of membrane proteins. And the emerging coarse-grained method, which simplifies the molecular model, can overcome several bottlenecks in traditional atomistic molecular dynamics simulations and make it possible for simulations of the membrane protein of longer time scales and larger systems. Key words: membrane protein; molecular dynamics simutlation; coarse-grained 0 引 言 细胞生物学中膜蛋白起到了关键作用。真核生物基因组中，膜蛋白的比例约为 30%[1]。 膜蛋白参与了细胞中的各项生命进程，执行着细胞内外物质交换、细胞识别与免疫应答、信 号传导和调控，以及能量传递等重要的功能[2]。至今，有多达 70%的药物靶标都是膜蛋白[3]， 因此研究膜蛋白的结构以及功能具有重要的意义和价值。近年来，膜蛋白晶体学的研究不断 取得进展，已经有约 300 个不同膜蛋白的高分辨率结构被研究者们揭示出来，其中包括了 1515 种跨膜结构[4]。开发新药的前提是弄清膜蛋白原子水平的结构。然而，膜蛋白作用机理 多样化，膜环境组成复杂化，使研究者们通过传统的实验方法很难从微观的结构上来探究膜 蛋白相互作用的机理。综合以上这些因素，计算机分子动力学模拟方法成为了将来的有效研 究手段之一，可以帮助研究者们进一步详细的来探索膜蛋白的结构，功能和作用机制。 分子动力学模拟的原理主要是通过对体系内部各个粒子之间多种作用力的综合计算，使 这些粒子达到一个结构动力学平衡的过程。我们目前所主要使用的分子模拟方法是一种称为 全原子（atomistic,AT）模拟的方法，它拥有精确到原子的分子结构，真实的体现了模拟体 系中原子之间的相互作用关系[5]。近年来，分子动力学的算法，相关软件，和计算机硬件的 计算能力都取得了巨大的发展，实现了时间尺度微秒级的由几万粒子组成的全原子模拟[6-8]。 然而，对于多数研究者而言，想要使用全原子模型来模拟一个膜蛋白体系在微秒时间长度的 状态，或者模拟一些大型的复杂的膜蛋白体系，仍然是很难实现的。因此，计算化学家们开 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（新教师类）（20090010120015） 作者简介：郑博恺（出生年 1985），男，研究生，主要研究方向：计算化学 通信联系人：罗施中，副教授，主要研究方向：化学生物学，计算化学， E-mail：luosz@mail.buct.edu.cn -1-  发了一些通过系统性的简化全原子模型来加速模拟，使用它们就可以大大降低了需要计算的 粒子的数量，减少了模拟体系的自由度，提高了计算效率，并且可以用来研究更长的时间尺 度和更大体积的膜蛋白体系，比如粗粒化（coarse-grained,CG）模拟方法和细观（mesoscopic） 模拟方法[9]。本文主要讲述使用粗粒