生物大分子分子動力學模擬中國科學技術大學生命科學學院施蘊渝生物大分子分子動力學模擬中國科學技術大學生命科學學院1

在大規模測序完成后，由政府部門和工業界參與，國際上開始了新一輪大規模國際合作

----結構基因組計劃----大規模測定蛋白質三維結構。

在大規模測序完成后，由政府部門和工業界參與，國際上2

2000年4月

在英國召開第一屆國際結構基因組會議

美、英、法、德、加拿大、荷蘭、以色列、意大利、日本、9個國家開始結構基因組計劃的合作

2001年4月在美國召開第二屆會議，中國參加達成協議，為結構基因組國際組織的形成作準備

2000年4月在英國召開第一屆國際結構基因組會3美國1998年DOE開始支持結構基因組計劃

2000年9月美國NIH結構基因組計劃啟動建7個中心

日本科技廳支持20個實驗室參與，日本理化所，

核磁中心

歐洲

工業界，大制藥公司Merck,Roche，Novgen,Compaq，MSI,

Syrrx美國1998年DOE開始支持結構基因組計劃

2000年9月美4結構基因組計劃的主要內容是：開展規?；鼗蚩寺?、表達、蛋白質分離純化，測定和分析蛋白質的三維結構。以蛋白質為藥物作用的靶分子，為藥物設計和藥物篩選奠定基礎。

發展結構基因組的研究方法結構基因組計劃的主要內容是：開展規模化地基因克隆、表達、蛋白5

規?；瘻y定蛋白質三維結構---結構基因組計劃人體約3-4萬個基因大約10萬個蛋白，大約有1000-2000種不同的折疊類型，目前PDB數據庫中約有1萬5千個蛋白，大約有700種不同的折疊類型。

規?；瘻y定蛋白質三維結構6蛋白質三維結構測定X射線晶體學多維核磁共振波譜學蛋白質三維結構測定X射線晶體學多維核磁共振波譜學7

8

9

10結構基因組計劃的主要科學目標I．

規?；販y定蛋白質的三維結構1a.用實驗方法測定一些代表性的生物大分子的結構，包括醫學上重要的人體蛋白質、來自重要病源體的蛋白質，以及來自模式生物的蛋白質。1b.基于序列相似性提供結構模型1c.用實驗和計算方法提供蛋白質功能信息結構基因組計劃的主要科學目標11發展結構基因組的方法學

I．2a.按照結構或功能意義選擇來代表性的蛋白質家族的方法2b.規?；禺a生適合結構測定的蛋白質的方法2c.規模化地數據收集方法2d.自動測定、確證、分析三維結構的方法2e.基于同源結構模建或其它方法，確證模型結構的方法2f.優化支持結構測定的信息系統2g.基于結構及其它生物學信息估計生物學功能的生物信息學方法發展結構基因組的方法學

I．2a.按照結構或功能意義選擇來代12

PDBHoldingsList:10-Jul-2001

MoleculeType

Proteins,Peptides,andVirusesProtein/NucleicAcidComplexesNucleicAcidsCarbohydratestotalExp.Tech.X-rayDiffractionandother117015605801412855NMR19267338442387TheoreticalModeling28819230330total139156529871815572

PDBHoldingsList:10-Jul-2013

14人類基因組計劃是20世紀后半葉，生命科學中最重大的事件

但是僅僅DNA堿基序列還不足以對復雜的生命現象進行全面的解釋

人類基因組計劃是20世紀后半葉，生命科學中最重大的事件

15

一切重要的生命活動都離不開蛋白質，蛋白質是生命活動的主要承擔者

生長，運動，呼吸，消化，免疫，代謝，生殖，光合作用，以至于神經活動都離不開蛋白質

一切重要的生命活動都離不開蛋白質，蛋白質是生命活動的主要16

17

18

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21

22

重要疾病構象病

23

24創新藥物的研究與發現

從過去相對盲目地大量合成，大量篩選

發展為首先確定藥物作用的靶分子，在此基礎上來設計、篩選藥物

創新藥物的研究與發現

從過去相對盲目地大量合成，大量篩選

發25基于蛋白質三維結構的合理藥物設計與組合化學以及高通量篩選結合引起了醫藥工業新的革命

基于蛋白質三維結構的合理藥物設計與組合化學以及高通量篩選結合26蛋白質折疊與分子動力學模擬(第一講)課件27

28

這是圍繞新藥物研究開發基礎性，前瞻性，戰略性研究。

生命科學和技術前沿和新的制高點

這是圍繞新藥物研究開發基礎性，前瞻性，戰略性研究。

生29

30蛋白質的結構層次蛋白質的結構層次31

32氨基酸氨基酸33一級結構一級結構34二級結構二級結構35結構域結構域36結構域結構域37三級結構三級結構38四級結構四級結構39科學問題蛋白質結構與功能關系蛋白質折疊與蛋白質穩定性動力學規律與功能關系分子識別與分子相互作用酶催化反應機理蛋白質中電子轉移離子輸運科學問題蛋白質結構與功能關系40光合反應中心

量子產率高于任何已知的

光電池光合反應中心

量子產率高于任何已知的

光電池41信號傳導路徑

分子相互作用的網絡信號傳導路徑

分子相互作用的網絡42α，β構象轉變

分子構象病α，β構象轉變

分子構象病43蛋白質-核酸相互識別作用

基因表達與調控

蛋白質-核酸相互識別作用

基因表達與調控44

酶-常溫常壓下的高效催化劑

酶-常溫常壓下的高效催化劑

45

酶-底物，配基相互作用

酶-底物，配基相互作用46科學-技術

規?；鼗蚩寺　⒈磉_、蛋白質分離、純化、性質鑒定技術；

蛋白質晶體生長技術；

蛋白質X-射線晶體結構解析技術；

蛋白質多維核磁共振波譜結構測定技術；

同步輻射技術；

核磁共振波譜技術，

計算機過程自動控制，

生物信息學和計算機輔助藥物分子設計。

科學-技術

規模化地基因克隆、表達、蛋白質分離、純化、性質鑒47實驗X-射線晶體衍射多維核磁共振波譜電鏡三維重構中子衍射紫外，紅外，CD，拉曼，ESR，原子力顯微鏡實驗X-射線晶體衍射48

49細胞生物學分子生物學

X-射線晶體學核磁共振波譜學

結構生物學

計算生物學和生物信息學

生物化學細胞生物學分子生物學

X-射線晶體學核磁共振波譜50細胞生物學分子生物學生物化學

物理學

結構生物學

化學

數學

計算機科學

細胞生物學分子生物學生物化學

物理學結51計算生物學

生物大分子計算機模擬客觀世界

實驗實驗結果物理模型

計算機實驗

模擬結果

計算生物學

生物大分子計算機模擬客觀世界實驗實驗結果物理52計算機模擬

二次世界大戰期間

LosAlamosNationalLab.

分子動力學模擬計算機模擬

二次世界大戰期間

LosAlamosNati53參考書1、ComputerSimulationofLiquidM.P.AllenandD.J.Tildosley，19872、MolecularModellingPrinciplesandApplicationAdrewRLeach，1996參考書1、ComputerSimulationofLi54

3、ComputerSimulationofBiomolecularSystemsTheoreticalandExperimentApplication,VolI,II,III，1993WilfredF.vanGunsteren,PaulK.WeinerandAnthonyJ.Wilkinson4、ComputationalBiochemistryandBiophysicsO.M.Becker,A.D.Mackerell,Jr.B.RouxandM.Watanable2001

3、ComputerSimulationofBiom55分子力場基本假設：忽略電子運動，分子體系能量作為核位置的函數根據小分子擬合的參數可推廣到大分子體系分子力場基本假設：56勢函數勢函數57原子類型(GROMOS)43a1溶液,43b1真空OC=ONTNH2OMCO-NLNH3OAOH糖，脂NR芳環OW水NZArgNH2NNH肽NEArgNH原子類型(GROMOS)43a1溶液,43b1真空58AllatomVersusExtendedatom

CHCH1CH聯合原子CH2CH2CH3CH3CH4CH4CR1芳環碳HCHAllatomVersusExtendedatom59BondBondAngleBondBondAngle60二面角二面角61蛋白質折疊與分子動力學模擬(第一講)課件62DihedralAngleδ＝０或πCosδ＝±1.0n=1,2,3,4,5,6sp3-sp3n=3,δ＝０sp2-sp2n=2,δ＝πDihedralAngle63蛋白質折疊與分子動力學模擬(第一講)課件64InproperDihedralAngleC–Cα-N-Oξ0=0保持平面結構Cα-N–C-Cβξ0=35.26o保持四面體構型Cγ-Cδ1-Cε1-Cζξ0=0保持六元環平面結構InproperDihedralAngle65蛋白質折疊與分子動力學模擬(第一講)課件66非鍵相互作用Excludedatompairs非鍵相互作用Excludedatompairs67范德華相互作用

Lennard-Jones12-6函數A=4εσ12B=４εσ6范德華相互作用

Lennard-Jones12-6函數68蛋白質折疊與分子動力學模擬(第一講)課件69靜電相互作用靜電相互作用70電荷基團NHCOCHCH2CH3部分原子電荷電荷基團NH部分原子電荷71常用力場CHARMMAMBERGROMOSOPLSCFFUFFECEPPMMFFDRMM3常用力場CHARMM72經驗力場參數的優化實驗數據IR，Raman,晶體結構，蒸汽壓，量熱，密度QM計算經驗力場參數的優化實驗數據73溶劑模型ExplicitWaterModelTIP3PJorgensenetal1983SPCBerendsenetal1981SPC/EBerendsenetal1987TIP4PJorgensenetal1984ST2溶劑模型ExplicitWaterModel74蛋白質折疊與分子動力學模擬(第一講)課件75參數

r(OH)HOHq(O)q(H)q(M)r(OM)SPC/E1.0109.47–0.84720.42380.00.0TCP4P0.9572104.520.00.52-1.040.8參數r(OH)HOH76蛋白質折疊與分子動力學模擬(第一講)課件77Implicitwatermodel溶劑化自由能將分子由真空轉移到溶液中引起的自由能的改變蛋白質折疊與分子動力學模擬(第一講)課件78非極性自由能貢獻

溶劑可接近表面Sak，

σk表面張量的量綱

非極性自由能貢獻

溶劑可接近表面Sak，

σk表面張量的量綱79surfaceareaAI(rN)ofatomiisdefinedusingtheapproximateanalyticalexpressionofHaseletal.(1988):surfaceareaAI(rN)ofatomi80靜電自由能連續介質模型

εe=80

εi=2-4

靜電自由能連續介質模型εe=80εi=2-481

PoissonequationandPoisson-Boltzmannequation

PoissonequationandPoisson-82boundaryconditions:

boundaryconditions:

83數值計算方法(1)有限差分法(FDM)(2)有限元法(FEM)(3)邊界元法(BEM)數值計算方法84Boundaryintegralequations

Boundaryintegralequations85問題有限差分法DelphiII600個原子185-3nmgrid195MHzSGI25min問題有限差分法DelphiII86廣義波恩模型廣義波恩模型87

SemianalyticalTreatmentofSolvationforMolecularMechanicsandDynamicsW.C.Stilletal,J.Am.Chem.Soc.1990,112,6127-6129

SemianalyticalTreatmentofS88Born模型和Onsager模型

Born模型和Onsager模型

89

ΔGpol等于電荷為q,半徑為R的帶電離子由真空轉移到介質中所作的功

ΔGpol等于電荷為q,半徑為R的帶電離子由真空轉移到介質90

分子中N個電荷q1,q2……qN,半徑R1，R2,……RN總靜電自由能

庫侖相互作用+Born項

分子中N個電荷q1,q2……qN,半徑R1，R2,……RN91

廣義波恩模型

fGBBorn半徑

廣義波恩模型

fGBBorn半徑92正確性當兩個電荷重疊，i=j,rij=0,fGB=Ri還原為Born方程當兩個電荷足夠接近，rij<0.1Rij結果與將偶極子放在介質球形腔中引起介質極化Onsager計算的反應場能量接近(差10%)當兩個電荷相距較遠，rij>2.5Rij結果接近于庫侖作用+Born作用正確性當兩個電荷重疊，i=j,rij=0,fGB=93生物大分子分子動力學模擬中國科學技術大學生命科學學院施蘊渝生物大分子分子動力學模擬中國科學技術大學生命科學學院94

在大規模測序完成后，由政府部門和工業界參與，國際上開始了新一輪大規模國際合作

----結構基因組計劃----大規模測定蛋白質三維結構。

在大規模測序完成后，由政府部門和工業界參與，國際上95

2000年4月

在英國召開第一屆國際結構基因組會議

美、英、法、德、加拿大、荷蘭、以色列、意大利、日本、9個國家開始結構基因組計劃的合作

2001年4月在美國召開第二屆會議，中國參加達成協議，為結構基因組國際組織的形成作準備

2000年4月在英國召開第一屆國際結構基因組會96美國1998年DOE開始支持結構基因組計劃

2000年9月美國NIH結構基因組計劃啟動建7個中心

日本科技廳支持20個實驗室參與，日本理化所，

核磁中心

歐洲

工業界，大制藥公司Merck,Roche，Novgen,Compaq，MSI,

Syrrx美國1998年DOE開始支持結構基因組計劃

2000年9月美97結構基因組計劃的主要內容是：開展規?；鼗蚩寺?、表達、蛋白質分離純化，測定和分析蛋白質的三維結構。以蛋白質為藥物作用的靶分子，為藥物設計和藥物篩選奠定基礎。

發展結構基因組的研究方法結構基因組計劃的主要內容是：開展規?；鼗蚩寺?、表達、蛋白98

規?；瘻y定蛋白質三維結構---結構基因組計劃人體約3-4萬個基因大約10萬個蛋白，大約有1000-2000種不同的折疊類型，目前PDB數據庫中約有1萬5千個蛋白，大約有700種不同的折疊類型。

規模化測定蛋白質三維結構99蛋白質三維結構測定X射線晶體學多維核磁共振波譜學蛋白質三維結構測定X射線晶體學多維核磁共振波譜學100

101

102

103結構基因組計劃的主要科學目標I．

規模化地測定蛋白質的三維結構1a.用實驗方法測定一些代表性的生物大分子的結構，包括醫學上重要的人體蛋白質、來自重要病源體的蛋白質，以及來自模式生物的蛋白質。1b.基于序列相似性提供結構模型1c.用實驗和計算方法提供蛋白質功能信息結構基因組計劃的主要科學目標104發展結構基因組的方法學

I．2a.按照結構或功能意義選擇來代表性的蛋白質家族的方法2b.規?；禺a生適合結構測定的蛋白質的方法2c.規?；財祿占椒?d.自動測定、確證、分析三維結構的方法2e.基于同源結構模建或其它方法，確證模型結構的方法2f.優化支持結構測定的信息系統2g.基于結構及其它生物學信息估計生物學功能的生物信息學方法發展結構基因組的方法學

I．2a.按照結構或功能意義選擇來代105

PDBHoldingsList:10-Jul-2001

MoleculeType

Proteins,Peptides,andVirusesProtein/NucleicAcidComplexesNucleicAcidsCarbohydratestotalExp.Tech.X-rayDiffractionandother117015605801412855NMR19267338442387TheoreticalModeling28819230330total139156529871815572

PDBHoldingsList:10-Jul-20106

107人類基因組計劃是20世紀后半葉，生命科學中最重大的事件

但是僅僅DNA堿基序列還不足以對復雜的生命現象進行全面的解釋

人類基因組計劃是20世紀后半葉，生命科學中最重大的事件

108

一切重要的生命活動都離不開蛋白質，蛋白質是生命活動的主要承擔者

生長，運動，呼吸，消化，免疫，代謝，生殖，光合作用，以至于神經活動都離不開蛋白質

一切重要的生命活動都離不開蛋白質，蛋白質是生命活動的主要109

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重要疾病構象病

116

117創新藥物的研究與發現

從過去相對盲目地大量合成，大量篩選

發展為首先確定藥物作用的靶分子，在此基礎上來設計、篩選藥物

創新藥物的研究與發現

從過去相對盲目地大量合成，大量篩選

發118基于蛋白質三維結構的合理藥物設計與組合化學以及高通量篩選結合引起了醫藥工業新的革命

基于蛋白質三維結構的合理藥物設計與組合化學以及高通量篩選結合119蛋白質折疊與分子動力學模擬(第一講)課件120

121

這是圍繞新藥物研究開發基礎性，前瞻性，戰略性研究。

生命科學和技術前沿和新的制高點

這是圍繞新藥物研究開發基礎性，前瞻性，戰略性研究。

生122

123蛋白質的結構層次蛋白質的結構層次124

125氨基酸氨基酸126一級結構一級結構127二級結構二級結構128結構域結構域129結構域結構域130三級結構三級結構131四級結構四級結構132科學問題蛋白質結構與功能關系蛋白質折疊與蛋白質穩定性動力學規律與功能關系分子識別與分子相互作用酶催化反應機理蛋白質中電子轉移離子輸運科學問題蛋白質結構與功能關系133光合反應中心

量子產率高于任何已知的

光電池光合反應中心

量子產率高于任何已知的

光電池134信號傳導路徑

分子相互作用的網絡信號傳導路徑

分子相互作用的網絡135α，β構象轉變

分子構象病α，β構象轉變

分子構象病136蛋白質-核酸相互識別作用

基因表達與調控

蛋白質-核酸相互識別作用

基因表達與調控137

酶-常溫常壓下的高效催化劑

酶-常溫常壓下的高效催化劑

138

酶-底物，配基相互作用

酶-底物，配基相互作用139科學-技術

規?；鼗蚩寺　⒈磉_、蛋白質分離、純化、性質鑒定技術；

蛋白質晶體生長技術；

蛋白質X-射線晶體結構解析技術；

蛋白質多維核磁共振波譜結構測定技術；

同步輻射技術；

核磁共振波譜技術，

計算機過程自動控制，

生物信息學和計算機輔助藥物分子設計。

科學-技術

規模化地基因克隆、表達、蛋白質分離、純化、性質鑒140實驗X-射線晶體衍射多維核磁共振波譜電鏡三維重構中子衍射紫外，紅外，CD，拉曼，ESR，原子力顯微鏡實驗X-射線晶體衍射141

142細胞生物學分子生物學

X-射線晶體學核磁共振波譜學

結構生物學

計算生物學和生物信息學

生物化學細胞生物學分子生物學

X-射線晶體學核磁共振波譜143細胞生物學分子生物學生物化學

物理學

結構生物學

化學

數學

計算機科學

細胞生物學分子生物學生物化學

物理學結144計算生物學

生物大分子計算機模擬客觀世界

實驗實驗結果物理模型

計算機實驗

模擬結果

計算生物學

生物大分子計算機模擬客觀世界實驗實驗結果物理145計算機模擬

二次世界大戰期間

LosAlamosNationalLab.

分子動力學模擬計算機模擬

二次世界大戰期間

LosAlamosNati146參考書1、ComputerSimulationofLiquidM.P.AllenandD.J.Tildosley，19872、MolecularModellingPrinciplesandApplicationAdrewRLeach，1996參考書1、ComputerSimulationofLi147

3、ComputerSimulationofBiomolecularSystemsTheoreticalandExperimentApplication,VolI,II,III，1993WilfredF.vanGunsteren,PaulK.WeinerandAnthonyJ.Wilkinson4、ComputationalBiochemistryandBiophysicsO.M.Becker,A.D.Mackerell,Jr.B.RouxandM.Watanable2001

3、ComputerSimulationofBiom148分子力場基本假設：忽略電子運動，分子體系能量作為核位置的函數根據小分子擬合的參數可推廣到大分子體系分子力場基本假設：149勢函數勢函數150原子類型(GROMOS)43a1溶液,43b1真空OC=ONTNH2OMCO-NLNH3OAOH糖，脂NR芳環OW水NZArgNH2NNH肽NEArgNH原子類型(GROMOS)43a1溶液,43b1真空151AllatomVersusExtendedatom

CHCH1CH聯合原子CH2CH2CH3CH3CH4CH4CR1芳環碳HCHAllatomVersusExtendedatom152BondBondAngleBondBondAngle153二面角二面角154蛋白質折疊與分子動力學模擬(第一講)課件155DihedralAngleδ＝０或πCosδ＝±1.0n=1,2,3,4,5,6sp3-sp3n=3,δ＝０sp2-sp2n=2,δ＝πDihedralAngle156蛋白質折疊與分子動力學模擬(第一講)課件157InproperDihedralAngleC–Cα-N-Oξ0=0保持平面結構Cα-N–C-Cβξ0=35.26o保持四面體構型Cγ-Cδ1-Cε1-Cζξ0=0保持六元環平面結構InproperDihedralAngle158蛋白質折疊與分子動力學模擬(第一講)課件159非鍵相互作用Excludedatompairs非鍵相互作用Excludedatompairs160范德華相互作用

Lennard-Jones12-6函數A=4εσ12B=４εσ6范德華相互作用

Lennard-Jones12-6函數161蛋白質折疊與分子動力學模擬(第一講)課件162靜電相互作用靜電相互作用163電荷基團NHCOCHCH2CH3部分原子電荷電荷基團NH部分原子電荷164常用力場CHARMMAMBERGROMOSOPLSCFFUFFECEPPMMFFDRMM3常用力場CHARMM165經驗力場參數的優化實驗數據IR，Raman,晶體結構，蒸汽壓，量熱，密度QM計算經驗力場參數的優化實驗數據166溶劑模型ExplicitWaterModelTIP3PJorgensenetal1983SPCBerendsenetal1981SPC/EBerendsenetal1987TIP4PJorgensenetal1984ST2溶劑模型ExplicitWaterModel167蛋白質折疊與分子動力學模擬(第一講)課件168參數

r(OH)HOHq(O)q(H)q(M)r(OM)SPC/E1.0109.47–0.84720.42380.00.0TCP4P0.9572104.520.00.52-1.040.8參