一种基于分子动力学的视紫红质光循环模拟方法技术

本发明专利技术请求保护一种分子动力学视紫红质蛋白光循环模拟研究方法，以单聚体进行模拟研究，属于神经科学领域和分子动力学领域。具体步骤如下：(1)使用高斯软件对发色团C12

【技术实现步骤摘要】
一种基于分子动力学的视紫红质光循环模拟方法


[0001]本专利技术属于神经科学，分子动力学领域，具体涉及一种基于分子动力学的视紫红质光循环模拟系统。

技术介绍

[0002]使用光敏蛋白来观察和控制细胞活动被认为是近年来最具突破性的神经科学领域创新之一，这种方法逐渐取代传统的神经功能研究方法。2006年，Karl Deisseroth首次提出光遗传学一词，光遗传学是遗传学和光学的结合，可在活体组织或者具有行为能力的动物特定细胞中激发或者抑制特定事件。在隔离特定神经元群体的神经回路时，神经元的可逆沉默对其动力学和行为学具有重要的作用。光诱导的功能是由光感受蛋白控制的，其中包含一个嵌入的能感受光的发色团分子。蛋白质环境促进了发色团的快速和高效的光反应，改变的发色团
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蛋白质相互作用产生蛋白质结构的变化。蛋白质结构变化的细节必须在原子水平上分析，由于光循环过程时间在皮秒到秒的范围内即可完成，因此，光循环中间体无法获得晶体结构。由于目前还缺乏野生型光门控离子通道及其突变体的完全开放状态和中间体结构晶体，分析蛋白质原子细节的结构变化是生物物理学和物理化学的一个挑战。
[0003]目前研究光敏蛋白的结构信息研究方法主要包括核磁共振技术，电子显微镜技术，振动光谱(如拉曼光谱和红外光谱)技术，傅里叶变换红外光谱(FTIR)以及分子动力学技术。通过X光衍射获得的晶体结构只能表征了蛋白质的瞬时构象，这种构象往往不是活性状态构象。分子动力学模拟能够构建近乎生理状态的蛋白质溶剂化模型，可以研究计算机建立的动态实验数据与静态分子构象之间的关系，并提供实验无法检测的动态结构象变化数据。分子动力学模拟(Molecular dynamics simulation,MD),是针对于原子核和电子所构成的多体系统，用计算机模拟原子核的运动过程,并由此获得系统的构象和性质，其中任意一个原子核被视为在系统中其它原子核和电子所提供的势场作用下按牛顿定律运动。它通过计算机计算辅助的方式，将微观系统与宏观系统的性质联系起来。光吸收引发的光循环反应导致了视蛋白膜上的质子运输。视紫红质中的发色团小分子的C12
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C13＝C14
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C15二面角及其质子化状态对视蛋白的光循环中间体结构尤为重要。因此，改善发色团小分子模拟体系对研究视蛋白的分子机制有着重要的作用。
[0004]目前使用分子动力学研究视蛋白结构的方法中，发色团小分子不同中间体质子化状态不同以及C12
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C13＝C14
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C15二面角模型需要得到改善。经典分子动力学无法准确得到离子通道的构象，常规分子动力学模拟与现实生物过程时间尺度有巨大差异，导致采样不充分。通过拉伸分子动力学以及伞形取样的方式计算自由能能够更加准确的计算自由能变化，更加准确的分析出离子通道的结构机制。通过改善发色团小分子的力场环境以及结合拉伸分子动力学计算自由能的方法能够更加准确的得到门控通道蛋白的结构特征，了解视蛋白结构特征以及进一步改进视蛋白结构特征有利于应用于基础研究应用和临床应用中，对视网膜病变引起的视力衰退或丧失，心脏传导系统疾病以及神经系统疾病的类似基因治疗创造了可能性。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于分子动力学的视紫红质光循环模拟方法。本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种基于分子动力学的视紫红质光循环模拟方法，其包括以下步骤：
[0007]步骤一、使用高斯软件对单聚体PDB文件发色团小分子C12
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C13＝C14
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C15二面角进行扭转并进行角度调整；
[0008]步骤二、将发色团小分子二面角扭转后的单聚体蛋白在CHARMM
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GUI软件嵌入细胞膜环境嵌入，对发色团小分子进行单独的力场设置，进行分子动力学模拟体系准备；
[0009]步骤三、使用NAMD软件进行平衡态分子动力学模拟，提取出蛋白质结构代表构象进一步扭转小分子C12
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C13＝C14
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C15二面角，固定C12
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C13＝C14
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C15二面角再次进行分子动力学模拟直至二面角键角扭转完成，在不固定小分子二面角的情况下进行分子动力学模拟；
[0010]步骤四、将分子动力学模拟后的轨迹进行分析，通过AMBER的cpptraj模块和VMD的tcl文件进行对应的分析；
[0011]步骤五、提取出分子动力学轨迹代表构象并使用拉伸分子动力学和伞形取样的方式计算自由能。
[0012]进一步的，所述步骤一、使用高斯软件对发色团C12
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C13＝C14
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C15二面角进行扭转并进行角度调整，具体包括：以PDB数据库下载的蛋白质多聚体文件通过手动的方式删除其他多聚体仅留下单聚体晶体，保留单链氨基酸残基，删除其他所有结晶水分子，利用高斯软件加载单聚体PDB文件；选择发色团小分子异构化的结构C12
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C13＝C14
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C15二面角双键以20
°
旋转进行异构化，并在每个扭转的平衡模拟中保持固定，直到C12
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C13＝C14
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C15二面角达到大约0
°
[0013]进一步的，所述步骤二、将单聚体蛋白在CHARMM
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GUI软件嵌入细胞膜环境嵌入，添加缺失的氢原子以及残基；在CHARMM
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GUI平台将单聚体嵌入有POPC,TIP,以及0.15mol
·
L
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1的NaCl膜的大小包覆单聚体的周期性盒子中，将整个单聚体加载于CHARMM36m的力场；
[0014]进一步的，所述步骤二对发色团需要异构化的模拟体系，在能量优化的过程中，保持单聚体固定以及发色团的C12
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C13＝C14
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C15二面角固定，对体系进行能量最小化；在二面角达到异构化角度完成所需角度0
°
，再C12
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C13＝C14
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C15二面角不固定的情况进行分子动力学能量最小化和平衡态动力模拟；
[0015]还对发色团设置为去质子化的模拟体系，加载将去质子化发色团置于单独的力场，这样可以保证发色团小分子不会在CHARMM36m的力场中分子断裂。
[0016]进一步的，所述再将C12
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C13＝C14
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C15二面角不固定的情况进行分子动力学能量最小化和平衡态动力模拟；在能量最小化过程中将蛋白质固定，只允许水分子运动，使体系中的溶剂得到优化。平衡态动力模拟则是在正则系综(canonical ensemble，NVT)下模拟，通过调整原子的速度来保持系统动能恒定，把温度T弛豫到稳态，再转等温等压(constant
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pressure，constant...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分子动力学的视紫红质光循环模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、使用高斯软件对单聚体PDB文件发色团小分子C12
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C13＝C14
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C15二面角进行扭转并进行角度调整；步骤二、将发色团小分子二面角扭转后的单聚体蛋白在CHARMM
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GUI软件嵌入细胞膜环境嵌入，对发色团小分子进行单独的力场设置，进行分子动力学模拟体系准备；步骤三、使用NAMD软件进行平衡态分子动力学模拟，提取出蛋白质结构代表构象进一步扭转小分子C12
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C13＝C14
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C15二面角，固定C12
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C13＝C14
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C15二面角再次进行分子动力学模拟直至二面角键角扭转完成，在不固定小分子二面角的情况下进行分子动力学模拟；步骤四、将分子动力学模拟后的轨迹进行分析，通过AMBER的cpptraj模块和VMD的tcl文件进行对应的分析；步骤五、提取出分子动力学轨迹代表构象并使用拉伸分子动力学和伞形取样的方式计算自由能。2.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学的视紫红质光循环模拟方法，其特征在于，所述步骤一、使用高斯软件对发色团C12
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C13＝C14
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C15二面角进行扭转并进行角度调整，具体包括：以PDB数据库下载的蛋白质多聚体文件通过手动的方式删除其他多聚体仅留下单聚体晶体，保留单链氨基酸残基，删除其他所有结晶水分子，利用高斯软件加载单聚体PDB文件；选择发色团小分子异构化的结构C12
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C13＝C14
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C15二面角双键以20
°
旋转进行异构化，并在每个扭转的平衡模拟中保持固定，直到C12
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C13＝C14
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C15二面角达到大约0
°
。3.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学的视紫红质光循环模拟方法，其特征在于，所述步骤二、将单聚体蛋白在CHARMM
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GUI软件嵌入细胞膜环境嵌入，添加缺失的氢原子以及残基；在CHARMM
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GUI平台将单聚体嵌入有POPC,TIP,以及0.15mol
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L
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1的NaCl膜的包覆单聚体的周期性盒子中，将整个单聚体加载于CHARMM36m的力场。4.根据权利要求3所述的一种基于分子动力学的视紫红质光循环模拟方法，其特征在于，所述步骤二对发色团需要异构化的模拟体系，在能量优化的过程中，保持单聚体固定以及发色团的C12
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C13＝C14
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C15二面角固定，对体系进行能量最小化；在二面角达到异构化角度完成所需角度0
°
，再将C12
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C13＝C14
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C15二面角不固定的情况进行分子动力学能量最小化和平衡态动力模拟；对于发色团设置为去质子化的模拟体系，加载将去质子化发色团置于单独的力...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁帅，刘春艳，辛奇，徐涛，张文英，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：