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小木虫论坛-学术科研互动平台 » 计算模拟区 » 分子模拟 » DS/Sybyl/Autodock » 【求助】有没有用DS软件做细胞膜的模拟的？
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wdali

金虫 (正式写手)

[交流] 【求助】有没有用DS软件做细胞膜的模拟的？ 已有4人参与

小弟想要做细胞膜的模拟，用的是DS软件，想要考察小分子进入细胞膜的过程，使用standard dynamics cascade，请问参数应该怎么设置啊？请教了。
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统治这个世界的是想象力
1楼 2010-08-30 10:22:13
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wdali

金虫 (正式写手)

顶起来

没有人做吗？
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统治这个世界的是想象力
2楼2010-09-02 09:48:47
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nh13

木虫 (正式写手)
★
wdali(金币+3): 2010-09-03 08:42:44
wdali(金币+2): 2010-09-07 09:04:40
ghcacj(金币+1):谢谢 2010-09-20 20:32:54
应该用里面的Charmm做吧.
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3楼2010-09-02 12:45:57
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tjegg

铁杆木虫 (著名写手)
★
wdali(金币+3): 2010-09-03 08:42:51
ghcacj(金币+1):谢谢 2010-09-19 21:46:15
你可以关注一下苏州大学李有勇教授的文章。
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除了你的亲人，没有人应该对你好，对你好的人，一定要珍惜。
4楼2010-09-02 14:13:50
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ts2009

木虫 (著名写手)

无业游民
★ ★
小木虫(金币+0.5):给个红包，谢谢回帖交流
ghcacj(金币+1):谢谢 2010-09-19 21:46:22
你可以关注一下苏州大学侯廷军教授的文章
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√：寂寞无边蔓延,触到无边伤感!
5楼2010-09-19 20:03:58
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wxb711320

铁杆木虫 (正式写手)
★ ★ ★ ★ ★ ★
小木虫(金币+0.5):给个红包，谢谢回帖交流
ghcacj(金币+5):谢谢 2010-09-20 20:33:17
这是别人在网上发的，你可以看一下!
1.     膜蛋白与脂质简介

蛋白大体上分为三种类型,组蛋白,球蛋白和膜蛋白｡

组蛋白体积巨大但具有周期性,功能简单,以支撑保护为主. 做机理研究的意义相对不大; 球蛋白可溶于水,有一个亲水的外表面和输水内核,体积较大,功能复杂,比如酶,抗体等,做药物设计的好像都跟这个亲热; 膜蛋白,肯定和膜有关,或吸附在膜表面,或嵌入膜中,或贯穿膜的两侧. 其中最后这种可以形成跨膜通道,用以传输水,离子以及其他小分子. 机理简单但细节不明,且不需要多么高深的生理医学背景,物理,化学出身的人很喜欢搞这个｡膜蛋白的结构解析较为困难,主要是这种蛋白一旦离开膜体系,结构就会发生变化,而常用的测定结构的方法又不能直接在膜中测定,故pdb库收录的这类蛋白较少. 但总数目绝对够自己研究的｡

膜脂是膜的基本骨架,膜脂主要包括磷脂､糖脂和胆固醇三种类型,而磷脂占整个膜脂的50%以上｡磷脂主要包括脂肪酸链､甘油､磷酸酯三个部分,种类很多,在不同组织中分布不同(见表1)｡磷脂经常用四个字母表示,比如DPPS､DOPE之类的｡磷酸酯的酯部分的不同,决定了后两个字母,比如PS就是磷脂酰丝氨酸(phosphatidyl serine),PE就是磷脂酰乙醇胺(phosphatidyl ethanolamine,旧称脑磷脂),等等｡而前两个字母和它们的脂肪酸链有关

在MD模拟中常用有POPE,POPC和DPPC等,也有放入胆固醇的,但单纯研究膜蛋白(如通道机理)不需要加这个,前面三种就足够了｡



表1 各种膜的脂质组成质量百分比 [1]

脂质
肝细胞质膜
红细胞质膜
髓鞘
线粒体膜
内质网膜
E.coli质膜

胆固醇
17
23
22
3
6
0

POPE
7
18
15
25
17
70

DPPS
4
7
9
2
5
微量

POPC
24
17
10
39
40
0

鞘磷脂
19
18
8
0
5
0

糖脂
7
3
28
微量
微量
0

其它
22
13
8
21
27
30






图1 各类膜蛋白在膜中的形貌





图2 膜脂的分子式



2.     bilayer的获取与构建

vmd中有一个membrane plugin [2],以快速的生成任意尺寸的,据说是预平衡了的质膜的pdb/psf｡

使用方法:

% package  require  membrane

% membrane  -l  POPE  -x  50  -y  50  -o  mem

可以生成名叫mem.pdb/psf的在xy方向各为50Å的POPE 膜,速度很快.

但membrane plugin也有缺点:

1 目前仅支持POPC和POPE两种膜,DPPC结构可以到ref. 3下载,其他模型可以自己动脑筋.

2 生成的结构太order, 还要进行长时间的模拟平衡才可以使用.

3 两侧水的数目不可调, 且数目较少, 如有必要用请手工添加水.

vmd可以使用solvate plugin很容易在体系内添加大量的水｡solvate可以在分子周围添加一个水盒子｡它的工作方式是把分子放入一个足够大的经过充分预平衡的水盒子中,然后删除不符合条件的水分子｡

使用方法:

在vmd的tkcon中输入 “solvate ...”, 使用必须首先构建所要溶剂化体系的psf/pdb文件,

有多种添加方法可以选择:

*指定水盒子的位置,如

solvate  foo.psf  foo.pdb  -minmax {{-20  -20  -40}  {20  20  40}}

可以把分子放入那个边长为40*40*80,中心在原点的盒子中

*指定分子6个侧面的(-x,-y,-z,+x,+y,+z),如

solvate  foo.psf  foo.pdb  -z  10  +z  10

可以在z方向的2侧各补加10A厚度的水层,起始位置为这个方向的原子坐标的最小/大值.

如果这6个方向数值相同,可以试用如下方法:

solvate  foo.psf  foo.pdb  -t  10

可以在6个方向都补加10A水层

还有其他选项可供选择,如水分子同溶质分子的最短距离等｡

如果不指定psf/pdb文件,可以生成一个纯的水盒子,此时只能用-minmax选项｡输入solvate会出现它的使用说明｡




在namd-user's guide第4章还有脚本(SI_1)可以实现添加球形溶剂等功能, 这个也是通过vmd 的solvate 插件实现｡

还有一个独立的solvate程序[4],可以加入充分平衡的水盒子. 但膜蛋白的平衡时间普遍较长, 而水的平衡可以很快达到, 这个程序用处不大. 但还是很值得学一下.

但反复折腾后,存在的一个问题是,不同时刻加进去的水在不同的segment中,而实际上所有的水都是等价的｡尽管这不会影响模拟的结果,却对数据处理的脚本有点小的要求｡方法就是对加水之后的lipid和water分开做成两个pdb文件,然后再在psfgen中合并｡

* namd中的tip3p模型不要求H-H这根键,从MacKerell Lab载的charmm文件要自行修改(参考bay在本期rcs的另一篇文章)｡

* lipid有两层,原本是两个不同的segment的,其实大可不必. 因为在模拟中不会出现units翻转的情况｡

在真实世界中,如果没有酶,这个过程要花掉几个星期.要做的话,就要把原来的脂双层做成两个pdb 文件,再在psfgen中合并了.



3.     bilayer的平衡

Bilayer的平衡,这是一个大问题｡首先必须意识到,membrane plugin仅仅采用一种随机打乱的方法生成一张膜,而没有经过严格的平衡,这个还是远不能直接使用的.我们又添加了大量的水,更是火上浇油(水).

平衡的要点有两个:注意控压方法,时间要长｡

控压方法在ref. 5 中有系统讨论, 作者建议3个方向施压,在平行于膜的两个方向xy变化比例相同.在namd中设置useFlexibleCell和useConstantRatio两个参数.我的经验是膜的厚度会在开始急剧下降,维持在一个低的水平上很长时间,然后慢慢变大,最终达到收敛. 这个过程大概需要十几ns.如果开始限制住lipid 的端位N,P原子,可以减少这个时间.限制是使体系达到平衡的一种很有效的技巧,在下面还要讲到.上面说的是在310K 下的情形,298K类似,更低时候没有做过｡也有用xy方向内的张力作为控压指标的. 只要体积变化就可以了,达到平衡是早晚的事情.



4.     膜厚度,及其测量

监视膜是否达到平衡的一个重要指标就是厚度和面积.膜厚度有多种表征方法,不同方法得到的不精确相同,但又肯定都差不多.常用的方法有:

1. 两侧P原子的z坐标差,这个最方便,bay也是用的这种方法｡

2. 积分

   (1)

3. 图3为水和lipid 在z 方向的粒子数密度,膜的厚度是曲线两条交点的距离.





图3 粒子数密度同膜深度的关系,选自[6]



这些方法得到的厚度值不同但相差不大,而精确得到膜的厚度是没有意义.例如在ref. 7 中作者(大牛)四次平行模拟了POPE质膜,得到的厚度值分别为48.3, 44.0, 40.2和38.0 (Å.

面积的计算相对简单,就是xy方向的乘积｡由于表面张力的原因,膜会倾向于平行于xy平面,不用担心倾斜的问题. Charmm力场算面积有一点问题, 但可以克服.不要太计较就是了.MD在计算精确数值方面也不是那么完美.

生成一个预平衡的膜不容易,最好后请好好收藏.



5.     找准蛋白膜的位置

找准蛋白插入膜的位置,这个比较关键,它决定了模拟的成败.一般来说,膜蛋白在两侧并不是对称的,往往一侧的体积大于另一侧,图4就是一个极端的例子｡此时,单单根据重心方法就不可靠了.

简单的方法有两个:

一是根据这个蛋白相关的报道,就能大致看出哪个部位是跨膜部分,前面说过,已知结构的膜蛋白种类不多,我们要做的体系前人肯定都做过,也不需要精确到0.001 A,大致在那个部位就可以了,反正后面还要进行EM和equilibrium MD.

二是根据膜蛋白本身的性质了. 跨膜部分疏水性残基较多,跨膜外亲水性残基较多,这个适用于你运气极好,做一个别人没有人做过的蛋白.





图4 一个两侧不对称的膜蛋白的例子





图5 KcsA插入膜中的位置.该蛋白由四个相同单元平行组成,右侧画出了蛋白一个单元三条链组成,链C(右侧黑色)为跨膜部分,放入膜中间的适当位置.左侧画出了两个链C在膜中的形貌.



6.     embed it

找准了跨膜部位,就可以动刀了,有3种方法:

1.      sobereva 提供方法

先把蛋白和膜的pdb合并成一个文件,(pdb的合并,接复制在一起即可. 同pdb/psf的合并不同)然后载入vmd｡

然后用VMD打开a2.pdb,建立一个层用new cartoon显示蛋白,另一个层用line显示,所选的内容是all not same resid as (within 1.5 of protein),然后按数字7打开fragment平移模式,按住shift拖动膜蛋白调好方向,然后用鼠标在不同视角下直接 拖拉膜蛋白,使膜蛋白嵌入磷脂膜当中合适位置,就做好了｡然后还是save coordinate功能,选择all not same resid as (exwithin 1.5 of protein),保存为新的pdb就可以了｡图中是此法弄好的膜蛋白嵌入磷脂膜的结构｡当然这个方法很粗糙,蛋 白对周围磷脂的挤压等问题也没考虑,但是十分简便易行｡

上面的选择范围all not same resid as (within 1.5 of protein)代表的是与蛋白中任意原子距离小于1.5埃的原子,它所 在的整个残基都不显示｡注意within也包括了of后面即蛋白质自己的原子,所以这句话,不仅说明与膜蛋白相近的磷脂不以line 来显示,膜蛋白本身也不以line来显示,免得看起来乱｡而保存时候选择范围必须把within改成exwithin,是因为exwithin相对于within,不包含of后面内容中的原子,拆开来说,

exwithin 1.5 of protein 选择的是:距离蛋白质任何原子1.5埃以内的非蛋白质自身的原子 same resid as (exwithin 1.5 of protein) 选择的是:距离蛋白质任何原子1.5埃以内的非蛋白质自身的原子所在的整个残基 all not same resid as (exwithin 1.5 of protein) 选择的是:全部原子除了距离蛋白质任何原子1.5埃以内的非蛋白质自身的 原子所在的整个残基｡换句话简单来说选择的就是:蛋白质自身､距离蛋白质1.5埃以外的DPPC｡离蛋白质较近的DPPC被剔掉了｡




2.      在vmd 中载入蛋白和膜的pdb,固定膜移动蛋白,位置对好后,存调好位置后蛋白的结构.然后运行脚本combine.tcl 即可(下载地址http://www.ks.uiuc.edu/Research/ ... brane/combine.tcl). 该脚本的工作机制为先合并bilayer和蛋白质,然后删除距离蛋白太近的水和脂units.只是注意蛋白的名字为protein_aligned.pdb/protein.psf,膜的名字为membrane.pdb/psf.

3.      如果蛋白是对称的长筒形通道蛋白,如短杆菌肽,脚本align_protein.tcl 可以把蛋白质的轴方向垂直于膜,重心同膜的重心重合,然后再直接运行combine.tcl 即可.

至于蛋白晶体结构中的水是否要删除,这个看情况.那些不可或缺的水在晶体中往往起着桥连的作用,删除后外部的水再次进入需要一定时间,蛋白在这段时间可能会发生变形.而如前所述,蛋白在膜中和晶体中的结构往往不同,如果在膜中的结构不需要那些水,则应该删除.如果不能确定可以按照前者的建议,但此时还需注意水的segname.



7.     蛋白-膜体系的平衡

接下来对要对prot_mem 进行充分的平衡,要点和bilayer平衡一节差不多,还是用那种"半各向异性"控压方法,模拟时间要长,还要注意蛋白的固定等几点技巧.

我们得到的蛋白结构,要么是晶体结构,要么是多次退火和平衡得到的结构,可以说已经达到最优结构了,但在新的体系中,蛋白和膜之间的空隙完全是我们自己加进去的,能量极高,严重破坏了体系的平衡.如果不把蛋白结构限制住,往往那些空隙会把蛋白结构带坏. 当然带坏后是可以恢复的,但总的模拟时间会大大变长.

模拟在这一步出错的几率最大,以”速度过大”最为常见. 原因是体系离平衡态太远.

常用的小技巧还有:

* 增加EM的步数

* 使用小的时间步长

* 使用NVT系宗而不是NpT

* 这个从低温开始逐步升温

当最前面的难关过去后,再用接下来跑produce 的参数跑一短时间的equilibrium.

为了追求膜平衡,则必须长时间MD, 而这个又很可能造成蛋白发生巨大的变形, 膜蛋白的模拟在技术上依然是比较难的. 且判断体系是否达到平衡. 技巧可以言传, 判断模拟出现问题也很简单, 但确信模拟完全正确就很困难了, 就像轮扁造车一样. 学是学不到的, 自己做多了就会了.
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6楼2010-09-20 17:31:57
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bay__gulf

金虫 (著名写手)

刘苏州
★ ★ ★
小木虫(金币+0.5):给个红包，谢谢回帖交流
ghcacj(金币+2):谢谢 2010-09-20 20:33:25
引用回帖:
Originally posted by wxb711320 at 2010-09-20 17:31:57:
这是别人在网上发的，你可以看一下!
1.     膜蛋白与脂质简介

蛋白大体上分为三种类型,组蛋白,球蛋白和膜蛋白｡

组蛋白体积巨大但具有周期性,功能简单,以支撑保护为主. 做机理研究的意义相对不大; 球 ...

这也是苏州大学的作品
首发 http://www.mdbbs.org/thread-20604-1-1.html
被rcs 第二期收录
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7楼2010-09-20 17:36:03
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nongky12

新虫 (初入文坛)
★
小木虫: 金币+0.5, 给个红包，谢谢回帖
楼主你好，请问最后是怎么做的呢？我也想做，但是不太会，可以教教我吗？感激不尽！
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8楼2016-12-04 16:59:40
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