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LigParGen:配体OPLS/CM1A力场在线生成

LigParGen是一个提供有机分子或者配体力场的在线服务网站,其能够提供键长,二面角以及Lennard-Jones OPLS-AA参数,电荷算法为1.14*CM1A或1.14*CM1A-LBCC。生成的配体力场可以非常容易的在Gromacs,NAMD以及OpenMM中使用,文章中说明将在不久提供Amber软件的支持。最大配体原子大小不超过200个原子,计算模型的电荷最大为正负2。

该在线服务器的使用方法非常的简单,并且使用的电荷计算模型1.14*CM1A在OPLS-AA力场中水化自由能计算(hydration free energies ,HFE)与实验具有良好的拟合效果,而改进的局部电荷校正(LBCC)方法更加提供了电荷的精确度,称之为1.14*CM1A-LBCC模型。在在线服务中,对于不带电的小分子提供1.14*CM1A和1.14*CM1A-LBCC模型,而带电荷的分子仅提供不放大1.14倍的CM1A模型。故带电荷的小分子还是最好使用GAFF力场制作方法。

LigParGen服务网址为:http://zarbi.chem.yale.edu/ligpargen/index.html

理论基础

CM1A方法使用来自于电荷密度的Mulliken分布分析,而电荷密度获得的方式为AM1方法基于配体几何计算,*故配体几何的差别会导致电荷计算轻微差别,但影响不大。 Mulliken电荷对原子A的计算方法大致如下(具体可以查看参考文献4):

*qA*是部分Mulliken 电荷,*ZA*是原子A的中性电荷,*NA*是原子A的电荷密度分布,计算方法如下:

N是分子的总电荷数,*Cn,i 为分子轨道系数,χnSnk*QM多重积分,但1.14*CM1A电荷模型在苯环,醚类和酮类中参数不理想, 在426个有机分子的测试集中和实验数据相比mean unsigned error (MUE)达到1.5kcal/mol,而改进的局部电荷校正(LBCC)方法具有更好的效果。 作者进行了水化自由能(HFE)的评价,模拟的计算方法软件采用的NAMD,一共计算了10个分子,每个分子进行了36个窗口计算,每个窗口模拟1ns,力场采用OPLS-AA/1.14*CM1A-LBCC,水采用的TIP3P,完成参数请看底部的参考文献3。实验结果与模拟的结果拟合的较好,结果如下:

说明模拟结果和实验结果拟合的非常棒!

LigParGen使用方法

LigParGen的使用方法非常的简单: 首先上传MOL或者PDB文件或者SMILES Code:

当然也可以通过JSME自己画,如下图:

首先点一下Make SMILES,画完以后再点击一下Make SMILES即可。

然后选择电荷模型,是否优化分子,分子电荷等选项。

之后便可以下载不同软件需要用到的文件。软件的工作流程如下:

蛋白配体复合物模拟

LigParGen提供了3种模拟软件的蛋白配体复合物模拟的方法,可以在官网上查看,我们这里翻译GROMACS的蛋白配体复合物模拟。

1.准备蛋白配体系统

Gromacs,Chimera和python被要求安装。

1.1 获得复合物

使用T4溶菌酶L99A与苯环分子复合物(PDB ID:4W52)作为教程,结构如下图,仅包含一条链 T4 Lysozyme L99A with Benzene

1.2 模拟前的蛋白准备工作

清理蛋白使用Chimera的对接准备功能(dockprep ),增加缺失残基使用Dunbrack rotamer库,这一部并不会进行蛋白加氢,因为在后面pdb2gmx会对蛋白进行加氢。Chimera脚本如下:

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## PDB_FILE SHOULD THE COMPLETE PATH OF THE FILE
## REPLACE BNZ with LIGAND resname 
## USAGE: Chimera --nogui --script "prep_prot_lig.py 4w52.pdb BNZ" 
import chimera
from DockPrep import prep
import Midas
import sys
import os
PDB_file = sys.argv[1] 
lig_name = sys.argv[2]
os.system('grep ATOM %s > %s_clean.pdb'%(PDB_file,PDB_file[:-4]))
os.system('grep %s  %s > %s.pdb'%(lig_name,PDB_file,lig_name))
protein=chimera.openModels.open('%s_clean.pdb'%PDB_file[:-4])
ligand=chimera.openModels.open('%s.pdb'%lig_name)
prep(protein,addHFunc=None,addCharges=False)
prep(ligand)
Midas.write(protein,None,"protein_clean.pdb")
Midas.write(ligand,None,"ligand_wH.pdb")

使用脚本:

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Chimera --nogui --script "prep_prot_lig.py 4w52.pdb BNZ"

生成的 protein_clean.pdb和ligand_wH.pdb将会在随后使用。

1.3 准备配体

使用的方法如第2部分,后下载BNZ.gro(坐标文件)与BNZ.itp(拓扑文件)

2 设置Gromacs模拟

2.1 结合蛋白配体坐标

其Gromacs版本使用的为4.6.5,若使用的为5.x或者2016版本可以具体查看李继存老师翻译的配体蛋白教程的后续命令。差别不大。

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pdb2gmx -f protein_clean.pdb -o protein_processed.gro -water spce 

两个蛋白的结合可以手动或者使用如下脚本完成:

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import sys
pro_gro = sys.argv[1]
lig_gro = sys.argv[2]
pro = open(pro_gro,'r').readlines()
lig = open(lig_gro,'r').readlines()
pro_dat = [line.rstrip() for line in pro]
lig_dat = [line.rstrip() for line in lig]
tot_num = int(pro_dat[1])+int(lig_dat[1])
com_dat = [pro_dat[0],'%5d'%tot_num]+pro_dat[2:-1] + lig_dat[2:-1] + [pro_dat[-1]]
for line in com_dat: print line

运行脚本

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python combineGro_prot_lig.py protein_processed.gro BNZ.gro > complex.gro
2.2 蛋白配体拓扑结合

我们对拓扑文件(topol.top)进行修改。 在#include "oplsaa.ff/forcefield.itp"后加上#include "BNZ.itp"行来merge蛋白和配体。在Protein_chain_A 1后加上BNZ 1

2.3 设置MD模拟

后面的部分与载脂蛋白模拟部分类似: 首先增加水盒子

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editconf -f complex.gro -o complex_box.gro -c -d 1.0 -bt cubic

填充水:

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genbox -cp complex_box.gro -cs spc216.gro -o complex_box_wSPCE.gro -p topol.top

增加原子:

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grompp -f MDP/ions.mdp -c complex_box_wSPCE.gro -p topol.top -o ions.tpr
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genion -s ions.tpr -o complex_box_wSPCE_ions.gro  -p topol.top -pname NA -nname CL -nn 8

能量最小化:

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grompp -f MDP/em_real.mdp -c complex_box_wSPCE_ions.gro -p topol.top -o em.tpr
mdrun -v -deffnm em

一般说来,在进行NVT模拟之前,用户需要增加配体的位置限制从而不会在加热过程中使得配体从蛋白中逃逸 位置限制

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genrestr -f BNZ.gro -o posre_BNZ.itp -fc 1000 1000 1000

上面命令会使得posre_BNZ.itp生成,需要在#include "oplsaa.ff/ions.itp"上增加#include "posre_BNZ.itp"的内容 为了让蛋白配体系统一起进行温度计算,需要通过如下命令使得两者成为一个体系

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make_ndx -f em.gro -o index.ndx
#选择蛋白和配体选项
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q

平衡与正式模拟:

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grompp -f nvt.mdp -c em.gro -p topol.top -n index.ndx -o nvt.tpr
mpirun.lsf mdrun -deffnm nvt
grompp -f npt.mdp -c nvt.gro -p topol.top -n index.ndx -o npt.tpr
mpirun.lsf mdrun -deffnm npt
grompp -f md.mdp -c npt.gro -p topol.top -n index.ndx -o md.tpr
mpirun.lsf mdrun -deffnm md

如果对配体为进行限制,那么NVT和NPT平衡设置文件中define = -DPOSRES ; position restrain the protein and ligand 需要被移去 模拟中用到的mdp文件可以在github上下载:https://github.com/leelasd/ligpargen/tree/master/GMX_LP_MDPS

参考文献:

  1. Potential energy functions for atomic-level simulations of water and organic and biomolecular systems. Jorgensen, W. L.; Tirado-Rives, J. Proc. Nat. Acad. Sci. USA 2005, 102, 6665-6670

  2. 1.14*CM1A-LBCC: Localized Bond-Charge Corrected CM1A Charges for Condensed-Phase Simulations. Dodda, L. S.; Vilseck, J. Z.; Tirado-Rives, J.; Jorgensen, W. L. J. Phys. Chem. B. DOI:10.1021/acs.jpcb.7b00272

  3. LigParGen web server: An automatic OPLS-AA parameter generator for organic ligands. Nuc. Acids. Res., DOI: 10.1093/nar/gkx312

  4. Storer J W, Giesen D J, Cramer C J, et al. Class IV charge models: a new semiempirical approach in quantum chemistry.[J]. Journal of computer-aided molecular design, 1995, 9(1):87-110.

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