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復合蛋白amber坐標和拓撲文件的創建

作者：朱寧 來源：大科研小分享

前言

分子動力學(Molecular Dynamics, MD)是一門結合物理，數學和化學的綜合技術。目前主流分子動力學軟件有NAMD、GROMACS、AMBER等。

AMBER分子動力學程序包是由加州圣弗蘭西斯科大學(UCSF)的Peter A Kollman和其同事編寫的，程序很全，大約包含60多個程序，相互協調工作。現在已經發展到版本20。AMBER功能涵蓋種類非常多的生物分子，包括蛋白、核酸以及藥物小分子。

本文中，筆者將以T4溶菌酶L99A / M102Q和2-丙基苯酚(PDB ID:3htb)的復合蛋白為例，在ubuntu環境下創建amber MD的坐標和拓撲文件，以便于學習、分享之用，如有侵權，請聯系刪除。

操作環境：ubuntu18.04 操作軟件：ambertools19、文本編輯器 文件準備：3htb.pdb 小分子resp電荷計算網站：
https://upjv.q4md-forcefieldtools.org/REDServer-Development/

01

PDB文件的準備 首先，我們對需要模擬的復合蛋白的PDB文件進行清理 (PDB文件中用于設置amber模擬的唯一必需數據或有用數據是：原子名稱，殘基名稱，某些與配體成鍵的水分子可能還有鏈標識符(如果存在多個鏈)以及重原子的坐標)，對于復合蛋白如果有氫原子，建議是全部刪除后，利用
reduce、H++、chimera 或者
amber 中
l
eap 添加。 打開終端，終端輸入命令:

pdb4amber-i3htb.pdb-ocomplex.pdb--reduce--dry#--reduce：用reduce加氫，--dry：刪除所有水分子。#如果想刪除所有H原子，后面加上-y 即可，示例中的3htb.pdb中沒有H原子。

注：
pdb4amber不能清理PDB文件中MD模擬不需要的鏈以及多余的配體，需要手動刪除。同時，
pdb4amber清理PDB文件時會預測組氨酸的質子化狀態(
δ 、 ε、δ 和ε位置均質子化)，然后分別對組氨酸殘基重命名(
HID，HIE，HIP)。示例中3hth.pdb中某些組氨酸殘基名
HIS，在
pdb4amber 清理PDB文件后在
complex.pdb中組氨酸殘基名為
HID。對于其他殘基質子化 狀態可通過其他軟件(
H++、PROPAK、MOE及其他藥物設計軟件等)進行預測，然后手動或者軟件自動修改，也 有人說其他氨基酸質子化不影響H鍵，正好筆者比較懶，其他氨基酸質子化的步驟便省略了，但是
amber19手冊 12.2有關其他氨基酸質子化殘基命名的說明，因此筆者在
第四節中敘述了關于amber其他氨基酸殘基的質子化狀態以及命名。用
pdb4amber自動清理后，用文件編輯器打開
complex.pdb我們刪去配體中還有多余的磷酸鹽離子(
PO4)和β-巰基乙醇(
BME)，保留2-丙基苯酚(
JZ4)，保存
complex.pdb。刪除多余的磷酸鹽離子(
PO4)和β-巰基乙醇(
BME)后，我們對PDB文件重新編號。終端輸入：

pdb4amber -i complex.pdb -o complex-mod.pdb

然后復制2-丙基苯酚(
JZ4)的坐標，粘貼至另一個新建文本文件中，保存為PDB文件。這里筆者保存為
ligand.pdb，即小分子配體PDB文件。

02

小分子力場參數化小分子力場參數化主要是分兩個步驟，首先我們的計算小分子的原子電荷，可以選擇
bcc電荷，也可以選擇
resp電荷。不要求太高精確性，就采用
bcc電荷，計算方法也簡單。要求比較高的話，采用resp電荷。然后
parmchk2檢查帶有原子電荷的力場庫文件
(
mol2 or amber prep
)，補齊
gaff力場中缺失的鍵, 鍵角, 二面角參數等，生成力場參數文件
frcmod。 采用
bcc電荷的話：使用
antechamber和
parmchk2即可

antechamber-iligand.pdb-fipdb-oligand.mol2-fomol2-cbccparmchk2 -i ligand.mol2 -f mol2 -o ligand.frcmod

采用resp電荷的話：可以用一些量化軟件(如Gaussian 、Multiwfn、GAMESS)進行計算然后擬合以及R.E.D網站。
https://upjv.q4md-forcefieldtools.org/REDServer-Development/ 這里我們介紹下這個花里胡哨的網站，該網站提供電荷的計算擬合，以及力場的開發等等。當然網站是免費的，正經人誰用付費的。注冊一個賬號，這樣網站分配的計算資源多一些，而且可以使用Gaussian計算，不用擔心版權。提交文件后，他會在任務運行和結束發送郵件。使用該網站，我們必須提供的小分子的PDB文件，示例即
ligand.pdb。網站沒更新前還必須提供 System.config，Project.config文件，用于自定義項目配置參數。包括分子名稱，分子總電荷，自旋多重度以及擬合電荷的基組、內存、并行計算核數等。更新后就不是必要的了，我們選擇默認設置就好
(
總電荷和自旋多重性分別為0和1，執行幾何優化和MEP補償、最大內存為61440 ，核心數為8等
)。如下圖所示，這里我們利用網站計算生成的力場庫文件
(Force field library)-Mol-sm_m1-c1.mol
2，下載文件后，移至工作目錄，名字太長了，重命名 為
ligand.mol2 。 該網站還直接提供力場參數文件(基于amber10)和leap腳本，筆者認為其使用過于復雜，花里胡哨，故不做選擇，有興趣的可自行嘗試。 獲取力場庫文件
ligand.mol2 ，終端輸入：

parmchk2 -i ligand.mol2 -f mol2 -o ligand.frcmod

這樣我們就得到了力場參數文件
ligand.frcmod和以及帶有原子電荷的庫文件
ligand.mol2。

03

創建坐標和拓撲文件 準備好了所需的文件后，接下來終端輸入以下命令即可：

tleap #打開tleapsource leaprc.protein.ff19SB #加載蛋白質力場source leaprc.gaff2 #加載gaff2力場source leaprc.water.tip3p #加載水模型loadamberparams ligand.frcmod #導入小分子力場參數文件JZ4=loadmol2 ligand.mol2 #加載小分子庫文件，JZ4為PDB文件小分子殘基名。com=loadpdb complex-mod.pdb #導入復合蛋白charge com #計算體系電荷，示例的體系帶正電，故此加入Cl-addions com Cl- 0 #加入抗衡離子使體系電中性solvatebox com TIP3PBOX 10.0 #加入水盒子,大小為10埃saveamberparm com complex.top complex.crd #創建拓撲和坐標文件quit #退出

當然也可像筆者這樣將命令放到一起，創建一個
tleap.in 的腳本，終端輸入：

tleap -s -f tleap.in > tleap.out

04

氨基酸殘基質子化 質子化其實就是氨基酸N端多加了質子(氫原子)。氨基酸殘基的質子化狀態會隨著蛋白質所在環境的pH值不同而發生變化，質子化的殘基如果形成氫鍵，因為氫原子的位置不同，所以跟普通的殘基也是不一樣的。 對于環境pH值比較敏感的殘基主要包括:HIS,ASP,GLU,LYS。 對于
HIS ，
δ 和ε位置均質子化 狀態下改為
HIP ，
δ 和ε位置分別質子化為
HID 和
HIE 。
HID 和
HIE 的區別在于質子化的位置分別為
δ
N 和
ε
N ，使用
pdb4amber 時，它會自動預測并且修改。 對于
ASP,GLU,LYS質子化分別對應
ASH,GLH,LYN
。創建amber坐標和拓撲文件之前，可手動將殘基名修改成對應的表示質子化的殘基名，然后加氫。當然，不改對體系的影響也不大。一般情況下，修改組氨酸殘基名
HIS就可以了。 最后，筆者認為如果發生質子化的殘基不在活性口袋區域，那這些殘基改不改都無所謂了。不在活性口袋，根本沒有必要研究它，當然這僅是筆者的個人看法。 后記 對于分子動力學模擬，筆者也是剛接觸不久，文中所寫也是筆者自行參閱amber手冊以及網上的一些資料得出，若有不當指出，歡迎指正。
– END –

總結

以上是生活随笔為你收集整理的分子模拟软件amber_使用Amber创建小分子与蛋白质复合蛋白的坐标和拓扑文件的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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