Молекулярная динамика биологических молекул в GROMACS

Моделирование плавления алфа-спирального пептида в формамиде

Технические детали

  • Силовое поле используемое при построении топологии - amber99sb.
  • Заряд системы = -1. Причины этого значения - заряженные аминокислоты в составе пептида.
  • Размер ячейки - 5.06500 4.67000 4.22100, форма - кубическая.

Минимизация энергии:

  • Алгоритм минимизации энергии - l-bfgs (quasi-Newtonian algorithm for energy minimization according to the low-memory Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno approach)
  • Алгоритм расчёта электростатики и Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий - cut-off
  • Модель, которой описывался растворитель - полноатомная модель формамида (был дан файл с ячейкой уравновешеных молекул формамида - fam_em.gro)

Утряска растворителя:

  • Для биополимеров, укажите параметр который обуславливает неподвижность биополимера - define = -DPOSRES
  • Число шагов - 1000
  • Длина шага - 0,0002 ps
  • Алгоритм расчёта электростатики и Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий - pme, cut-off
  • Алгоритмы термостата, xбаростата - V-rescale, no

Основной расчёт МД:

  • Время моделирования - 6h13:53
  • Количество процессоров - 8 OpenMPI Threads
  • Эффективность масштабирования - Wait + Comm. 0.5%
  • Длина траектории - 10000 ps
  • Число шагов - 5000000
  • Длина шага - 0,002 ps
  • Алгоритм интегратора - md (leap-frog algorithm for integrating Newton’s equations of motion)
  • Алгоритм расчёта электростатики и Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий - pme, cut-off
  • Алгоритмы термостата и баростата - v-rescale, Berendsen

Моделирование

6) В ходе оптимизации геометрии системы изменилось значение максимальное силы - от Fmax=2.295e+03 до Fmax=6.348e+02.

8) В ячейку было добавлено 901 молекула формамида (FAM).

10) На этом шаге была произведена процедура нейтрализации заряда системы. До этого заряд системы до был -1.000000, после стал 0.0  (добавился Na).

Рис.1. Содержимое ячейки до "утряски" воды

Рис.2. Содержимое ячейки после "утряски" воды

12) После утряски молекулы растворителя стали распологаться более хаотично.

Анализ

1) Визуальный анализ

Значимые изменения в 17-й модели (t= 3200.00000). В этот момент концевые участки белка расходятся в стороны и нарушается структура альфа-спирали. Но в целом все равно структура пептида сохраняется.

In [24]:
import pymol_mac
from pymol_mac import cmd

pymol_mac.finish_launching()

cmd.load('pep_fit_1.pdb')
cmd.orient()
cmd.move('z', 30)
cmd.bg_color('white')
cmd.do(f'mpng movie/, width={1920//3}, height={1080//3}')
In [25]:
import imageio
with imageio.get_writer('movie.gif', mode='I', fps=30) as writer:
    for x in range(0, 50):
        filename = f'movie/{x+1:04}.png'
        image = imageio.imread(filename)
        writer.append_data(image)
In [26]:
from IPython.display import Image
display(Image('movie.gif', format='png'))

2) Средне-квадратичное отклонение

Максимальное средне-квадратичное отклонение относительно стартовой структуры наблюдается при t=8290 и составляет 0,4141793. При расчете отклонения для каждой предыдущей структуры на растоянии 400 кадров ближе к концу оно уменьшается, что свидетельствует об окончании конформационного перехода.

3) Изменение поверхностей доступных растворителю

Значительных изменений в ходе моделирования не наблюдается. Можно отметить повышение гирофильной поверхности в области t= 3200.00000, что можно связать с нарушением альфа-спиральной структуры в концевой области пептида и экспонированием гилрофильных атомов на поверхность.

Рис.3. Изменение гидрофобной поверхности в ходе конформационного перехода

Рис.4. Изменение гидрофильной поверхности в ходе конформационного перехода

4) Водородные связи в пептиде

В начальный момент моделирования водородных связей в пептиде было 12. На конечный момент их стало 10, что связано опять же с нарушением структуры альфа-спирали в концевых участках пептида.

Рис.5. Изменение количества водородных связей в пептиде в ходе моделирования

5) Количество водородных связей пептид-формамид.

В начальный момент времени пептид после утряски воды еще не релаксирован, поэтому количество водородных связей мало (9). На протяжении основного моделирования сильных изменений в числе водородных связей с растворителем не происходит.

Рис.6. Изменение количества водородных связей пептид-растворитель в ходе моделирования

6) Зависимость вторичной структуры от времени

Рис.7. Зависимость вторичной структуры от времени

Рис.8. Структура пептида при t=0 и t=200

После начального момента времени альфа-спираль сильно деформируется (рис.8), но после 1000 пс она снова уравновешивается (рис.7). В конце моделирования (~после 7000 пс) наблюдается плавление с краев.