粗粒化的弹性网络模型(共15张PPT)

情况1：复杂而细致的模型是不必要的，
也是极耗计算量的！
氨基酸残基的中心，氨基酸残基的大型侧链中心
类似于传统的宏观材料科学中的方法，
如连续介质材料弹性力学中的有限元方法。
topological nettowoprkoolof pgroitceianl network of protein
共价键的Link
与距离（几乎）无关， 只与是否存在共价键连接有关
ENM的Link
第三页，共15页。
Elastic Network Model of Proteins
• ENM
第四页，共15页。
Elastic Network Model of Proteins
• ENM
ENM的连边决定于距离
第五页，共15页。
Coarse-grained Elastic Network Models
在符合第一性原理计算结果的热力学平衡态构型基础上的多自由度系统简谐振动模型
预测蛋白转动、弯折等构象转变的方法：
在符合第一性原理计算结果的热力学平衡态构型基础上的多自由度系统简谐振动模型
在符合第一性原理计算结果的热力学平衡态构型基础上的多自由度系统简谐振动模型
It has been shown that functionally important conformational changes of proteins can be described by the low frequency normal modes （低频简
• ENM，根据研究者关注对象的尺度不同，其 基本节点也可以是不同尺度的“粒子”：
原子（M.M. Tirion, PRL1996，第一个ENM of Protein） 原子簇 （如刚性原子簇弹性网络模型）
氨基酸残基的中心，氨基酸残基的大型侧链中心 （粗粒化的ENM of Protein，K. Hinse, Proteins1998）
• 情况2：实验数据不足以构建精细的模型。
第七页，共15页。
How and where ENM works?
• 骨架结构，特别是nodes的坐标源于微观
实验测量，如X-ray衍射、NMR等； QM/MM计算，从ab initio计算到半经验计算。
• 内力作用的处理方式则源于宏观科学
类似于传统的宏观材料科学中的方法， 如连续介质材料弹性力学中的有限元方法。
• 预测蛋白转动、弯折等构象转变的方法：
低维度上的简正模式运动+三维各向同性的随机扰动
第十页，共15页。
应用实例：蛋白各氨基酸残基的涨落振幅
红线为实验值
Coarse-grained ENM 精确定量预测振幅还 是有欠缺的，特别是 预测较极端的振幅。
Coarse-grained ENM 可以比较准确的预测哪 些残基有较大涨落振幅， 哪些残基的涨落振幅较 小。
• 不能处理蛋白的细节变化
如某个残基被水解酶剪切，或者新合成的线性肽链折叠 成蛋白质，酶活性中心的氧化还原等等
第九页，共15页。
EN的低频简正模
• EN内部相对运动（至少大尺度运动）的特 征量在粗粒化处理之后没有明显改变。
It has been shown that functionally important conformational changes of proteins can be described by the low frequency normal modes （低频简正模） which are robust and insensitive to higher coarsegraining.
粗粒化的弹性网络 模型
第一页，共15页。
Elastic Network Model of Proteins
• ENM
Outer membrane protein F (OmpF) in E.coli
三聚体的一个亚基
第二页，共15页。
Elastic Network Model of Proteins
正模）which are robust and insensitive to higher coarse-graining.
Atilgan et al.
How and where ENM works?
低维度上的简正模式运动+三维各向同性的随机扰动
Elastic Network Model of Proteins
Phosphatase Cdc25B
• ENM Tirion, PRL1996，第一个ENM of Protein）
最低频简正模下各残基的振幅 蛋白质分子内部亚基之间的相对运动
Outer membrane protein F (OmpF) in E.
（高度复杂的蛋白质复合体，如病毒衣壳）
Elastic Network Model of Proteins
蛋白质亚基的质量中心 （高度复杂的蛋白质复合体，如病毒衣壳）
第六页，共15页。
Why use ENM?
• 情况1：复杂而细致的模型是不必要的， 也是极耗计算量的！
依据ENM，利用粗粒化方法，可以大大减小计算量，特 别是连续计算一组过渡态的时候（用于研究蛋白质及其 它高分子内部亚基间的相对运动、分子构象转变conformational transition——如转动、弯折等动态过程）。
第十一页，共15页。
应用实例：蛋白质的最低频简正模
• Phosphatase Cdc25B
最 低 频 简 正 模 下 各 残 基 的 振 幅
第十二页，共15页。
Anisotropic (Elastic) Network Model
• ANM事实上就是Anisotropic ENM
A.R. Atilgan et al., Anisotropy of fluctuation dynamics of proteins with an elastic network model, Biophys. J. 80, 505 (2001)
• ENM的本质
在符合第一性原理计算结果的热力学平衡态构型基础上 的多自由度系统简谐振动模型
第八页，共15页。
How and where ENM works?
• ENM的本质
在符合第一性原理计算结果的热力学平衡态构型基础上 的多自由度系统简谐振动模型
• 蛋白质分子内部亚基之间的相对运动 • 蛋白质分子间的相对运动