在计算酶学中结合量子力学分子力学的方法

在计算酶学中结合量子力学/分子力学（QM/ MM）的方法摘自BIOCHEMISTRY，2013年4月期药物代谢酶学课程报告摘要计算酶学是一个迅速成熟的领域，这一领域在理解酶的催化反应机制和他们的实际应用中越来越不可或缺。

在此领域中，结合量子力学/分子力学（ QM / MM ）的方法是重要的。

通过量子力学的方法（即一种计算活性位点电子结构的方法）训练的反应种类并用简单的分子力学的方法分析酶的环境，对酶的反应进行建模。

在这里我们回顾QM / MM方法和他们在酶的催化反应基本问题和实际问题研究中的应用。

与高度精确的电子结构方法相比，从更便宜和更近似的方法中一系列QM / MM方法是可用的，这一系列方法可以被用于分子动力学模拟分析。

我们将讨论如何使用这些方法对反应进行建模能够深入洞察酶的机制，并通过回顾一些最近的应用来说明。

我们列出了一些这种模拟的实际问题。

此外，我们强调展示了QM / MM方法如何为实际开发和应用酶学做贡献的应用程序，例如在药物和催化剂设计中对突变的效果的解释和预测。

由于酶非凡的能力，其对催化反应的效率是必不可少且不同寻常的，特别具有较高的特异性和在温和的生理条件下。

了解酶是如何获得这些卓著功勋不仅是生物的一个重要的基本问题，它也将有助于一系列的技术应用比如在药物开发中作为先导化合物的抑制剂，预测药物的代谢以及设计具体转换的催化剂。

结构生物学、酶动力学以及突变中各种各样的实验使我们对酶更加有洞察力。

由于酶的复杂度和研究他们反应的难度，然而许多问题和不确定因素依然存在，从而引发了许多酶学方面的激烈辩论。

计算机建模与仿真，以其独特的潜力提供对生物分子动力学和反应的详细的、具有原子分辨率的洞察力，可以通过实验结果的补充解释和扩展来帮助解决一些有争议的问题。

也许最明显的是，计算可以研究转换状态的结构，其实反应的核心却不能通过酶的实验来研究。

计算酶学可以被广泛定义为酶及其分子反应机制的建模与仿真。

近几年来这个领域已经迅速成熟，越来越多的实验和计算酶学通过合作来解释实验数据（例如，见文件2和3）并且深入理解模型以此为指导进行未来的实验。

计算酶学中一些不同类型的模拟已被证明是有用的。

自从1976年Warshel和Levitt的先前的工作，结合量子力学/分子力学（QM/ MM）方法已涉足这一领域。

在QM/MM的发展中，对酶内部反应建模的欲望一直是一个重要的推动力。

本次回顾将主要集中在计算酶学中的QM/MM方法，其他模拟和建模方法在此领域也很重要。

特别是经验价键（empirical valence bond，EVB）方法（它通常使用分子力学和电子结构量子力学的组合表示，而不是一种单一的分子力学表示）已经提供了许多对酶的催化作用的基本的深入理解。

计算所采用的仅QM方法也为许多酶机制的模拟提供了良好的路线，在可被模型化的系统大小方面与QM/MM方法有所区别。

在这次回顾中我们讨论了QM/MM方法的不同类型，他们在酶反应建模的应用中的范围和实际问题。

我们指出了QM/MM法是如何为关于酶的催化能力的来源的辩论做贡献的，我们也为个体机制提供了详细的深入理解。

我们进一步强调了用QM/MM方法对反应进行建模在药物设计、药物代谢和生物催化剂设计的发展做出的贡献。

QM/ MM 方法也被应用到生物分子科学的其他类型的问题中，例如，在计算光谱性质、光化学、PKa值以及在对接和自由能的模拟中配体结合亲和力的预测，但这些应用是本次回顾的范围之外的。

QM/ MM方法模拟酶催化反应机制QM/MM方法现在广泛应用于酶，自2007年开始每年有超过100项的研究论文发表（2011年和2012年分别有139篇和124篇原创论文发表）。

因此在一个简短的回顾中不可能覆盖所有或者甚至是大多数的近期的酶学的QM/MM方法。

在这些研究中的详细程度、复杂程度和准确度普遍都增加了。

日益增强的计算机能力，QM/MM 方法应用的软件更容易获得以及方法的改进都使得这成为可能。

QM/MM方法的原则是用量子力学的方法（即一种描述分子间电子结构的方法）训练系统的一小部分，系统剩余的部分用分子力学的方法训练（即一种使用简单的潜在能量作用描述原子间相互作用的方法，也即一种力场）.量子力学训练中允许对涉及化学键的断裂和组成的电子重排的建模，而分子力学的训练方法允许对更广泛的环境和反应能量的效果的有效包含。

QM/MM 方法适用于酶已在其他地方被详细的描述了。

QM / MM 方法一般有两种添加途径一种是增量模式（eraction MM QM MM MM QM QM total E E E E int )()(-++=,)(QM QM E 是量子力学方法中量子区域的能量，E MM(MM)是分子力学方法中分子力学区域的能量，E QM ‑MM interaction 是两个区域相互作用的能量）另一种是删减模式（E total = E MM,total + E QM(QM) −E MM(QM)，其中E MM,total 是整个系统的能量，E MM(QM)是使用分子力学方法计算的量子力学的区域能量），正如ONIOM 方法所使用的一样。

在删减法中，活性位点区域在分子力学层级建模，并且选择对于反应的所有状态的合适的分子力学参数（比如原子电荷）是一个重要的考虑因素，这对不知情的使用者可能不是显而易见的。

直到最近，使用删减法的计算方法通常采用“机器嵌入”方案，而目前两者的大部分实现方法允许静电嵌入，其把分子力学区域对量子力学区域的经典影响（通常很重要）考虑进来，也就是说，把有分子力学区域的原子电荷引起的量子力学的极化考虑进来。

在酶的QM/MM 计算中有五个通用特性是非常重要的：（1）量子力学方法的选择。

（2）分子力学力场的选择（包括量子力学区域需要的分子力学参数）（3）把系统分为量子力学区域和分子力学区域（包括对便捷共价键的处理）（4）仿真类型（例如，分子动力学仿真或势能普计算）例如，是否执行广泛的构象取样（5）构建（并且测试）一个酶复合物准确的分子模型。

量子力学的方法选择是至关紧要的：该方法应当适合所关注的反应，以及对于需要的仿真类型是计算可行的。

存在过多的不同的量子力学方法，从快速,半经验方法（如AM1，PM3，SCC-DFTB ）到更准确但是计算量大的密度函数（如B3LYP ）和分子轨道方法（如MP2，耦合簇等）。

不是所有的方法都适用于所有的系统，无论是精度和实用性的原因（例如，相关从头计算的方法对于过渡金属的程序应用仍然很昂贵，虽然这种情况已经有所改变），还是缺乏参数（如，半经验方法）。

通常（不一定总是），精度的改进来自于计算代价的提高。

然而重新参数化近似法或应用简单的修正以提高具体反应的精度是可能的；这为那些需要能量评估的应用提供了准确的方法，如分子动力学模拟（见附件RA ）。

此外，较新的半经验方法可以提供更高的精度和更广泛的应用领域。

相关的从头计算的量子力学放在在测试计算要求不高的量子力学方法的精度中是有用的（例如，半经验或密度函数，DFT ），因为后者可以有重要的（或者有时没有估计到的）特殊的酶反应的限制。

对于DFT计算，包括色散效应（例如，通过经验修正）可能对反应建模很重要。

在QM/MM研究中的量子力学力场应当被选择，因为其准确的描述了MM区域外及其与MM区域间的相互作用的系统的一部分。

对于蛋白质，标准的全原子力场如CHARMM27，AMBERff99或ff99SB，和OPLS-AA是经常被使用的。

除了选择合适的QM和MM方法以及一个QM/MM方法外，用QM/MM方法模拟一个酶的反应还需要几个重要的选择，不如决定哪些原子包括量子力学区域里，如何看待跨越QM/MM边界的共价键（例如，引入QM和MM原子间额外的链路数，MM原子的混合轨道或者是一个‘pseudobond’来代替QM-MM共价键—所有这些方法可以给出合理的结果），确定了残留物的质子化状态，以及如何（大范围的）训练静电相互作用。

（后两种选择也同样适用于其他类型的生物分子模拟）再次，为了得到可靠的结论，测试这些选择在结果上的影响是明智的。

最近开发的方法允许QM-MM 的边界即时再定位（自适应分区），可能会帮助一些类型的应用。

在准备好酶和底物的原子模型后（通常基于X射线晶体结构），下一步就是研究模型中的酶反应。

这一研究的一个重要的结果可以是详细的在反应中代表最高能量构象的结构化信息，和过渡态（transition state，TS）结构信息。

由于其短暂的存在时间和酶的复杂性，过渡态结构信息不能直接由实验获得，但是对于理解反应机制至关重要。

对于酶过渡态的复杂的信息也可以潜在的应用于酶抑制剂（如药物先导物）和催化剂的设计中。

各种模拟技术可以被应用到酶反应途径模型中并获得过渡态结构信息。

取决于研究的目标，一个人可以着眼于获得反应的（相对）潜在能量或者是自由能。

一个潜在的能量分布或者最小能量途径（MEP）可以被获得通过最小化系统的沿着坐标几点的能量。

在该MEP的能量最高点的结构代表了过渡态结构信息。

必须指出的是，当计算MEPs时多酶-底混合物应当被考虑，因为障碍和过渡态信息可以因为起始构象不同而显著的不同。

一个自由能普的反应的障碍原则上可以与活化自由能直接进行比较，其中活化自由能是从使用过渡态理论（TST）的实验表观一级反应速率常数（Kcat）获得的。

但是QM/MM建模方法还没有进入可以获得定量准确的自由能普的阶段，例如使用高层次的量子力学方法可以定期被获得。

自由能普理想情况下应当包含系统结构变化的采样。

充足的采样需要很多的计算，这对于QM/MM方法来说成本很高。

一个策略就是，对于QM区域的建模使用廉价、近似的方法（比如说半经验QM法）。

通过比较自由能和使用这种近似方法得到的势能分布，活化熵的估计值可以被计算出来。

相反这些都可以被添加到一个高层次MEP势垒中，以估计活化自由能（例如参见文献47-49）。

在有利的情况下，QM/MM方法可以定量的一实验一致的计算酶反应障碍。

不过需要注意的是，定性的协议，通常是足以区分替代机制，确定的底物特异性，或评估突变的影响。

一个避免使用近似QM方法获得QM/MM自由能差异的很著名的方法是涉及到高层级的MEP，固定QM区域，并且围绕MM区域广泛采样。

固定QM区域是对QM/MM-FE方法的一个很严重的限制，但可以通过在QM区域重新采样构象的方式缓解。

一个很有引用前景的方法使用QM/MM-FE的原则优化反应途径中的最小自由能。

另外一个不同的方法是在QM区域采用Car-Parrinello分子动力学采集样品构象。

通常这种方法仅限于使用总体上不是很准确的梯度校正DFT算法（而不是混合DFT方法，如B3LYP），甚至需要大量计算的短时间模拟（大约10−100 ps）。