膜蛋白的分子动力学研究经典文献

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Kv1.2钾通道闭合的靶向分子动力学模拟

Kv1.2钾通道闭合的靶向分子动力学模拟

Kv1.2钾通道闭合的靶向分子动力学模拟钟文宇;郭万林【期刊名称】《计算力学学报》【年(卷),期】2009(026)004【摘要】钾离子通道是一种能开放或闭合孔道而控制钾离子跨膜流动的膜蛋白.Kv1.2结构是一种开式构型的钾通道结构.也是迄今获得的唯一一种来自真核细胞的钾通道结构.尽管导致Kv1.2结构内螺旋弯曲的PVP序列在KcsA等原核细胞钾通道中不存在,KcsA结构的直武内螺旋闭合构型仍常被作为Kv1.2等真核细胞钾通道的闭式模版.本文在靶向分子动力学模拟中迫使Kv1.2钾通道闭合为KcsA构型.我们发现Kv1.2无法适应KcsA的闭合构型,松弛后内螺旋恢复PVP铰链弯曲,在孔道的腔一门区域形成上下大中间小的沙漏状闭合构型.此构型使开闭构型转换效率更高,可能是钾通道从原核细胞的甘氨酸铰链进化到真核细胞的PXP铰链的原因所在.【总页数】5页(P466-470)【作者】钟文宇;郭万林【作者单位】南京航空航天大学纳米科学研究所,南京,210016;南京航空航天大学纳米科学研究所,南京,210016【正文语种】中文【中图分类】Q66;Q71【相关文献】1.缺氧对肺动脉平滑肌细胞钾通道Kv1.2、Kv1.6基因表达的影响 [J], 廖文慧;曾锐;刘晓晴2.KcsA钾通道的多级开放过程:靶向分子动力学模拟 [J], 钟文宇;郭万林3.蛇床子素对癫痫大鼠电压门控钾通道Kv1.2表达的影响 [J], 李志强;邹飒枫;曾常茜;崔家辉;李晓燕;潘心;段春梅4.钾通道Kv1.2与致痫大鼠发病相关性的研究 [J], 曾常茜;李冬平;唐伟;王葳;曹平安;邹飒枫5.双(7)-他克林对非洲爪蟾卵母细胞表达的Kv4.2和Kv1.2编码钾通道的作用 [J], 余雯静;聂辉;袁春华;李享元;李之望因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。

分子动力学 书籍

分子动力学 书籍

分子动力学书籍分子动力学是研究物质微观粒子运动规律和力学性质的科学方法。

它具有广泛的应用领域,包括材料科学、化学、生物学等。

对于想要深入了解和掌握分子动力学的读者来说,选择一本好的分子动力学书籍是非常重要的。

本文将介绍几本优秀的分子动力学书籍,帮助读者选择适合自己的学习工具。

一、《Understanding Molecular Simulation: From Algorithms to Applications》这本由Daan Frenkel和Berend Smit合著的书是一本经典之作,全面而详细地介绍了分子模拟的基本原理、算法和应用。

书中内容系统且条理清晰,对于从零开始学习分子动力学的读者非常友好。

作者以通俗易懂的语言介绍了分子动力学的基础理论和相关技术,并通过大量的实例和案例深入展示了分子动力学在各个领域的应用。

此外,书中还涵盖了更高级的方法和技巧,适合已经有一定基础并希望深入研究的读者。

二、《An Introduction to Computational Physics》这本由Tao Pang编写的书籍是一本面向物理学和工程学背景的读者的入门指南。

书中从分子动力学的基本原理开始,引导读者逐步学习和理解分子动力学的核心概念。

作者通过清晰的逻辑结构和丰富的例子,将复杂的数学和物理概念用简洁而易懂的语言解释,并通过编程实践帮助读者提升分子动力学的模拟和分析能力。

这本书的特点是理论与实践相结合,适合希望通过实际操作来深入了解并掌握分子动力学的读者。

三、《Molecular Dynamics Simulation: Elementary Methods》该书是一本由J. M. Haile撰写的经典教材,适合那些希望深入了解和学习分子动力学基础原理的读者。

作者通过系统而详细的阐述,全面介绍了分子动力学中的关键概念和基本方法,包括力场、积分算法和统计力学等方面。

书中的数学推导相对简洁明了,语言表达流畅,让读者更容易理解和掌握分子动力学的核心内容。

证明膜蛋白流动性的经典实验

证明膜蛋白流动性的经典实验

证明膜蛋白流‎动性的经典实‎验免疫荧光技术‎(Immuno‎fluore‎scence‎ techni‎que )又称荧光抗体‎技术。

它是在免疫学‎、生物化学和显‎微镜技术的基‎础上建立起来‎的一项技术。

荧光是指一个‎分子或原子吸‎收了给予的能‎量后,即刻引起发光‎;停止能量供给‎,发光亦瞬即停‎止。

荧光素是一种‎可吸收激发光‎的光便能产生‎荧光,并能作为染料‎使用的有机化‎合物,亦称荧光色素‎。

发生原理---基态 激发态产生特点:激发---即刻产生停止激发---瞬间消失种类---光致荧光,化学荧光,X线荧光,阴极射线荧光‎该技术的主要‎优缺点主要优点:特异性强、敏感性高、速度快。

主要缺点:非特异性染色‎问题尚未完全‎解决,结果判定的客‎观性不足,技术程序也还‎比较复杂免疫荧光技术‎- 基本原理免疫学的基本反应是‎抗原-抗体反应。

由于抗原抗体反应‎具有高度的特‎异性,所以当抗原抗‎体发生反应时‎,只要知道其中‎的一个因素,就可以查出另‎一个因素。

免疫荧光技术‎就是将不影响‎抗原抗体活性‎的荧光色素标‎记在抗体(或抗原)上,与其相应的抗‎原(或抗体)结合后,在荧光显微镜下呈现一种特‎异性荧光反应‎。

直接法将标记的特异‎性荧光抗体,直接加在抗原‎标本上,经一定的温度‎和时间的染色‎,用水洗去未参‎加反应的多余‎荧光抗体,室温下干燥后‎封片、镜检。

间接法如检查未知抗‎原,先用已知未标‎记的特异抗体‎(第一抗体)与抗原标本进‎行反应,用水洗去未反‎应的抗体,再用标记的抗‎抗体(第二抗体)与抗原标本反‎应,使之形成抗原‎—抗体—抗体复合物,再用水洗去未‎反应的标记抗‎体,干燥、封片后镜检。

如果检查未知‎抗体,则表明抗原标‎本是已知的,待检血清为第‎一抗体,其它步骤的抗‎原检查相同。

标记的抗抗体‎是抗球蛋白抗体‎,同于血清球蛋‎白有种的特异‎性,如免疫抗鸡血‎清球蛋白只对‎鸡的球蛋白发‎生反应,因此,制备标记抗体‎适用于鸡任何‎抗原的诊断。

生物膜的动力学研究与应用

生物膜的动力学研究与应用

生物膜的动力学研究与应用生物膜是一种广泛存在于自然界中的生命体系结构,它能够在水中或者其他液态介质中形成一个具有特殊生物学功能的膜结构。

生物膜在生命系统中具有非常重要的作用,能够促进细胞之间的物质交换、界面传递以及信息传递,具有广泛的应用前景。

因此,生物膜的动力学研究与应用成为了一个热门话题。

本文将从生物膜的定义、结构、应用等方面入手,详细阐述生物膜在科学研究和实践中的意义。

一、生物膜的定义生物膜是生命系统中一种具有结构性、分子性和生物学功能性的薄膜结构,由生物大分子组成,环境敏感性极强。

它具有自组装自修复、分子识别、传输媒介、敏感传感等多种功能。

二、生物膜的结构生物膜结构复杂多样,但通常由膜蛋白、膜脂和膜糖等组成。

其中,膜蛋白是一种覆盖在细胞膜表面的高分子物质,分别承担传递信号和质量运输,结构非常复杂。

而膜脂则是生物膜中最丰富的构成成分,由一种极性的头部和两个非极性的疏水尾部组成,结构通常呈现出磷脂的两层片状结构。

膜糖是另外一种占生物膜很小比重的物质,主要起到保护、特异性识别等重要作用。

三、生物膜在科学研究中的意义1.肿瘤靶向治疗:生物膜可以作为肿瘤靶向治疗的载体提高药物在肿瘤靶区的富集程度。

通过修改生物膜蛋白、膜脂和膜糖等成分,可以使得生物膜自我定向到肿瘤细胞,促进药物在肿瘤靶区的快速释放,有效地提升治疗效果。

2.基因治疗:生物膜也可用于基因治疗。

通过修饰生物膜的表面成分,可以使其针对性地作用于特定的细胞靶标,从而促进生物体内治疗药物的针对性和效率。

3.肝病诊断:在肝病的诊断方面,利用生物膜制备得到的蛋白芯片和抗体芯片,可以检测肝病标志物的改变,从而较早地对肝病进行诊断,为个体化治疗和预防提供了基础。

四、生物膜在实践中的应用1.在食品行业中:生物膜可以作为一种保鲜剂,通过对食品表面进行保护,延长食品保质期,减少食品变质腐败,提高食品安全等级。

2.在医药行业中:生物膜可以作为药物的载体,针对特定靶区进行快速传输,提高药物效率,减少药物副作用。

生物物理学中膜蛋白的结构和功能研究

生物物理学中膜蛋白的结构和功能研究

生物物理学中膜蛋白的结构和功能研究膜蛋白是存在于生物膜上的一种大分子,是膜结构中最重要的成分之一。

它们能够与细胞内外环境进行特定的相互作用和传递信息,实现细胞与外界交互和内部控制。

因此,膜蛋白的结构和功能研究具有极大的意义。

生物物理学在此方面发挥了重要的作用,为我们提供了深入了解膜蛋白的手段和思路。

1. 膜蛋白的结构膜蛋白的晶体结构是研究膜蛋白结构和功能的基础。

1994年,生物物理学家约翰·麦克劳德首先用X射线晶体学技术解析了一种膜蛋白的晶体结构,由此开创了膜蛋白晶体学的新时代。

以晶体学为基础的膜蛋白结构研究不仅能够解决膜蛋白精细结构的问题,还能够为疾病控制和药物设计提供基础信息。

膜蛋白的结构与聚集状态、跨膜结构和外部化学环境密切相关。

许多膜蛋白具有跨越生物膜的跨膜结构,在膜双层中形成水通道或离子通道,在细胞内外传递物质或信息。

跨膜膜蛋白的结构解析历程中涌现了许多重要的技术手段,例如薄层技术,电子显微镜技术,核磁共振技术等。

其中,作为跨膜膜蛋白结构研究的突破性技术,二氧化碳保护浸入法和毛细管配对技术是最具代表性的。

2. 膜蛋白的功能膜蛋白的功能与其结构密切相关。

因此,通过研究膜蛋白的结构可以深入探究其功能。

膜蛋白能够与细胞环境相互作用,并发挥许多不同的生理过程作用,比如信号传递、稳态维持、离子传输、代谢调控等。

信号通路是膜蛋白的重要功能之一。

细胞膜上大约50%的蛋白都是受体蛋白,其中G蛋白偶联受体是最著名的家族之一。

鸟嘌呤酸和亲苯胺是G蛋白偶联受体的典型配体,这两种物质能够激活受体与特定的G蛋白结合,从而导致G蛋白发生构象变化,激活或抑制腺苷酸酶,并最终调节细胞内的信号传递。

因此,研究G蛋白偶联受体的结构与功能对于认识细胞信号传递通路并提高靶向药物治疗效果具有重要意义。

膜蛋白还扮演着维持细胞稳态的中心角色。

离子通道、转运蛋白和水通道都是膜蛋白的重要类型。

它们能够通过跨膜的方式调节细胞内外物质的平衡状态,从而维护细胞内部环境,排除代谢废物,进一步调节细胞功能和新陈代谢。

药物作用机理的分子动力学模拟研究

药物作用机理的分子动力学模拟研究

药物作用机理的分子动力学模拟研究随着生物技术和计算技术的快速发展,药物分子动力学模拟已经成为新药研发的重要手段。

药物作用机理的分子动力学模拟研究,是指通过计算机模拟来研究药物和受体之间的相互作用,探究它们的结构、功能、作用等方面的信息,以此提高新药研发的效率和成功率。

本文试图从分子动力学模拟的基本原理和药物作用机理的研究角度出发,探讨药物分子动力学模拟的重要性和应用前景。

一、药物分子动力学模拟的基本原理药物分子动力学模拟是一种基于物理学理论建模的计算机模拟方法,它通过离散化药物分子和受体分子的空间结构,并在精细化学力学势场中进行分子运动模拟,从而预测其间的相互作用和反应机理。

该方法适用于理解生物材料的结构和功能,以及物质尺度和时间范围内非常规物理和化学现象模拟等方面,具有高效、精确和可预测性的优势。

二、药物分子动力学模拟的应用前景1. 高通量筛选和设计药物药物分子动力学模拟可以模拟药物和受体之间的相互作用及其所形成的蛋白质结构,从而为药物的筛选和设计提供先进的模型。

通过分析不同药物分子与受体分子结合的动态变化情况,研究人员可以快速挑选出具有良好亲和力的药物分子,构建更加精准的高通量药物筛选平台。

例如,科学家们利用分子模拟成功预测了SARS病毒阳离子通道的结构和可能的药物作用机理,并提出了一种可能的抗病毒药物设计方案。

2. 解析药物和受体的互作机制药物分子动力学模拟可以对药物与受体的相互作用进行动态模拟、可视化和结构加以分析,从而帮助科学家更好地理解其在生物体内的作用机制。

例如,利用分子模拟方法研究了人类肝脏药物转运蛋白(hOATP1B1)与下降肝素药物并探糖的相互作用方式,成功确定了药物结合位点和相关残基,为药物筛选和设计提供了新思路。

3. 精准模拟和预测活性药物的效果药物分子动力学模拟可以使用生物大数据、分子动态和化学计算等技术,对活性药物在生物体内的代谢、转化和作用过程进行更加精准和可靠的模拟和预测,并为药物选择、调配和治疗方案提供科学依据。

gpcr膜蛋白 分子动力学模拟 正构位点

gpcr膜蛋白 分子动力学模拟 正构位点

文章标题:探索GPCR膜蛋白的分子动力学模拟与正构位点一、引言在当今生物医学领域,GPCR膜蛋白一直是备受关注的研究对象。

其作为细胞表面受体,在药物设计和开发中扮演着重要的角色。

本文将通过分子动力学模拟的方式,深入探讨GPCR膜蛋白的结构和功能特点,尤其是正构位点的重要性。

二、GPCR膜蛋白的特点1. GPCR膜蛋白的结构GPCR膜蛋白是一类跨膜蛋白,其结构包括七个跨膜α螺旋、三个胞外环和三个胞内环。

这种特殊的结构使其在细胞信号转导过程中发挥着重要作用。

2. GPCR膜蛋白的功能作为细胞表面受体,GPCR膜蛋白在调节细胞的生长、代谢、分化和凋亡等生理过程中起着重要的作用。

研究GPCR膜蛋白的功能机制对于疾病治疗具有重要意义。

三、分子动力学模拟在研究中的应用1. 分子动力学模拟的原理分子动力学模拟是一种模拟分子间相互作用和运动规律的方法。

通过模拟蛋白质的运动状态和构象变化,可以揭示其在生物体系中的结构和功能。

2. 分子动力学模拟在研究GPCR膜蛋白中的应用通过分子动力学模拟,可以模拟GPCR膜蛋白受体的激活机制、配体结合特征以及正构位点的变化规律。

这为研究人员提供了独特的视角,有助于深入理解GPCR膜蛋白的结构和功能。

四、正构位点的重要性及研究进展1. 正构位点的定义正构位点是指与GPCR膜蛋白特定功能相关的结构位点,其变化可能直接影响蛋白的功能性质。

2. 正构位点在GPCR膜蛋白中的作用研究表明,正构位点在GPCR膜蛋白的活性和选择性中起着至关重要的作用。

通过分子动力学模拟可以揭示正构位点的构象变化规律,为药物设计和开发提供重要参考。

3. 研究进展近年来,越来越多的研究关注GPCR膜蛋白的正构位点及其调控机制。

利用分子动力学模拟技术,不断有新的研究成果得以发表,为理解GPCR膜蛋白的功能与药物设计提供了新的思路。

五、结论通过本文的探讨,我们可以清晰地看到GPCR膜蛋白在生物医学领域的重要性,以及分子动力学模拟在研究中的应用价值。

Si(100)2×1薄膜的分子动力学研究

Si(100)2×1薄膜的分子动力学研究

万方数据溅射生长Ge/Si(100)z×。

薄膜的分子动力学研究/陈立桥等离,之后再在300K下驰豫3ps以形成Si(100)2×-表面。

整个模拟晶胞自下而上分为3部分。

①底部2层,在整个动力学过程中保持si原子固定;②中间5层,其原子用速度标定法[13]标定,使温度始终与设定的温度保持一致;③表面5层,让表面原子完全受势场作用。

在平行于表面的X、Y方向上采用二维周期性边界条件,使粒子在水平面上成为赝无限。

共入射216个锗原子,入射锗原子的初始位置离硅表面足够远,以致初始位置时它们的相互作用可以忽略不计,入射位置坐标随机产生。

由于计算机所能模拟的生长速率必定远大于实际生长速率,但模拟发现锗原子在入射到基底表面大约1.5ps后已基本趋于稳定,这里我们取2ps的时间间隔,以让每一个原子可有足够的时间驰豫从而使得结果比较接近实际情况。

模拟中采用Tersoff势[1妇计算原子间相互作用力,Tersoff势对于描述sP3成键类型的金刚石体系及低于或高于四配位的成键方式体系都能给出正确的结果。

而且,它还可以用于描述不同种原子间的相互作用,如C-Si、Si-Ge、Si-B及豁H等,因而在半导体材料体系的模拟中应用广泛,并已成功用于Si-Ge生长体系的模拟计算[15]。

整个模拟过程采用NVT系综,时间步长△X=O.5fs,截断半径取0.8rim。

2结果与讨论2.1入射角度对薄膜生长的影响固定基底温度为650K,然后对比入射能量分别为0.2eWatom及leV/atom时沿45。

与90。

两方向入射后的结果。

图1为界面层原子(衬底最表层硅原子及生长的第一层锗原子)总的对关联函数变化关系。

图2为4种情况下的原子构型截面图。

1J6L23∞‰Q4∞1.61上。

雌~0.4o.oO2468势,易出现空位[16。

而锗以1ev/atom能量入射时,两个角度下的对关联函数很相似,只是90。

时峰形略高一些,而原子构型看不出有明显差别。

分子动力学模拟中支持CIF蛋白质文件格式

分子动力学模拟中支持CIF蛋白质文件格式

分子动力学模拟中支持CIF蛋白质文件格式
王恒越;张志勇
【期刊名称】《中国科学技术大学学报》
【年(卷),期】2024(54)3
【摘要】分子动力学(MD)模拟能够以非常精细的时间分辨率捕捉蛋白质的全原子动态行为,因此它已经成为蛋白质动力学研究的重要工具。

当前有多种MD软件包被广泛使用。

MD模拟需要从一个蛋白质初始结构开始,而初始结构一般来自蛋白质数据库(PDB)。

直到2014年,PDB文件格式一直是蛋白质结构的标准格式。

然而,PDB格式存在一些内在缺陷,例如以固定宽度存储结构信息,这对于超大型蛋白质复合物来说存在问题。

因此,CIF文件格式被提出来替代PDB格式,前者的特点是具有出色的扩展性。

据我们所知,目前主流的MD软件包只支持PDB格式,而不直接支持CIF格式。

在本研究中,我们修改了一个MD软件包GROMACS的源代码,使其能够支持输入CIF格式的蛋白质结构文件,并生成拓扑文件。

这项工作将简化大型蛋白质复合物MD模拟中的预处理过程。

【总页数】7页(P1-6)
【作者】王恒越;张志勇
【作者单位】中国科学技术大学物理系
【正文语种】中文
【中图分类】Q51
【相关文献】
1.分子动力学模拟碳纳米管与蛋白质中功能基团的相互作用
2.蛋白质在溶液中构象转换的分子动力学模拟
3.分子动力学模拟尿素对水溶液中蛋白质构象转变的影响
4.基于蒙特卡洛分子动力学模拟的算法在天然产物小分子与蛋白质相互作用中的应用
5.水中CIF的分子动力学模拟:液体中的卤键作用
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单分子动力学的理论模型及其在生物学中的应用

单分子动力学的理论模型及其在生物学中的应用

单分子动力学的理论模型及其在生物学中的应用单分子动力学,指的是单个分子在生物体系中的动态行为,如游离电子的迁移、酶催化反应、蛋白质折叠和拆解等。

这个领域的发展是生物学和物理学交叉的产物,当代科学家对单分子动力学的理论模型进行了深入研究,不断完善理论框架和实验方法,并将其应用到越来越多的生物学领域。

一、单分子动力学的理论模型单分子动力学理论中的最基本模型是布朗运动。

布朗运动源于Robert Brown对腐败物质中小颗粒运动的观察,并由阿尔伯特·爱因斯坦在1905年提出布朗运动理论,他证明了布朗运动是由于由于粒子与溶剂分子的频繁碰撞而引起的。

根据这一模型,单个分子的运动是不可预测的,但可以用随机过程的统计学方法描述。

研究者可以检测其中某些方面的物理性质,如扩散系数和固定或移动物体的平均访问时间,以获得对系统的了解。

在单分子动力学的理论模型中,另一个非常重要的模型是马尔科夫过程。

假设分子状态在小时间间隔上的转移随机,那么该过程称为马尔科夫过程。

马尔科夫过程有一个重要特征,即当知道系统中的状态时,将来的状态只依赖于当前状态,而不会依赖于之前的状态。

因此,单分子动力学的马尔科夫模型提出了一种对单分子动力学的全局性描述。

二、单分子动力学在生物化学中的应用单分子动力学的理论模型在生物化学中的应用非常广泛。

接下来,我们将以蛋白质为例,说明单分子动力学在生物化学中的应用。

1. 研究酶催化反应机理酶是生物体系中重要的催化剂,参与许多生物体系的反应,如代谢、DNA合成和降解等。

研究酶在反应中的机理可以深入了解其催化效应和催化机制。

对于单分子的酶催化反应,单分子动力学能够为研究者提供一个新的研究工具。

一种广泛应用的单分子动力学技术是研究酶底物-产物转化率和酶催化效果的“单分子酶动力学实验”。

这种技术能够实时监测酶催化反应过程,包括分子的位置和速度信息。

通过比较催化前后底物和产物的运动轨迹,可以更好地了解酶如何作用于底物并转化为产物。

分子动力学相关文献

分子动力学相关文献

分子动力学相关文献分子动力学是一门研究分子在时间和空间上的运动规律的学科,它在物理、化学、生物学等领域都有广泛的应用。

本文将以人类的视角,描述分子动力学在生物学研究中的应用,并探讨其在药物研发、疾病治疗等方面的潜力。

在生物学研究中,分子动力学模拟技术被广泛应用于研究蛋白质的结构和功能。

通过模拟蛋白质在不同环境下的动态行为,科学家们可以更好地理解蛋白质的折叠、变构和相互作用等过程。

这对于揭示蛋白质的功能机制、设计新的药物以及治疗疾病具有重要意义。

例如,分子动力学模拟可以帮助研究人员揭示药物与靶标蛋白之间的相互作用机制。

通过模拟药物分子在蛋白质表面的结合过程,可以预测药物与靶标蛋白之间的结合位点和结合能力。

这为药物研发提供了重要的指导,可以加速新药的发现和设计过程。

分子动力学模拟还可以帮助研究人员研究蛋白质的动态性质,比如蛋白质的构象变化和运动。

这对于理解蛋白质的功能机制、预测蛋白质的折叠路径以及设计新的蛋白质工程具有重要意义。

通过模拟蛋白质在不同温度和压力下的行为,可以揭示其稳定性和可变性,为蛋白质工程提供理论基础。

分子动力学模拟还可以用于研究疾病的发生和治疗。

通过模拟蛋白质的突变和变异,科学家们可以理解疾病相关蛋白质的结构和功能变化,为疾病的诊断和治疗提供依据。

同时,分子动力学模拟还可以用于研究药物在蛋白质表面的结合过程,预测药物的药效和副作用,为个体化药物治疗提供支持。

分子动力学模拟技术在生物学研究中具有重要的应用价值。

通过模拟蛋白质的结构和功能,科学家们可以深入理解生命的奥秘,为药物研发和疾病治疗提供新的思路和方法。

随着计算能力的不断提高和算法的不断发展,相信分子动力学模拟技术将在未来发挥越来越重要的作用,为人类健康和生命科学的发展做出更大的贡献。

蛋白质折叠过程中的动力学和热力学研究

蛋白质折叠过程中的动力学和热力学研究

蛋白质折叠过程中的动力学和热力学研究蛋白质是生命体中最重要的分子之一。

它们是生化反应的催化剂和信使,构成生命机体的各种功能元件。

蛋白质的功能与结构息息相关。

而蛋白质的结构又直接由其折叠状态决定。

越来越多的研究表明,蛋白质折叠过程中的动力学和热力学是影响蛋白质结构及功能的重要因素。

对于一个蛋白质分子来说,其折叠状态决定了它的生物学功能。

尽管所有蛋白质都是由氨基酸组成的,但它们之间的相互作用可以形成多样化的结构和功能。

研究表明,引起蛋白质折叠的力包括范德华力、氢键、静电相互作用和水化作用等。

折叠过程中,蛋白质分子会自发地寻求最佳构象,使其自由能降至最小,从而加强其稳定性和生物学功能。

折叠过程中的热力学是影响蛋白质结构的重要因素。

蛋白质的熵趋向于增加,而它的内能则趋向于减小。

因此,折叠蛋白质的自由能需要在熵减与内能减的平衡中达到最小值。

不同的氨基酸序列和环境条件会导致蛋白质折叠过程中自由能曲线的变化。

这也就意味着,不同的蛋白质可能需要不同的营养物质来保持其稳定结构和正常功能。

此外,环境因素如酸碱度和温度,也会对蛋白质的稳定性产生影响。

动力学在折叠过程中也扮演了重要角色。

蛋白质的折叠速率、稳定性和膜蛋白的结构都与动力学有关。

针对动力学问题,科学家们使用了各种技术与方法。

例如,利用分子动力学模拟(molecular dynamics)和核磁共振技术(NMR),分析蛋白质分子的结构和动力学行为。

分子动力学模拟是预测蛋白质结构的重要工具,可以模拟蛋白质在任何条件下的构象,从而了解折叠过程中的动力学细节。

另外,NMR不仅可以提供关于蛋白质结构的信息,也可解析蛋白质的动力学。

在蛋白质折叠研究领域,最近几年出现了许多新的技术和方法。

其中一些新技术,如单分子荧光技术,可以观测单个蛋白质的折叠过程。

此外,某些实验室开发的新分析方法,如质谱法和生物信息学,能够增加对蛋白质折叠的认识。

这些研究成果不仅提高了折叠的可控性,也为制备未知结构蛋白质提供了路线。

粗粒化动力学模拟在膜蛋白研究中的应用

粗粒化动力学模拟在膜蛋白研究中的应用
个粒子之间多种作用力的综合计算, 使这些粒子达到一
值。 近年来 , 膜蛋白晶体学的研究不断取得进展,已经 有约30 0 个不同膜蛋白的高分辨率结构被研究者们揭示 出来,其中包括了 155种跨膜结构H。开发新药的前 1
提是弄清膜蛋白原子水平的结构。 然而, 膜蛋白作用机
个结构动力学平衡的过程。 我们 目前所主要使用的分子
摘 要: 近年来分子动力学模拟成为了研究膜蛋 白的结构动力学性质的新方法 , 粗粒化动力学模拟克服 了传统全原子
动力学模拟遇到的困 难,其通过适当的简化全原子模型,降低了 模拟的 计算量 , 减少了体系的 自 由度, 提高了计算效 率。可以用来研究更长时间 跨度和更大体积的膜蛋 白 体系, 更深层次地了解膜蛋 白 的相互 作用过程。
因此 研究 膜 蛋 白的 结构 以及 功 能具 有 重要 的 意 义和价
实验方法很难从微观的结构上来探究膜蛋 白相互作用 的机理。 综合以上这些因素, 计算机分子动力学模拟方 法成为了将来的有效研究手段之一 , 可以帮助研究者们 进一步详细地探索膜蛋 白的结构、功能和作用机制。 分子动力学模拟的原理主要是通过对体系内部各
Zhe gBo a , Lu h Zh n n ki oS i o g
(e i e a oao O Bo rcs; ol e i i c n e n cn l y B in nvri C e i l B in K yL br t i i o es C lg l e i c dT h oo ; e i U i syo h mc jg  ̄ p e o fS e a e g jg e ti a
21 第1 期 第6 年 1月 0卷 2 1 2
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用分子动力学模拟研究细胞膜蛋白的特性

用分子动力学模拟研究细胞膜蛋白的特性

用分子动力学模拟研究细胞膜蛋白的特性细胞膜蛋白是细胞膜的重要组成部分,它们参与了很多细胞生物学的过程,如细胞信号传递、细胞黏附和膜通道等。

因此,研究细胞膜蛋白的结构和功能对于理解细胞活动具有重要意义。

传统的实验方法,如X光晶体学、核磁共振等,已经被广泛地应用于细胞膜蛋白的研究中。

然而,这些方法的局限性也是不可避免的。

例如,X光晶体学需要高质量、大尺寸的晶体来进行结构分析,而细胞膜蛋白的结晶往往非常困难。

而核磁共振在研究膜蛋白结构和动力学方面的应用也存在很多困难。

随着计算机技术的迅速发展,分子动力学模拟成为了研究细胞膜蛋白的重要手段之一。

分子动力学模拟是通过计算分子的运动轨迹和相互作用来模拟和研究复杂分子系统的方法。

使用分子动力学模拟研究细胞膜蛋白的结构和功能可以突破传统实验方法的限制,为细胞膜蛋白的研究提供更多的手段。

分子动力学模拟的基本原理是,通过数学计算和模拟,把分子看作由一系列粒子组成的物理系统,然后使用牛顿方程来描述和计算粒子间的相互作用。

这种计算方法可以模拟分子系统中各组分之间的相互作用和运动行为,并最终得到分子系统的稳定状态。

细胞膜蛋白的模拟研究是分子动力学中的一项重要应用。

因为细胞膜蛋白是膜上的蛋白质,它们的结构和功能与膜相互作用密切相关。

细胞膜蛋白的再构成、构型转换、膜蛋白复合物的形成和分解,以及细胞信号传递等重要过程都需要通过和细胞膜的相互作用来实现。

因此,分子动力学模拟可以模拟细胞膜蛋白与膜的相互作用,揭示蛋白质的结构和功能。

分子动力学模拟可以帮助研究细胞膜蛋白的结构。

通过分子动力学模拟,可以研究膜蛋白的组装方式、晶体结构以及空间构型等关键信息。

例如,研究人员可以使用分子动力学模拟来模拟两个膜蛋白复合物之间的相互作用,从而探索复合物的空间结构和稳定性。

同时,分子动力学模拟也可以揭示细胞膜蛋白的功能。

例如,分子动力学模拟能够帮助研究细胞膜蛋白在膜上的运动和相互作用,探究膜通道以及细胞信号传递等过程的细节。

证明膜蛋白流动性的经典实验

证明膜蛋白流动性的经典实验

证明膜蛋白流动性的经典实验免疫荧光技术(Immunofluorescence technique )又称荧光抗体技术。

它是在免疫学、生物化学和显微镜技术的基础上建立起来的一项技术。

荧光是指一个分子或原子吸收了给予的能量后,即刻引起发光;停止能量供给,发光亦瞬即停止。

荧光素是一种可吸收激发光的光便能产生荧光,并能作为染料使用的有机化合物,亦称荧光色素。

发生原理---基态激发态产生特点:激发---即刻产生停止激发---瞬间消失种类---光致荧光,化学荧光,X线荧光,阴极射线荧光该技术的主要优缺点主要优点:特异性强、敏感性高、速度快。

主要缺点:非特异性染色问题尚未完全解决,结果判定的客观性不足,技术程序也还比较复杂免疫荧光技术- 基本原理免疫学的基本反应是抗原-抗体反应。

由于抗原抗体反应具有高度的特异性,所以当抗原抗体发生反应时,只要知道其中的一个因素,就可以查出另一个因素。

免疫荧光技术就是将不影响抗原抗体活性的荧光色素标记在抗体(或抗原)上,与其相应的抗原(或抗体)结合后,在荧光显微镜下呈现一种特异性荧光反应。

直接法将标记的特异性荧光抗体,直接加在抗原标本上,经一定的温度和时间的染色,用水洗去未参加反应的多余荧光抗体,室温下干燥后封片、镜检。

间接法如检查未知抗原,先用已知未标记的特异抗体(第一抗体)与抗原标本进行反应,用水洗去未反应的抗体,再用标记的抗抗体(第二抗体)与抗原标本反应,使之形成抗原—抗体—抗体复合物,再用水洗去未反应的标记抗体,干燥、封片后镜检。

如果检查未知抗体,则表明抗原标本是已知的,待检血清为第一抗体,其它步骤的抗原检查相同。

标记的抗抗体是抗球蛋白抗体,同于血清球蛋白有种的特异性,如免疫抗鸡血清球蛋白只对鸡的球蛋白发生反应,因此,制备标记抗体适用于鸡任何抗原的诊断。

技术分类1 荧光抗体技术(荧光显微镜技术)抗原抗体反应后,利用荧光显微镜判定结果的检测方法。

2 免疫荧光测定技术抗原抗体反应后,利用特殊仪器测定荧光强度而推算被测物浓度的检测方法荧光物质1、荧光色素:许多物质都可产生荧光现象,但并非都可用作荧光色素。

膜蛋白相互作用的分子机制及其应用

膜蛋白相互作用的分子机制及其应用

膜蛋白相互作用的分子机制及其应用膜蛋白(membrane protein)是指存在于生物细胞膜上的蛋白质,它在细胞体内扮演着重要的角色。

如今,膜蛋白反应的研究不仅仅是简单地探究其分子机制,更多地是想着如何使它们参与到临床治疗和药物筛选中,为药物研发提供重要的思路和方向。

膜蛋白的相互作用便是其中的一个非常重要的研究方向。

1. 膜蛋白相互作用的基本模型膜嵌合实验是研究膜蛋白相互作用的经典方法。

它是指将两种不同的膜片分别悬浮在蛋白质溶液内部,通过膜的融合来实现两种膜片的结合。

在这个模型中,膜蛋白可以被包括在其中,并且被借助于蛋白质的表现出来。

这种方法可以通过计算得到膜蛋白的亲和力和非任何化学变化的饱和浓度。

在分子动力学模型中,膜蛋白的构象也是研究膜蛋白相互作用的一个重要方法。

模拟膜蛋白在不同的条件下的构象,可以很好地描绘其空间结构。

同时,这种方法也可以反映出膜蛋白协同作用所要求的结构和动力学过程。

2. 膜蛋白相互作用的分子机制膜蛋白相互作用的分子机制是指用于解释膜蛋白在膜表面和膜内的相互作用的分子过程。

对于多数膜蛋白来说,其在膜表面的环境中与内部的环境差异较大,需要和周围的分子互相作用以维持其结构的使其协同作用。

研究膜蛋白之间的相互作用,可以肯定出膜蛋白之间的互相关系,并为膜蛋白的调节奠定重要的基础。

3. 膜蛋白相互作用的应用随着生物医学领域的迅速发展,人们越来越发现膜蛋白相互作用的应用是非常广泛的。

最常见的应用之一就是利用膜蛋白研究疾病的发生机制。

如膜蛋白的表达方面的不正常,均可导致细胞、组织和器官的功能失调,从而引发多种疾病的发生。

这时,利用膜蛋白相互作用的特性,进一步研究膜蛋白的结构和功能,可以推进疾病的治疗和预防。

此外,膜蛋白相互作用还可以应用于药物递送领域,特别是用于药物的转运和依靠细胞膜的分子识别及口服给药体系。

现代医学中,精确调控药物的传输道路和特定的配合物相互作用,已成为研究的备受关注的点。

膜蛋白在药物代谢和动力学中的作用研究

膜蛋白在药物代谢和动力学中的作用研究

膜蛋白在药物代谢和动力学中的作用研究膜蛋白是一种重要的蛋白质,位于细胞膜上。

它们起着保护细胞免受有害物质的侵害的作用。

同时,膜蛋白也能影响药物代谢和动力学。

因此,研究膜蛋白在药物代谢和动力学中的作用对于发展新的药物和药物调控具有重要意义。

药物代谢和动力学药物代谢指的是药物在体内发生的化学反应,主要发生在肝脏细胞内。

药物代谢作用有三种,分别为氧化、还原和水解。

药物在体内代谢的速度决定了其在体内的维持时间,同时也影响药物的疗效和毒性。

药物动力学是研究药物在体内传播和平衡的科学。

该过程包括药物的吸收、分布、代谢和排泄。

药物的动力学特性可以用来确定药物治疗的合理剂量,从而避免药物产生过度副作用。

膜蛋白在药物代谢和动力学中的作用膜蛋白能够影响药物代谢和动力学,主要是通过调节药物转运和代谢酶的表达水平和活性。

大量的证据表明,膜蛋白和药物代谢产生密切的关系。

因此,研究膜蛋白在药物代谢和动力学中的作用,对于开发新型药物具有重要的意义。

影响膜蛋白通过改变药物转运和代谢酶的表达和活性的方式。

药物转运蛋白也称为ABC转运蛋白,主要包括ABC家族的蛋白和小分子物质的转运。

这些蛋白是某些药物的重要代谢途径。

膜蛋白能够影响药物转运蛋白的表达和活性,从而影响药物的转运和代谢。

药物代谢酶是指肝脏内具有代谢药物能力的酶。

它们能够将药物转化为更易排泄的代谢产物。

如CYP超家族的酶,它可以代谢大量的药物。

膜蛋白能够调节药物代谢酶的表达和活性,从而影响药物的代谢。

药物代谢和动力学的研究方法目前,研究药物代谢和动力学的方法主要包括体外试验和体内试验。

在体外试验中,首先需要检测药物及其代谢产物的作用效果,然后再通过化学和细胞诱导剂等方法调节膜蛋白的表达水平和活性,评估其对药物代谢和动力学的影响。

在体内试验中,需要将特定的药物注射到动物体内或直接口服,然后通过药物体内的动力学变化等数据来分析药物的代谢和吸收规律。

结论综上所述,膜蛋白在药物代谢和动力学中具有重要作用。

P-gp动力学研究进展

P-gp动力学研究进展

P-gp动力学研究进展郑中华;张以忠;方青【摘要】P-糖蛋白(P-gp)是人体内一种重要的载体蛋白.P-gp动力学是P-gp转运机理研究的有效手段,也是药物开发与改造及临床科学用药的理论依据.本文主要从P-gp分子结构、P-gp动力学实验模型及其存在的问题和目前P-gp动力学研究中的困惑等方面进行系统的介绍.【期刊名称】《吉林医药学院学报》【年(卷),期】2006(027)002【总页数】6页(P108-113)【关键词】P-gp;动力学;研究进展【作者】郑中华;张以忠;方青【作者单位】吉林医药学院,病理教研室,吉林,吉林,132013;吉林医药学院,病理教研室,吉林,吉林,132013;吉林医药学院,医学实验中心,吉林,吉林,132013【正文语种】中文【中图分类】R965P-糖蛋白(P-glycoprotein, P-gp)是人体内一种重要的载体蛋白,分子量约为170 kd,在人体内由mdr1基因编码,属于ABC超家族[1]。

在正常人体内,P-gp主要分布在肾脏、小肠、肝脏、胎盘、大脑微血管内皮细胞和子宫等器官[2]。

P-gp 可将对人体有害的物质,如细胞毒性物质“泵”到胆汁、尿液等体液内,从而阻止其进入血液、大脑,对人体起到保护作用。

在肿瘤状态下,P-gp可在肿瘤细胞膜内大量表达,过量表达的P-gp可将化疗药物从肿瘤细胞内主动转运到细胞外,使细胞内的化疗药物浓度大大降低,导致肿瘤细胞耐药[3]。

目前,肿瘤多药耐药是肿瘤化疗失败的主要原因之一。

化合物与P-gp相互作用的动力学研究是筛选选择性P-gp抑制剂类药物的有效方法,该类药物的开发对临床肿瘤多药耐药的有效逆转意义重大。

P-gp动力学研究还可以明确P-gp与化疗药物之间作用的机理,不同作用机理的化疗药物联合应用已在临床上取得明显效果。

人体内药效的发挥除药物与靶点之间的作用因素外,药物在人体内的分布、吸收、代谢、排泄(ADME)性质也是影响药效发挥的重要因素。

细胞生物学中的膜蛋白研究

细胞生物学中的膜蛋白研究

细胞生物学中的膜蛋白研究膜蛋白是指生物体细胞膜上的一类蛋白质,它们位于细胞膜的双层磷脂中,起重要的调节、携带、承载和识别作用。

膜蛋白分为单通道蛋白和多通道蛋白两类,单通道蛋白只贯穿细胞膜一次,而多通道蛋白则可以贯穿多次,形成通道。

膜蛋白研究在细胞生物学中十分重要。

首先是膜蛋白与许多疾病密切相关,例如膜蛋白的突变可能导致一些遗传性疾病,如囊性纤维化和遗传性高胆固醇血症。

其次,一些药物通过与膜蛋白相互作用来发挥作用,因此对于药物设计和开发有着重要意义。

此外,研究膜蛋白结构和功能对于理解生命系统的基本操作以及进化过程也具有重要意义。

目前,研究人员利用多种技术手段来研究膜蛋白,其中最为常用的是X-射线晶体学和电子显微镜。

不过,这些技术手段本质上都是间接观察到了膜蛋白结构,需要依靠后续的生物化学和分子生物学实验来分析膜蛋白的功能。

这一过程十分繁琐、复杂,因此推动研究新技术仍是细胞生物学领域研究的重要议题之一。

近年来,一些新兴技术开始应用于膜蛋白研究。

例如,定向进化技术(Directed evolution)能够针对特定膜蛋白进行改良,通过对其抗体、受体、离子通道及酶等不同功能部位进行基因改造,使其拥有更好的特异性、活性和半衰期。

CRISPR/Cas9基因编辑技术的出现则更是为研究膜蛋白功能带来前所未有的便利。

此外,更直接研究单个膜蛋白的方法也在不断发展。

一项较新的技术是单分子荧光显微术(Single-molecule fluorescence microscopy, SMFM)。

这种技术可以直接观察到单个膜蛋白的分子动力学,获得信息比传统的多膜蛋白研究方法更对应细胞活性化过程。

综上所述,膜蛋白研究是细胞生物学研究中的重要方向之一,如何更好的研究膜蛋白,寻找更直接的方法、新型技术和革命性方法,对于解决许多生物学问题都有着重要意义。

随着技术的不断发展,更多有趣而值得研究的膜蛋白,也将被破解其神秘面纱,共同推动细胞生物学领域的发展。

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Setting up and running molecular dynamics simulationsof membrane proteinsChristian Kandt, Walter L. Ash, D. Peter Tieleman¤Department of Biological Sciences, University of Calgary, 2500 University Drive NW, Calgary AB, Canada T2N 1N4Accepted 17 August 2006AbstractMolecular dynamics simulations have become a popular and powerful technique to study lipids and membrane proteins. We present some general questions and issues that should be considered prior to embarking on molecular dynamics simulation studies of membrane proteins and review common simulation methods. We suggest a practical approach to setting up and running simulations of membrane proteins, and introduce two new (related) methods to embed a protein in a lipid bilayer. Both methods rely on placing lipids and the pro-tein(s) on a widely spaced grid and then ‘shrinking’ the grid until the bilayer with the protein has the desired density, with lipids neatly packed around the protein. When starting from a grid based on a single lipid structure, or several potentially di V erent lipid structures (method 1), the bilayer will start well-packed but requires more equilibration. When starting from a pre-equilibrated bilayer, either pure or mixed, most of the structure of the bilayer stays intact, reducing equilibration time (method 2). The main advantages of these methods are that they minimize equilibration time and can be almost completely automated, nearly eliminating one time consuming step in MD simulations of membrane proteins.© 2006 Elsevier Inc. All rights reserved.Keywords:Molecular dynamics simulation; Membrane proteins; Molecular modeling; Electrostatics; Algorithms1. Introduction1.1. Membrane proteinsA fundamental precondition for life is the compartmen-talization of cells and organelles from their environment that is provided by biological membranes. Beyond this basic role as a barrier, biomembranes facilitate a number of other functions that are mainly determined by the type of proteins associated with or embedded in the bilayer. Mem-brane proteins are therefore of high biological relevance, as they are key players in crucial processes such as energy con-version, transport, signal recognition, and transduction.Compared to soluble proteins it is particularly di Y cult to obtain high-resolution structural experimental data about membrane proteins: to date the 3D structures of 97 di V erent membrane proteins have been solved, whereas about 13,000 structures are available for soluble proteins [1]. Gaining a deeper insight into the architecture of mem-brane proteins is thus clearly a major goal in modern struc-tural biology. Apart from further development and improvement of structure resolving experimental tech-niques, theoretical and computational methods have become increasingly important. These range from bioinfor-matics and homology modeling procedures [2–4] to quan-tum mechanical calculations and molecular mechanical simulations [5–12].1.2. Molecular dynamics simulationsMolecular dynamics (MD) simulations numerically investigate the motions of a system of discrete particles under the in X uence of internal and external forces. The spectra of possible applications based on this approach is*Corresponding author. Fax: +1 403 289 9311.E-mail address:tieleman@ucalgary.ca (D. Peter Tieleman).476 C. Kandt et al. / Methods 41 (2007) 475–488broad, ranging from atoms in a molecule to stars in a gal-axy [13]. However, the underlying principles are the same:interactions of the respective particles are empirically described by a potential energy function from which theforces that act on each particle are derived. With knowledgeof these forces it is possible to calculate the dynamic behav-ior of the system using classical equations of motion, in their simplest form Newton’s law, for all atoms in the sys-tem. For biomolecular systems, a discrete time step of up toa few femtoseconds is used, with typical simulationsconsisting of millions of steps.For an atomic system, the potential energy function con-sists of a set of equations that empirically describe bondedand non-bonded interactions between atoms. This energyfunction together with the set of its empirical parameters is referred to as the “force W eld.” Molecular dynamics force W elds usually consist of two major components. The W rst part describes interactions between atoms connected viacovalent bonds, which typically includes bonds, bond angles, and dihedrals. The second part treats non-bonded interactions, typically as electrostatic interactions between the (partial) charges on each atom and a Lennard-Jones potential to model dispersive van der Waals interactions. Each molecule in the simulation is described by its ‘topol-ogy’, the combination of the set of all atoms with their non-bonded and bonded interaction parameters and the connectivity of those atoms in the molecule.Since their introduction in the late 1950s [14,15] andtheir W rst application to a protein [16], MD simulationshave become a common tool to investigate structure–activ-ity relationships in biological macromolecules. Providing the element of dynamics at an atomic level of detail, these simulations facilitate the interpretation of experimental data and give access to information not directly accessible by experiments. For biomolecular MD simulations, systems of more than 100,000 atoms simulated on a time scale of nanoseconds have become standard. MD simulations also form a critical component of atomic-resolution structure determination methods such as X-ray crystallography and NMR. F or a more detailed introduction to MD simula-tions see for example [13,17–19].1.3. MD simulation of membrane proteinsSince the W rst simulation of a membrane-embedded pep-tide in 1994 [20] and an integral membrane protein in 1995 [21] molecular dynamics simulations of membrane proteins have come a long way. To date, successfully investigated systems include interface-associated and trans-membrane peptides, fusion proteins, channel and pore proteins, trans-porters, ion pumps, ATP-synthases and G-protein coupled receptors. Recent overviews of the W eld can be found in [22,23].In this paper we review the most commonly used meth-ods to set up molecular dynamics simulations of membrane proteins and suggest a practical approach to setting up and running such simulations. We introduce two new and e Y cient techniques to generate a starting structure and also discuss some general questions and issues that should be considered prior to any modeling or simulation. In our group we mainly use GROMACS [24,25], a popular, freely available, and relatively user-friendly set of programs for MD simulations. At the time of writing this paper, the cur-rent version is 3.3.1. Although some of the details will be di V erent for other software packages, and for other ver-sions of GROMACS, the steps and algorithms we describe will be similar and can be readily implemented.2. Description of methods2.1. Simulation at all?When deciding to approach a speci W c problem in mem-brane protein biology using simulations, it is worthwhile to re X ect on some primary questions prior to any modeling or simulation. Is the problem to be investigated accessible by MD at all? Are the simulations practical or likely to deliver interesting and informative results? F or large membrane protein systems with a total size of 100,000 atoms or more, simulation times on the scale of tens of nanoseconds are currently accessible using advanced supercomputers. Is this time scale enough for the particular system of interest? On what time scales do the phenomena of interest take place? Are current simulations accurate enough? Small di V erences in binding free energies of the order of 1 kT are not likely to be accurately reproduced in simulations, even if there are no issues with insu Y cient sampling. Is there further experi-mental data available that can be used for validating simu-lation results? At times, the answer to these questions should suggest that simulation is not an appropriate method to address the problem at hand.If simulation seems an appropriate approach, additional questions arise. Are appropriate starting structures avail-able? Do computational models of the lipids of interest exist, or do they have to be developed (useful, but a sub-stantial e V ort)? Are unbiased equilibrium MD simulations an appropriate choice or would non-equilibrium techniques be more suitable? For example, large scale conformational changes can be forced to take place on an accessible time scale using controlled MD techniques [26,27] or by per-forming pulling experiments [28], although both methods also introduce artifacts that need to be evaluated. F ree energy-related properties can rarely be determined from equilibrium simulations of complex systems, but specialized methods, such as umbrella sampling, can sometimes be used [29,30]. Is there a parameter set that adequately describes the lipids and protein of interest, and perhaps small-molecule ligands? Many membrane proteins are sen-sitive to the lipid environment, and thus may be critically a V ected by the membrane model used [31]. Are there parameters missing that have to be determined W rst? Are topologies available for all of the system’s components? Which software should be used? This depends on the prob-lem at hand, the availability of local expertise, computa-C. Kandt et al. / Methods 41 (2007) 475–488477tional facilities, and other factors. Is enough computer time available for the planned simulations? Below we address some of the technical questions, but there is no general answer for the suitability of simulations for a particular problem.2.2. Force W elds2.2.1. OverviewForce W elds could be considered the primary assumption in MD simulations—they describe the interaction between atoms. There are many di V erent force W elds [32], but cur-rently there are only four widely used force W elds for simu-lating biological macromolecules: Amber [33,34], CHARMM [35,36], GROMOS [37] and OPLS [38]. Each of these has undergone continuous development as parame-terization methodology and experimental techniques advance, and to correctly specify a force W eld an exact revi-sion number is required. All four force W elds reproduce many protein characteristics satisfyingly well [32,39]. They have some di V erent strengths and weaknesses, but most importantly they share a number of the same limitations due to the basic simplifying assumptions necessary in large scale MD simulations. The treatment of electrostatics in particular is somewhat simplistic because electronic polar-izability is only accounted for in an average way. F orce W eld and methods development aimed at resolving these de W ciencies is ongoing [32,39–41].Phospholipids are a subset of biomolecules that have received considerably less attention than proteins or nucleic acids. There are only two phospholipid force W elds in com-mon use today, although additional sets are in development (e.g. [42]). The W rst commonly used lipid force W eld is part of CHARMM [43,44]; the second is based on an older ver-sion of OPLS and AMBER with some additional parame-ters from Berger et al. [45]. Both force W elds are able to reproduce the available information from stable bilayers fairly well, although both sets of lipid parameters will ben-e W t from further re W nements. Recent examples are the treat-ment of the rotational isomerization of acyl tails, where intermediate-range intramolecular interactions play an important role [46], and a direct comparison of simulations of lipids with di V raction experiments [47].Unlike CHARMM lipids and most of the recent protein force W elds, Berger lipids are described by a united-atom force W eld; each aliphatic carbon with associated hydrogens is described by a single particle with the approximate physi-cal characteristics of a methyl, methylene, or methine group. This is a level of detail somewhere between fully atomistic descriptions and some of the coarse-grained approaches that have been developed over the years [48,49]. When hydrogens are treated explicitly, the number of atoms per lipid approximately triples, and the number of pairwise interactions in the membrane becomes much higher. Because the computationally inexpensive united-atom lipids reproduce experimental behavior reasonably well, it may be desirable to use a combination of united-atom lipids and an accurate all-atom protein force W eld [50].Ultimately, an all-atom force W eld should be more accurate,but despite some discussion in the literature we do not believe that we have reached the point yet where the united-atom approximation is the limiting factor in accuracy formost purposes.This point is related to a broader problem. Signi W cant progress has been made in developing modern protein force W elds, based on a comparison with high-level quantum mechanics and high-resolution experiments on soluble pro-teins, but it is challenging to obtain accurate experimental data to validate and improve lipid models. The situation is even more complex for lipid–protein interactions compared to pure lipids, because experiments on membrane proteins and peptides typically have a signi W cantly lower resolution than in solution. In addition, from a simulation point of view, critical tests are di Y cult due to the long simulations required. F or now, the most straightforward approach to membrane protein simulations involves directly combining mathematically compatible protein and lipid force W elds, and this approach has yielded useful insights into membrane protein behavior [22,23].A key di Y culty with classical simulations of molecules that move between two very di V erent environments is that the parameters used to describe them have to be accurate in both environments, although typical biomolecular force W elds have been developed for aqueous solution. A direct approach to testing the free energies of transfer between water and hydrophobic environments is now possible com-putationally [50–54], which allows a direct comparison to experimentally measured partition coe Y cients [55] and the interfacial partitioning of model peptides [56]. Such studies have found substantial errors in free energies of transfer for amino acid side chain analogues between water and cyclo-hexane. Signi W cant improvements in current force W elds can be expected based on re-parameterization e V orts, both in the thermodynamics of membrane proteins at the water/ lipid interface and in processes such as small molecules binding to proteins, which typically also involves a change of environment. There will be a limit to the maximum accu-racy that can be reached by simple re-parameterization due to ignoring electronic polarizability e V ects (e.g. [40]), but in our opinion we have not reached the point yet where fur-ther improvement is impossible without including such e V ects. An intriguing question is whether a general polariz-able force W eld would solve many problems at once, possi-bly with ultimately less e V ort. Undoubtedly we will see many endeavors in the near future aimed at improving protein and lipid force W elds.2.3. Building topologiesMembrane proteins are often associated with speci W c cofactors, ligands or other biological molecules for which the simulation package holds no topologies. In many cases, such descriptions might already exist in another force W eld and might be converted; in other cases, they must be built478 C. Kandt et al. / Methods 41 (2007) 475–488anew. However, care must be taken to ensure their accuracy and compatibility with the protein and lipid models. A use-ful and commonly used approach when generating a new topology is to dissect the molecule into more manageable parts. For example, complex substrates and cofactors often contain amino acid-like fragments for which force W eld parameters are already available, which thus require only slight adjustments. High-resolution X-ray data can be used for reference when parameterizing bond length and angle de W nitions. F orce constants for bonds and angles can in principle be obtained from accurate QM calculations, but in practice bonds are often taken as W xed (so that only the bond length matters) and angle force constants are chosen similar to existing angle parameters in the force W eld.One important factor to consider when evaluating a model for a cofactor is its partial charge distribution, or more generally, the way the force W eld models non-bonded interactions. Point charges and Leonard-Jones interactions that give the proper behavior for a molecule in water may not be adequate to describe behavior in the interior of a bilayer or a hydrophobic pocket in a protein. The charge distribution (usually derived from ab initio QM methods) should be compatible with the protein force W eld; a charge partitioning technique that overestimates charges on a cofactor relative to a protein may arti W cially and adversely a V ect the balance of forces controlling protein-cofactor interactions. The interactions between ions and a potassium channel are an interesting example [57]. Thus it is advisable to use a methodology similar to that used in parameterizing the protein (and/or lipid) force W eld.Topologies of complex molecules present a signi W cant practical problem. MD software typically generates topolo-gies for biopolymers like proteins and polynucleotides automatically from the 3D coordinates, but this relies on an existing description (in the software) of the exact topology of amino acids and individual nucleotides. It is a challeng-ing problem to generate accurate topologies for arbitrary molecules. Although there are a number of web servers [58–60] and computer programs (e.g., AMBER, Insight II) that will attempt to generate topologies based on chemical structures or 3D coordinates, in practice these require care-ful manual checking and sometimes adjustments. At the moment topologies of complex molecules like vitamin B12 require signi W cant manual e V ort [61].2.4. Creating a starting structureIn addition to addressing general questions and chosing simulations parameters, setting up a membrane protein simulation system usually requires four major working steps, which will be discussed in the following sections. These steps are: 1, orienting the protein; 2, preparation of the bilayer; 3, solvating the system; 4, system equilibration. As pointed out earlier, in describing these processes we make explicit reference to GROMACS utilities [24,25] dis-tributed at the time of writing (version 3.3.1). However the methods described herein do not rely on speci W c software and can be readily implemented with other molecular dynamics and modeling programs.2.4.1. Orienting the proteinWhen starting from a pre-existing bilayer the common approach begins with centering the protein in the simula-tion box. Both the protein and the bilayer box should have the same dimensions so the two coordinate sets can be com-bined easily. The protein is then oriented in such a way that its hydrophobic belt is aligned with the non-polar lipid tails. This can be done using either common molecular graphic programs such as MolMol [62], VMD [63] or RasMol [64] or via the GROMACS tool editconf, applying explicit translation and rotational vectors to the protein only. The term hydrophobic belt refers to a common feature of mem-brane proteins regarding the distribution of charged resi-dues on the molecule’s surface: the area exposed to the hydrophobic component of a bilayer usually contains no charged residues [65,66] (see Fig.1).For peptides the procedure is the same or even simpler when dealing with short (»20 residues) trans-membrane peptides, where their entire length does not exceed the bilayer thickness. When constructing the membrane around the protein instead of starting from a pre-equilibrated bilayer, one should ensure that lipids are placed in such a way that the hydrophobic belt criterion is met. F urther re W nements are possible, as the hydrophobic belt criterion is not exact and could be replaced by a more quantitative assessment based on e.g., optimizing the electrostatic free energy of solvation using continuum electrostatics [67].2.4.2. Preparation of the bilayerMany important motions exhibited by lipids and lipid bilayers are relatively slow compared to the time scale of MD simulations [68–70], including such processes as lipid di V usion and rotational reorientation, phase transitions, bilayer self-assembly, and lipid X ip-X op. Therefore, one major di Y culty in designing a membrane protein simulation Fig.1. (a) Membrane proteins typically exhibit a characteristic distribu-tion of charged residues (black) on their molecular surface (white) whereas the area exposed to the hydrophobic component of the bilayer consists of neutral residues only (a). This hydrophobic belt (b) can be used to align the protein with the polar lipid head groups (grey). (F igure created using MolMol and XaraX1).C. Kandt et al. / Methods 41 (2007) 475–488479experiment is the proper assembly of the starting lipid bilayer and protein system. There are, in essence, two possi-ble approaches to this problem: 1. A protein is inserted into an existing, equilibrated bilayer. 2. A bilayer is built around the protein to embed it in the bilayer.We W rst review the main methods used in the literature. Then we introduce two new and e Y cient approaches that we recommend for new simulations: one starting from the coordinates of a single lipid molecule and one starting from a pre-equilibrated bilayer. Either way, if not stated other-wise all preparation techniques initially take place in the absence of water.In the end it does not matter which method one uses to make a starting structure as long as the system has been equilibrated long enough and known experimental data are adequately reproduced. However, the practical di V erences between approaches can be substantial. Important criteria to favor one method over another are the time required to equilibrate the system, the amount of manual e V ort required, and the potential for serious artifacts due to deformations of the bilayer caused by the wrong number of lipids in one of the lea X ets relative to the other lea X et.2.4.2.1. Review of preparation techniques2.4.2.1.1. Delete lipids within a cut-o V. This is the sim-plest and most commonly used method of preparing a bilayer for membrane protein simulation (Fig.2a). Recent examples can be found in [71–80]. The coordinate sets of bilayer and protein have already been combined and over-lapping lipids are removed on the basis of a simple distance cut-o V between the protein and either single lipid atoms (usually the phosphorus in the head groups), or the entire lipid. The applied cut-o V length varies between 5–6Å (based on protein–phosphorus distances) and 0.8–1.6Å (based on any contact between protein atoms and whole-lipids).The main problem with this method is that, due to the highly disordered lipid conformations, a rather rugged hole is created which can require a long simulation time before the local density has returned to its equilibrium value again. This can also lead to a shrinking of the whole membrane patch below an area that is not suitable for the system size anymore. The graphical representation option “draw peri-odic images” in VMD o V ers a particularly useful way to check if the chosen system size is big enough to ensure the protein does not “see” any of its periodic images in the course of the simulation. It is generally useful to keep in mind that lipid di V usion takes place on a time scale of 10–100ns and for typical simulation studies equilibration times of 10–20ns are necessary [68]. Non-equilibrium situations like the presence of a hole might initially decay rapidly, but the resulting structures may still not represent equilibrium for a signi W cant amount of time.Another problem frequently encountered, especially when using the protein – phosphorus approach, is the potential for clashes between protein residues and those lip-ids which are still present after the removal step. One possi-ble way to deal with this is to exchange the a V ected protein side chains with alternative and more suitable rotamer con-formations. This can be done using packages such as Swis-sPDB [81,82], but we prefer to avoid this situation altogether.A variant of the cut-o V method uses a rectangular grid placed on bilayer and protein. All lipids with atoms fall-ing in grid cells already occupied by protein are removed [83].2.4.2.1.2. Using repulsive forces to create a hole – cylinder & mdrun_hole. The protein shape is approximated by a cyl-inder of appropriate radius and all lipids with their phos-phorus atoms inside this cylinder are removed (Fig.2b). Subsequently all lipid molecules which still have (non-phos-phorus) atoms inside are driven out by applying a weak repulsive potential, after which the protein can be inserted in the generated cavity [84]. The major drawback of this method is clearly the large simpli W cation of protein shape. While it may work W ne for single helices or highly symmet-rical helix bundles [85,86], it is not suitable to deal with membrane proteins of more irregular shaped cross sections. The program code has been implemented in the GRO-MACS package and recent applications of this method can be found in [87–89]. We consider the newer mdrun_hole (see below) procedure superior.Introduced in 2002 [90], mdrun_hole is a further devel-opment of the cylinder approach. One still starts with a cyl-inder as a W rst approximation of the protein shape and deletes all lipids with phosphorus inside that cylinder, but then the Connolly surface of the protein itself is used as ref-erence boundary to drive out lipids and water molecules (see Fig.2c), creating a tailored cavity to contain the pro-tein [91–98]. The program code is part of the GROMACS package and additionally requires GRASP [99] or another program to generate the solvent-accessible protein surface in a format that can be read by GROMACS. The process leads to systems that have excellent lipid–protein packing and require minimal time to equilibrate compared to coarser methods. Cylinder and mdrun_hole can be applied to both water-free and fully hydrated systems.In practice, a drawback of this procedure is that manual intervention is often required: mdrun_hole has quite a few input parameters that need to be speci W ed but there is no standard setting that works for every system. Instead parameters like force constants for repulsive potential, sur-face de W nition (atoms to consider, probe radius), o V sets (de W ning the e V ective position of the surface boundary), and water repulsion parameters may need to be W ne-tuned for each system individually. Lipids can also become trapped on their way out, in small cavities created by clus-ters of side chain atoms, and must be removed manually. If parameters for pressure and force constants are not chosen properly (constant pressure and appropriately strong force constants) and/or the number of lipids deleted initially is too small, it is possible that some of the lipids may X ip over, with their tails pointing towards the water phase. Con-straints on lipid z coordinates can be used to prevent lipid X ipping.480 C. Kandt et al. / Methods 41 (2007) 475–488Fig.2. As discussed in the text the preparation of a bilayer can be done by deleting lipids within the range of a simple protein – lipid distance cut-o V (a), by applying a repulsive potential to drive out lipid and water from the area to be occupied by the protein as in the cylinder approach (b), or with mdrun_hole (c). Alternatively the membrane can be constructed around the protein lipid by lipid, taking structures from a pool of hydrated lipid conformations (d). We introduce two approaches that involve scaling of the simulation system: one method starts by placing copies of lipids on a 2D grid and then scales down the box size stepwise with energy minimization and short molecular dynamics steps in between (e). The other uses a pre-equilibrated bilayer, which is expanded within the xy-plane. Lipids within a given cut-o V distance are removed and the system is brought back to natural dimension by a series of scal-ing steps of the lipid xy positions and energy minimizations (f). (Figure created using RasMol, VMD and XaraX1).。

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