中大唯信-唯信计算|Protocols | 计算配体结合自由能的新工具FMAP，Nature ：NatureProtocols|计算配体结合自由能

_本文原题为：NatureProtocols|计算配体结合自由能的新工具FMAP
原创wumeng唯信计算昨天
收录于话题
#计算化学16#分子动力学17

文章图片
引言
配体与其分子靶标结合机制的精准描述是开展药物设计的基础。配体-蛋白质结复合物的结合自由能计算对于研究配体的结合模式至关重要。而精确的结合自由能计算方法往往因其较差的用户友好性而受到了一定限制进而妨碍了它们的广泛应用。瑞士提契诺大学的VittorioLimongelli详细介绍了漏斗-元分子动力学方法的高级应用指南（Funnel-MetadynamicsAdvancedProtocol,FMAP），作者开发了一个灵活且易于使用的基于用户图形界面（GUI）的用于漏斗-元分子动力学模拟的软件工具，漏斗-元分子动力学方法采用了漏斗形约束势能来研究配体-蛋白质结合模式，并能够准确计算出配体与蛋白质的绝对结合自由能。本FMAP指导使用者完成结合自由能计算过程的所有阶段，从准备输入文件到成品模拟再到最后的结果分析。此外使用该方法除了能够提供配体结合模式和绝对的结合自由能之外,还能给出其它潜在的配体结合模式和水分子的作用,进而提供对配体结合机理的详细描述。
在介绍FMAP之前，我们先简单描述下结合位点以及结合模式和结合机制的定义:
1）结合位点(bindingsite)是靶标分子与内源性或外源性配体结合的区域;
2）配体结合模式(ligandbindingmode)是配体在结合位点的结合构象的表示;
3）结合机理(bindingmechanism)是配体进入结合位点的途径。
早在2013年，文章作者就提出了漏斗-元分子动力学（FM），这是一种使用自适应地偏置势来模拟配体从其完全溶剂化状态到最终结合位点的结合过程的结合自由能计算方法。在选定的自由度空间内的高斯函数之和称为集合变量（CV）。这种方法可以研究配体结合模式，并提供精确的蛋白质-配体结合自由能计算。此外,FM还能提供对配体结合机制的动力学过程的解释，包括存在其它潜在的配体结合模式和其他与能量相关的状态（如结合速率限制状态）。 FM将元动力学的偏置势与应用于靶标结构的漏斗形约束势相结合,约束势是包括配体结合位点的锥形约束和指向溶剂的圆柱形约束的组合。在FM中，当配体探索漏斗区域内的区域时，系统不会感觉到漏斗势的存在;当配体到达漏斗的边缘时，会向系统施加排斥势，从而使其从漏斗外部的区域中消失。如果适当选择漏斗的形状，则结合位点处的采样不会受到外部偏置势的影响，而在外部水环境中，排斥势会减小探索圆柱区域的空间。如此带来的结果是，通过观察多个结合和未结合事件进而实现加速采样，这些事件导致自由能计算和定量良好表征的结合自由能面（BFES）的快速收敛。通过BFES ，可以将配体结合模式确定为最低自由能最小值，并使用以下公式计算绝对的蛋白质-配体结合自由能：

文章图片
在此， C0是所有反应分子的1M的标准浓度，可用于与实验进行比较；kB是玻尔兹曼常数；T是系统的温度；kb是结合态和未结合态之间的自由能差中获得的平衡结合常数。结合自由能仅取决于这两个状态的自由能值，而与连接彼此的路径无关。目前， FM已被不同的研究小组成功地用于研究各种配体-蛋白质和配体-DNA结合复合物，确定与晶体学数据相符的结合方式，并准确地预测了实验性结合自由能。表1列出了FM应用于不同体系的情况。

文章图片
表1FM的应用情况总结
图片源自NatureProtocols.