КМММ и несколько дилетантских вопросов

[starless]

Введём определения:

• лиганд -- малая органическая молекула, бидентатная, стабильный монорадикал;
• ингибитор -- комплекс этого лиганда с медью(II) состава [CuL₂]²⁺, имеется рентген, противоионы предположительно не важны, структура жёсткая;
• фермент -- содержит в активном центре ион железа (ферментативная реакция связана с изменением его степени окисления, но это, кажется, не принципиально) и ингибируется ингибитором, в координационной сфере железа гистидины, гидроксил и кислородсодержащие остатки, имеется рентген.

Предположим, что нужно как-то оптимизировать структуру комплекса ингибитора с ферментом. Из экспериментальных данных вроде бы известно, что ингибирование обратимое и никаких приключений с переходами электронов и образованием новых связей нет. Насколько я понимаю, молмеханика в чистом виде здесь мало применима, поскольку требуется предварительный подбор и оптимизация параметров. Соответственно, вопрос следующий: в сторону каких методов здесь вообще надо копать? Традиционная КМММ больше подходит для моделирования несложных реакций. В принципе, достаточно логичным методом была бы аппроксимация ингибитора жёстким телом, но сразу возникает вопрос об обработке электронных эффектов, потому что здесь они явно очень важны. Иными словами, можно пытаться оптимизировать белок вокруг ингибитора в хорошо описанном поле ингибитора -- но как? Встречал ли кто такие методы или подобные исследования?

[sanya1024]

Попробуйте EFP в GAMESS-US. Там в мануале и метод неплохо описан, и много ссылок по теме. Еще посмотрите работы группы А.В. Немухина -- они практикуют такие подходы.

[starless]

Область деятельности Немухина я представляю, они практикуют изучение реакций всё-таки в первую очередь, а меня интересует не высокая энергетика, а качественное описание системы (а точнее, существующие методики такого описания, потому что делать эту работу я всё равно не буду), поэтому предпочёл бы конкретную ссылку. Фами Химо мне вообще сказал: "Да используй любой метод, только сначала ЭПР сними".

Про EFP погляжу статьи, при беглом взгляде осталось не очень понятно, насколько эффективно он будет оптимизировать фермент вокруг ингибитора и применим ли он для этой цели вообще.

И вообще, в качестве обобщения: что, если рассматривать КМ-часть как конформационно жёсткую и даже неподвижную (возможно, даже с заранее заданной формой), а распределение электронов в ней обсчитывать более-менее честно для взаимодействия с ММ-окружением? Имеет ли такое описание вообще какой-либо смысл и реализовано ли где-то в явном виде?

[sanya1024]

В Вашем случае, видимо, надо КМ часть разок соптимизировать (отдельно, без белка) и зафиксировать, просто задав соотв. ключи в инпуте. А белок будет даже не EFP, а ММ частью, и оптимизироваться будет, допустим, в поле AMBER -- вполне себе поле, параметризованное под белки. Файл с параметрами поля придется слегка модифицировать: добавить в него новые типы атомов из КМ фрагмента, связи и углы между ними задать равными посчитанным в КМ, силовые константы запредельно большими, чтоб не дергались -- вот и готов жесткий фрагмент. А остальное пусть болтается и оптимизируется. И эл. плотность КМ фрагмента будет подстраиваться под распределение точечных зарядов в подвижном белке.
Вполне нормальная процедура, если аккуратно и грамотно сделать.
Кстати, есть программа qmmm, делается и распространяется бесплатно группой D. Truhlar-а из Миннесоты:

Код: Выделить всё

http://comp.chem.umn.edu/qmmm/

Работает с Гамессом, Гауссианом и Оркой.

[starless]

Ага, спасибо, становится яснее

А белок будет даже не EFP, а ММ частью, и оптимизироваться будет, допустим, в поле AMBER -- вполне себе поле, параметризованное под белки.

Собственно, я так и предполагал. Надо ещё глянуть, как в амбере кммм реализована

добавить в него новые типы атомов из КМ фрагмента, связи и углы между ними задать равными посчитанным в КМ, силовые константы запредельно большими, чтоб не дергались -- вот и готов жесткий фрагмент.

Получается, его движение как целого определяется силовым полем? Мне казалось, что в этой части используются кванты в чистом виде, как для ядер, так и для электронов. Или это мало связанные вещи? И откуда брать ван-дер-Ваальсов объём и подобные параметры?

Вполне нормальная процедура, если аккуратно и грамотно сделать.

Это хорошо.

[Ivk]

Я бы посоветовал посмотреть в сторону ONIOM.
Ингибитор и активный центр фермента с ближайшим окружением считаете неэмпирикой или DFT, а оставшуюся часть белка - мм.
Таким образом Вы учитываете и электронные эффекты, и можете посчитать систему с огромным количеством атомов.
Программы - гауссиан, nwchem.

Главная же проблема - непосредственно с оптимизацией, суть которой в нахождении минимума функции 3N-6 переменных, где N - количество атомов. Первое, с чем Вы столкнетесь - процедура оптимизации дает локальный минимум, ближайший к стартовой точке. Фактически же минимумов возможно огромное количество, и найти глобальный из них - задача далеко не тривиальная. Фиксирование части атомов белка поможет более быстро найти локальный минимум, а для нахождения глобального может даже потребоваться сложить фермент. К сожалению, с задачами такой сложности я не сталкивался, и максимум, что могу порекоммендовать - провести поиск в направлении генетических алгоритмов оптимизации.

[starless]

Собственно, ONIOM в традиционной реализации -- не вариант, как я уже указал выше. Нет смысла тратить время на изучение реакции, которой нет, а нужно оптимизировать конфигурацию системы. В случае ONIOM же всё время уйдёт на мелкие подстройки и локальную оптимизацию вместо более глобальной. Кроме того, начальная геометрия системы может быть (и будет) весьма неравновесной, в связи с чем факсация атомов белка как раз вредна. Ну и наконец, задача поиска глобального минимума вообще не имеет отношения к данной проблеме и почти наверняка не имеет смысла.

[sanya1024]

С QM/MM в предложенном мной варианте (ориентируюсь на GAMESS-US) проще показать, чем рассказывать. Пишите в личку, подъезжайте в Центр Фотохимии (ул. Новаторов 7а, м. Калужская).

[starless]

Спасибо, я ваш вариант в целом понял, но сам наверняка не буду этим заниматься. Это скорее нужно для аргументированного взаимодействия с коллабораторами.

[Ivk]

Наверное, Вы не правильно поняли. ONIOM - это не метод для изучения реакции, а способ объединения молекулярных орбиталей с молмеханикой (вариант qm/mm) Результат расчета ONIOM - энергия системы.
Полученную энергию системы как функцию от конфигурации системы (координат атомов) Вы уже используете для оптимизации геометрии.

Предварительная фиксация атомов (последовательная оптимизация сначала небольших блоков, а затем всей системы в целом) - только технический ход, позволяющий уменьшить количество обращений к процедуре вычисления энергии. При этом для алгоритма оптимизации абсолютно без разницы, чем вы считаете энергию, хоть мм, хоть полуэмпирикой, хоть неэмпирикой (ну, конечно, аналитические производные были бы плюсом, но сейчас это не так важно).

[sanya1024]

ONIOM -- один из вариантов QM/MM. Часто включает промежуточный между QM и MM уровень -- QM в небольшом или large-core ecp базисе или в полуэмпирике.