本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)模擬生化反應(yīng)過(guò)程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種使用計(jì)算機(jī)模擬金屬配合物與dna相互作用的方法。
背景技術(shù)：
許多抗癌藥物通常把dna作為重要的靶向目標(biāo)，通過(guò)與dna相互作用從而影響癌細(xì)胞的一系列生理活動(dòng)，比如dna的轉(zhuǎn)錄復(fù)制和蛋白質(zhì)的合成等?？拱┧幬镆廊粚?duì)靶向dna缺乏高效性和特異性，探究抗癌藥物與dna的相互作用是極其重要的。實(shí)驗(yàn)上通過(guò)uv-vis紫外可見(jiàn)光譜、圓二色光譜、熔點(diǎn)測(cè)定、黏度測(cè)定以及溶膠電泳等方法可以研究金屬配合物與dna的相互作用，但是不能得出具體的結(jié)合構(gòu)象和解釋作用機(jī)理。由于實(shí)驗(yàn)研究具有一定的局限性，因此通過(guò)分子對(duì)接模擬對(duì)金屬配合物與dna的相互作用進(jìn)行研究，將在計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)方面發(fā)揮巨大作用。
分子對(duì)接模擬就是配體分子識(shí)別受體分子活性結(jié)合的部位，根據(jù)能量互補(bǔ)性、幾何互補(bǔ)性以及化學(xué)環(huán)境互補(bǔ)原理來(lái)評(píng)估配體分子與受體分子的相互作用效果，并且搜索配體分子與受體分子之間的最好結(jié)合構(gòu)象。目前很多分子對(duì)接軟件都需要在大型計(jì)算機(jī)服務(wù)器上運(yùn)行，并且配體的分子結(jié)構(gòu)不容易獲得。因此基于以上情況，采用結(jié)合gaussian軟件和autodock對(duì)接軟件在普通計(jì)算機(jī)上對(duì)金屬配合物與dna的相互作用進(jìn)行模擬計(jì)算。首先對(duì)金屬配合物在gaussian軟件中進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以得到配體的準(zhǔn)確結(jié)構(gòu)，然后在autodock軟件(包括autodock子程序和autogrid子程序)中使用更加優(yōu)良的拉馬克遺傳算法對(duì)金屬配合物與dna進(jìn)行分子模擬對(duì)接，可以提高準(zhǔn)確度，最后將對(duì)接結(jié)果進(jìn)行排列分析。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種使用計(jì)算機(jī)模擬金屬配合物與dna相互作用的方法。本發(fā)明致力于采用gaussian軟件和autodock對(duì)接軟件在普通計(jì)算機(jī)上進(jìn)行金屬配合物與dna相互作用的模擬。首先對(duì)金屬配合物在gaussian軟件中進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，作為配體分子；然后在autodock軟件中進(jìn)行金屬配合物與dna的分子對(duì)接。
本發(fā)明通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
一種使用計(jì)算機(jī)模擬金屬配合物與dna相互作用的方法，包括如下步驟：
(1)金屬配合物的結(jié)構(gòu)優(yōu)化：在gaussian軟件中，使用dft方法的b3lyp泛函并采用混合基組，對(duì)繪制的金屬配合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何構(gòu)型優(yōu)化，獲得金屬配合物的準(zhǔn)確結(jié)構(gòu)；
dft方法對(duì)金屬配合物的幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化可得到較好的結(jié)果，其中b3lyp泛函優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)比較合理；
(2)配體構(gòu)象的搜索區(qū)域的構(gòu)建：在autodock軟件中，以dna作為受體分子，以環(huán)繞受體的活性結(jié)合位點(diǎn)構(gòu)成格點(diǎn)盒子作為配體構(gòu)象的搜索區(qū)域，并用不同類型的原子為探針進(jìn)行掃描和計(jì)算格點(diǎn)能量以計(jì)算探針原子和受體之間的相互作用能；
(3)分子對(duì)接：結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的金屬配合物作為配體分子，運(yùn)用autodock軟件中的autogrid子程序?yàn)楦顸c(diǎn)式搜索方法，在配體構(gòu)象的搜索區(qū)域查找活性結(jié)合位點(diǎn)，使受體與配體的分子對(duì)接；最后對(duì)金屬配合物與dna在autodock子程序中進(jìn)行多次對(duì)接計(jì)算并且搜索最佳結(jié)合位置，將最終得到的對(duì)接結(jié)果進(jìn)行分析。
進(jìn)一步地，步驟(1)中，金屬配合物在基態(tài)下最穩(wěn)定，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的金屬配合物為處于基態(tài)的金屬配合物。
進(jìn)一步地，步驟(1)中，所述混合基組中，對(duì)包括氫、碳、氮和氧在內(nèi)的輕原子使用6-31g**基組，對(duì)重金屬原子使用lanl2dz基組。
進(jìn)一步地，步驟(1)中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的金屬配合物保存為pdb格式文件。
進(jìn)一步地，步驟(2)中，所述dna的晶體結(jié)構(gòu)來(lái)源于蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，且模擬過(guò)程中的dna的結(jié)構(gòu)刪除結(jié)晶水和離子，獲得的dna晶體結(jié)構(gòu)不包含氫原子的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，添加所有的氫原子。
進(jìn)一步地，步驟(2)中，所述配體構(gòu)象的搜索區(qū)域包含整個(gè)dna分子結(jié)構(gòu)，確保金屬配合物均可與dna的任何部分相互結(jié)合。
進(jìn)一步地，步驟(2)中，所述配體構(gòu)象的搜索區(qū)域中，格點(diǎn)的間隔為默認(rèn)值0.0375nm。
進(jìn)一步地，步驟(2)中，所述不同類型的原子包括c、h和o三種原子
進(jìn)一步地，步驟(2)中，所述計(jì)算格點(diǎn)能量，主要是由autodock軟件中的autogrid子程序計(jì)算出。
進(jìn)一步地，步驟(3)中，所述對(duì)接的計(jì)算方法為autodock軟件中的拉馬克遺傳算法。
進(jìn)一步地，步驟(3)中，所述對(duì)接過(guò)程在默認(rèn)溫度298.15k下進(jìn)行。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
(1)本發(fā)明通過(guò)采用gaussian軟件對(duì)金屬配合物進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，而且可以繪制特定的配體結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的幾何構(gòu)型更準(zhǔn)確合理；
(2)本發(fā)明的autodock對(duì)接軟件采用拉馬克遺傳算法，該算法相比模擬退火算法以及其他傳統(tǒng)算法有更高的效率，結(jié)果也更加可靠；
(3)本發(fā)明的autodock對(duì)接軟件在普通計(jì)算機(jī)上即可運(yùn)行，在windows系統(tǒng)和linux系統(tǒng)中均可安裝，設(shè)備成本很低，且占用cpu核數(shù)和內(nèi)存小，工作效率高；
(4)本發(fā)明的運(yùn)行效率很高，即使是運(yùn)行200個(gè)構(gòu)象的計(jì)算也能在較短時(shí)間內(nèi)完成，而且模擬結(jié)果可靠，有助于在生物化學(xué)、配位化學(xué)、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用；
(5)本發(fā)明主要是針對(duì)分子間相互作用的計(jì)算，尤其是范德華力、氫鍵以及去溶劑化作用的計(jì)算精準(zhǔn)度高，而金屬配合物與dna相互作用能主要來(lái)自于這些作用的貢獻(xiàn)；
(6)本發(fā)明的計(jì)算結(jié)果顯示的對(duì)接信息很豐富，可以直接觀察金屬配合物與dna的結(jié)合構(gòu)象，對(duì)接結(jié)果中所包含的結(jié)合自由能、分子間相互作用能、范德華能、氫鍵能、去溶劑化能、靜電能、扭轉(zhuǎn)能、最終總的內(nèi)能和非鍵系統(tǒng)能等一系列能量被清楚地顯示出來(lái)。
附圖說(shuō)明
圖1為金屬配合物與dna的對(duì)接模型圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此。
本發(fā)明具體實(shí)施例中配體構(gòu)象的搜索區(qū)域是一個(gè)x×y×z的長(zhǎng)方體盒子，且最大可設(shè)置為126×126×126。
本發(fā)明具體實(shí)施例中設(shè)置的遺傳算法的搜索參數(shù)如表1所示。
表1遺傳算法的主要參數(shù)設(shè)置
實(shí)施例1
使用計(jì)算機(jī)模擬金屬錳咔咯配合物與dna的相互作用，在windows系統(tǒng)中運(yùn)行，具體步驟如下：
(1)選擇基態(tài)的金屬錳咔咯配合物(四個(gè)吡咯通過(guò)三個(gè)亞甲基橋聯(lián)的大環(huán)，中心配位金屬錳原子)作為配體分子，繪制金屬錳咔咯配合物的分子結(jié)構(gòu)后在gaussian軟件中進(jìn)行幾何構(gòu)型優(yōu)化；采用dft方法中的b3lyp泛函以及混合基組對(duì)金屬錳咔咯配合物進(jìn)行優(yōu)化，在此對(duì)氫、碳、氮等一系列輕原子使用6-31g**基組，金屬錳原子使用lanl2dz基組；在基態(tài)下對(duì)金屬錳咔咯配合物進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，然后保存為mncor.pdb名稱的文件，作為下一步分子對(duì)接的配體分子；
(2)對(duì)受體分子進(jìn)行預(yù)處理：受體分子是從蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)(例如http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do)上下載的，pdb文件為3u2n.pdb；打開(kāi)autodocktools對(duì)接軟件，設(shè)置所有文件的工作目錄，再將autogrid子程序和autodock子程序以及下載的pdb文件復(fù)制到該工作目錄中；導(dǎo)入受體分子，然后去掉dna上的結(jié)晶水和離子，并添加所有的氫原子(x射線衍射獲得的dna晶體結(jié)構(gòu)不包含氫原子的坐標(biāo)數(shù)據(jù))，最后保存修改過(guò)的受體分子；
(3)對(duì)配體分子進(jìn)行預(yù)處理：在菜單處導(dǎo)入pdb格式的配體分子，對(duì)該分子進(jìn)行初始化，采取默認(rèn)值，將其保存為含有原子坐標(biāo)、autodock原子類型、電荷以及可扭轉(zhuǎn)鍵等信息的mncor.pdbqt名稱的文件；
(4)運(yùn)行autogrid子程序：在菜單中選擇之前準(zhǔn)備好的的受體分子和配體分子文件，打開(kāi)格點(diǎn)選項(xiàng)對(duì)話框設(shè)置格點(diǎn)盒子，將格子的大小設(shè)置為60×60×100，格點(diǎn)間隔為默認(rèn)值
(5)運(yùn)行autodock子程序：選擇對(duì)接中的受體分子3u2n.pdbqt和配體分子為mncor.pdbqt，設(shè)置遺傳算法的搜索參數(shù)(見(jiàn)表1)，進(jìn)行200次構(gòu)象搜索；采用系統(tǒng)默認(rèn)值設(shè)置對(duì)接運(yùn)行參數(shù)，輸出拉馬克遺傳算法對(duì)接參數(shù)文件dock.dpf；啟動(dòng)autodock圖形界面，修改autodock子程序、參數(shù)文件以及記錄文件，進(jìn)行對(duì)接計(jì)算并且搜索最佳結(jié)合位置，將最終得到的對(duì)接結(jié)果保存到記錄文件dock.dlg；
(6)對(duì)接結(jié)果分析，打開(kāi)對(duì)接記錄文件dock.dlg，顯示此日志文件中包含對(duì)接結(jié)果的分子構(gòu)象以及數(shù)據(jù)：將dna分子載入到圖形界面中，顯示金屬錳咔咯配合物與dna的對(duì)接構(gòu)象和結(jié)合自由能；
對(duì)接的模型圖如圖1所示，圖1顯示金屬錳咔咯配合物與dna主要結(jié)合在小溝位置。
對(duì)接結(jié)果形成的5個(gè)構(gòu)象的結(jié)合自由能分析結(jié)果如表2所示。
表2結(jié)合自由能分析(單位為kcal·mol-1)
表2表明金屬錳咔咯配合物與dna之間的相互作用主要來(lái)自于范德華力、氫鍵以及去溶劑化相互作用，靜電相互作用的貢獻(xiàn)很少。
將對(duì)接結(jié)果的分子構(gòu)象進(jìn)行聚類，以對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和比較，聚類的結(jié)果如表3所示。
表3聚類結(jié)果(單位為kcal·mol-1)
表3顯示結(jié)合自由能為-8.18kcal·mol-1的構(gòu)象2具有最多的分子構(gòu)象數(shù)量，說(shuō)明金屬錳咔咯配合物在構(gòu)象2狀態(tài)下最穩(wěn)定。
實(shí)施例2
使用計(jì)算機(jī)模擬金屬鎵咔咯配合物與dna的相互作用，在windows系統(tǒng)中運(yùn)行，具體步驟如下：
(1)選擇基態(tài)的金屬鎵咔咯配合物(四個(gè)吡咯通過(guò)三個(gè)亞甲基橋聯(lián)的大環(huán)，中心配位金屬鎵原子)作為配體分子，繪制金屬鎵咔咯配合物的分子結(jié)構(gòu)后在gaussian軟件中進(jìn)行幾何構(gòu)型優(yōu)化；采用dft方法中的b3lyp泛函以及混合基組對(duì)金屬鎵咔咯配合物進(jìn)行優(yōu)化，在此對(duì)氫、碳、氮等一系列輕原子使用6-31g**基組，金屬鎵原子使用lanl2dz基組；在基態(tài)下對(duì)金屬鎵咔咯配合物進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，然后保存為gacor.pdb名稱的文件，作為下一步分子對(duì)接的配體分子；
(2)對(duì)受體分子進(jìn)行預(yù)處理：受體分子是從蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)(例如http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do)上下載的，pdb文件為2gvr.pdb；打開(kāi)autodocktools對(duì)接軟件，設(shè)置所有文件的工作目錄，再將autogrid子程序和autodock子程序以及下載的pdb文件復(fù)制到該工作目錄中；導(dǎo)入受體分子，然后去掉dna上的配體、結(jié)晶水和離子，并添加所有的氫原子(x射線衍射獲得的dna晶體結(jié)構(gòu)不包含氫原子的坐標(biāo)數(shù)據(jù))，最后保存修改過(guò)的受體分子；
(3)對(duì)配體分子進(jìn)行預(yù)處理：在菜單處導(dǎo)入pdb格式的配體分子，對(duì)該分子進(jìn)行初始化，采取默認(rèn)值，將其保存為含有原子坐標(biāo)、autodock原子類型、電荷以及可扭轉(zhuǎn)鍵等信息的gacor.pdbqt名稱的文件；
(4)運(yùn)行autogrid子程序：在菜單中選擇之前準(zhǔn)備好的的受體分子和配體分子文件，打開(kāi)格點(diǎn)選項(xiàng)對(duì)話框設(shè)置格點(diǎn)盒子，將格子的大小設(shè)置為60×60×120，格點(diǎn)間隔為默認(rèn)值
(5)運(yùn)行autodock子程序：選擇對(duì)接中的受體分子2gvr.pdbqt和配體分子為gacor.pdbqt，設(shè)置遺傳算法的搜索參數(shù)(見(jiàn)表1)，進(jìn)行200次構(gòu)象搜索；采用系統(tǒng)默認(rèn)值設(shè)置對(duì)接運(yùn)行參數(shù)，輸出拉馬克遺傳算法對(duì)接參數(shù)文件dock.dpf；啟動(dòng)autodock圖形界面，修改autodock子程序、參數(shù)文件以及記錄文件，進(jìn)行對(duì)接計(jì)算并且搜索最佳結(jié)合位置，將最終得到的對(duì)接結(jié)果保存到記錄文件dock.dlg；
(6)對(duì)接結(jié)果分析，打開(kāi)對(duì)接記錄文件dock.dlg，顯示此日志文件中包含對(duì)接結(jié)果的分子構(gòu)象以及數(shù)據(jù)：將dna分子載入到圖形界面中，顯示金屬鎵咔咯配合物與dna的對(duì)接構(gòu)象和結(jié)合自由能；
對(duì)接的模型圖參見(jiàn)圖1，顯示金屬鎵咔咯配合物與dna主要結(jié)合在小溝位置。
對(duì)接結(jié)果形成的5個(gè)構(gòu)象的結(jié)合自由能分析結(jié)果如表4所示。
表4結(jié)合自由能分析(單位為kcal·mol-1)
表4表明金屬鎵咔咯配合物與dna的相互作用主要來(lái)自于范德華力、氫鍵以及去溶劑化相互作用，靜電相互作用的貢獻(xiàn)很少。
將對(duì)接結(jié)果的分子構(gòu)象進(jìn)行聚類，以對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和比較，聚類結(jié)果如表5所示。
表5聚類結(jié)果(單位為kcal·mol-1)
表5顯示結(jié)合自由能為-8.06kcal·mol-1的構(gòu)象2具有最多的分子構(gòu)象數(shù)量，說(shuō)明金屬鎵咔咯配合物在構(gòu)象2狀態(tài)下最穩(wěn)定。
實(shí)施例3
使用計(jì)算機(jī)模擬金屬錳卟啉配合物與dna的相互作用，在windows系統(tǒng)中運(yùn)行，具體步驟如下：
(1)選擇基態(tài)的金屬錳卟啉配合物(四個(gè)吡咯通過(guò)四個(gè)亞甲基橋聯(lián)的大環(huán)，中心配位金屬錳原子)作為配體分子，繪制金屬錳卟啉配合物的分子結(jié)構(gòu)后在gaussian軟件中進(jìn)行幾何構(gòu)型優(yōu)化；采用dft方法中的b3lyp泛函以及混合基組對(duì)金屬錳咔咯配合物進(jìn)行優(yōu)化，在此對(duì)氫、碳、氮等一系列輕原子使用6-31g**基組，金屬錳原子使用lanl2dz基組；在基態(tài)下對(duì)金屬錳卟啉配合物進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，然后保存為mnpor.pdb名稱的文件，作為下一步分子對(duì)接的配體分子；
(2)對(duì)受體分子進(jìn)行預(yù)處理：受體分子是從蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do)上下載的，pdb文件為3u05.pdb；打開(kāi)autodocktools對(duì)接軟件，設(shè)置所有文件的工作目錄，再將autogrid子程序和autodock子程序以及下載的pdb文件復(fù)制到該工作目錄中；導(dǎo)入受體分子，然后去掉dna上的結(jié)晶水和離子，并添加所有的氫原子(x射線衍射獲得的dna晶體結(jié)構(gòu)不包含氫原子的坐標(biāo)數(shù)據(jù))，最后保存修改過(guò)的受體分子；
(3)對(duì)配體分子進(jìn)行預(yù)處理：在菜單處導(dǎo)入pdb格式的配體分子，對(duì)該分子進(jìn)行初始化，采取默認(rèn)值，將其保存為含有原子坐標(biāo)、autodock原子類型、電荷以及可扭轉(zhuǎn)鍵等信息的mnpor.pdbqt名稱的文件；
(4)運(yùn)行autogrid子程序：在菜單中選擇之前準(zhǔn)備好的的受體分子和配體分子文件，打開(kāi)格點(diǎn)選項(xiàng)對(duì)話框設(shè)置格點(diǎn)盒子，將格子的大小設(shè)置為60×60×100，格點(diǎn)間隔為默認(rèn)值
(5)運(yùn)行autodock子程序：選擇對(duì)接中的受體分子3u05.pdbqt和配體分子為mnpor.pdbqt，設(shè)置遺傳算法的搜索參數(shù)(見(jiàn)表1)，進(jìn)行200次構(gòu)象搜索；采用系統(tǒng)默認(rèn)值設(shè)置對(duì)接運(yùn)行參數(shù)，輸出拉馬克遺傳算法對(duì)接參數(shù)文件dock.dpf；啟動(dòng)autodock圖形界面，修改autodock子程序、參數(shù)文件以及記錄文件，進(jìn)行對(duì)接計(jì)算并且搜索最佳結(jié)合位置，將最終得到的對(duì)接結(jié)果保存到記錄文件dock.dlg；
(6)對(duì)接結(jié)果分析，打開(kāi)對(duì)接記錄文件dock.dlg，顯示此日志文件中包含對(duì)接結(jié)果的分子構(gòu)象以及數(shù)據(jù)：將dna分子載入到圖形界面中，顯示金屬錳卟啉配合物與dna的對(duì)接構(gòu)象和結(jié)合自由能；
對(duì)接的模型圖參見(jiàn)圖1，顯示金屬錳卟啉配合物與dna主要結(jié)合在小溝位置。
對(duì)接結(jié)果形成的5個(gè)構(gòu)象的結(jié)合自由能分析結(jié)果如表6所示。
表6結(jié)合自由能分析(單位為kcal·mol-1)
表6顯示金屬錳卟啉配合物與dna的相互作用主要來(lái)自于范德華力、氫鍵以及去溶劑化相互作用，靜電相互作用的貢獻(xiàn)很少。
將對(duì)接結(jié)果的分子構(gòu)象進(jìn)行聚類，以對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和比較，聚類結(jié)果如表7所示。
表7聚類結(jié)果(單位為kcal·mol-1)
表7顯示結(jié)合自由能為-7.47kcal·mol-1的構(gòu)象2具有最多的分子構(gòu)象數(shù)量，說(shuō)明金屬錳卟啉配合物在構(gòu)象2狀態(tài)下最穩(wěn)定。